一种立式离心铸造辊颈的方法
【专利摘要】本发明公开一种工业炉炉辊的辊颈及其立式离心铸造方法。通过对立式离心铸造工艺进行改进和优化，制得的辊颈产品具有极其优异的高温短时力学性能和持续高温工作能力，不仅显著优于静态铸件，而且明显优于常规离心铸造工艺所得的产品。这一特性使其在高温应用环境下能够进一步延长使用寿命和降低产品报废率，并且有利于在更高环境要求下的应用。
【专利说明】一种立式离心铸造辊颈的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料铸造领域，具体涉及一种工业炉炉辊的辊颈及其立式离心铸造方法。
【背景技术】
[0002]辊颈是炉辊的核心组件。当炉辊被作为高温传送设备应用于工业炉时，辊颈工作条件为连续的高温受力状态，因此，用于工业炉炉辊的辊颈需要具有良好的高温短时力学性能和持续高温工作能力，这也是衡量辊颈高温应用性能的两项关键指标。
[0003]目前，辊颈的制造普遍采用静态铸造工艺(主要是砂型铸造)，也称重力铸造，即钢水在重力场的作用下经浇口、浇道到达型腔成型，铸件在冷却凝固过程中靠冒口中钢水的重力作用进行补缩。静态铸造的辊颈产品可以满足在高温条件下的基本应用要求，但是铸件组织通常不规则且较不致密，存在气孔、夹渣等结构缺陷，机械性能不够优越，使用寿命也不理想，产品报废率较高。
[0004]近来，研究人员发现，离心铸造工艺相比于静态铸造工艺更有利于提升铸件性能。例如，中国专利申请201310152327.6公开了一种立式离心铸造过渡短节的方法，中国专利申请201310269895.4公开了一种Inconel600合金管的离心铸造工艺。指出，将传统的静态铸造工艺改为离心铸造，可以获得比重力场更高的离心力场，提高钢水充型力，增强铸件冷却时的补缩能力，能够有效提高产品浇铸质量，降低产品报废率，提高产品的常温和高温机械性能，延长使用寿命。
[0005]离心铸造工艺优势明显，有望在金属铸造领域得到进一步推广。
[0006]然而，离心铸造工艺并非是一套格式化流程。同样是离心铸造，工艺条件和参数的选择对最终产品性能有着非常关键的影响。对工艺进行优化和改进以期获得尽可能提升的产品性能，将是现阶段金属构件离心铸造领域的一个热点和难点。
【发明内容】
[0007]本发明的目的首先在于提供一种立式离心铸造辊颈的方法。在将立式离心铸造工艺引入辊颈铸造的基础上，对工艺条件和参数进行了改进和优化，所得产品表现出了极其优异的高温短时力学性能和持续高温工作能力，显著优于静态铸造产品，并且超出了对离心铸造产品的一般性预期(即，相对于现有技术是预料不到的)。
[0008]本发明的具体方案如下:
一种立式离心铸造辊颈的方法，包括以下步骤:
(1)将模具预热至500-60(TC后，将其装配在立式离心机法兰盘上，开启离心机，转速控制在 200-300 r/min ；
(2)将温度1600-1650°C的钢水快速注入模具，密封后在15s内将转速匀速提升至1200-1300 r/min，并在该转速保持 2-3min ；
(3)在IOs内将转速匀速降至600-700r/min，并在该转速保持2_3min； (4)再次在IOs内将转速匀速提升至1200-1300r/min，并在该转速保持10_15min ；
(5)在30s内将转速匀速降至600-700r/min，并在该转速保持8_10min;然后再在30s内将转速匀速降至250-300 r/min,并在该转速保持5min ;然后关闭离心机，待其自然停止
旋转；
(6)将充分冷却成型的铸件取出，加工得到所需尺寸的辊颈产品。
[0009]适用于本发明上述方法中铸造辊颈的模具对于本领域技术人员来说是容易确定的。一般来说，如附图1中所示，该模具由内模和外模配套构成。外模内孔的形状与辊颈产品的外壁形状相同，而内模外壁则与辊颈产品的内壁形状相同。在尺寸设置上，考虑到钢水收缩率和后期加工需要，外模内孔尺寸略大于辊颈产品外径的最终尺寸，而内模外壁尺寸略小于辊颈产品内径的最终尺寸，即预留收缩量和加工余量；其中，钢水收缩率和加工余量对本领域技术人员而言是公知且容易确定的。作为进一步优选的方案，如附图1中所示，夕卜模高度大于内模高度，这样设定有利于钢水的快速注入。
[0010]模具材质可以是本领域常用的那些材料，例如可以是铸铁、铸钢等。
[0011]本发明的铸造方法中，模具型腔内喷涂有耐高温涂料，用以降低模具所受的热冲击和调节系统的冷却速度，并且有利于铸件冷却后从模具内取出。所述耐高温涂料可选用辊颈浇铸领域的常用涂料，如静态铸造工艺中采用的那些；优选地，可以选用醇基锆英粉涂料。
[0012]步骤(I)中，模具预热的目的在于延缓钢水的冷却速度，防止因钢水冷却过快导致铸件形成裂纹，其温度优选550-580°C。
[0013]步骤(2)中，钢水材质为本领域公知的用于制造工业炉用辊颈的耐热合金，例如可以是ZG40Cr25Ni20。优选地，钢水温度为1600_1630°C.步骤(6)中，可采用本领域公知的常规工艺对铸件进行后期处理，例如可采用车床或镗床对其内外表面进行加工。当外模高于内模时,后期处理还需要切除铸件小端(细口端)的多余部分。
[0014]在知晓本发明上述方法的基础上，适用于本发明的离心机对本领域技术人员而言是容易获知的。例如，可采用由天水华荣铸造机械有限公司生产的型号为J5216HR的大型离心轧辊机、J556立式离心铸造机等。
[0015]如中国专利申请201310152327.6中所说，立式离心铸造有利于在径向上形成规则排列的金相组织，增加铸件的成型力，可提高产品质量和产品机械性能，延长使用寿命，降低产品报废率。
[0016]本发明的铸造方法在具有常规离心铸造工艺优点的前提下，是对立式离心铸造工艺的进一步优化和改进。常规的离心铸造在钢水注入模具后，冷却成型过程中伴随着“提速-保持高转速-降速”的离心转速控制模式。不同与此，本发明的铸造方法中包含了两个提速阶段，中间间隔有一个降速后在中速保持一段时间的过程；在第二次高转速离心成型后，再采用分阶段降速。
[0017]不局限于现有的任意理论， 申请人:发现，上述改进/优化能够进一步提升辊颈产品的性能。本发明制得的辊颈在高温短时力学性能和持续高温工作能力两个方面不仅显著优于静态铸造产品，而且明显优于常规离心铸造工艺的产品，后一点是现有技术中根本预料不到的。[0018]本发明的辊颈产品能够进一步提升产品质量和产品机械性能，延长使用寿命，降低产品报废率。因此，本发明的另一目的还在于提供由上述立式离心铸造方法制备而成的辊颈及其在工业炉中的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为立式离心铸造辊颈的装置示意图，其中:1 一离心机主电机；2—离心机主机；3—尚心机法兰盘；4一内模；5—夕卜模；6—密封装置；7—垫片；8—底板。
[0020]图2为实施例1制得的辊颈产品的实物图。
【具体实施方式】
[0021]以下通过具体实施例以对本发明作进一步说明，但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。
[0022]材料和设各
离心机型号为J556型立式离心铸造机。外模和内模材料采用360V钢，耐高温涂料采用醇基锆英粉涂料，辊颈材质(即钢水)采用ZG40Cr25Ni20。
[0023]产品规格和模具加工
产品预定尺寸(单位mm):大端外径Φ806，大端内径Φ 746，大端直边长50，小端外径Φ 265，小端内径Φ 200，小端直边长60，产品高度550。
[0024]模具加工:(1)按照辊颈产品的外壁形状加工外模内孔形状；在同一高度，根据“外模内孔尺寸=产品外径尺寸+产品厚度X2.4%+ 10mm”的要求设置外模内孔尺寸。(2)按照辊颈产品的内壁形状加工内模外壁形状；在同一高度，根据“内模外壁尺寸=产品内径尺寸-产品厚度X2.4%- 10mm”的要求设置内模外壁尺寸。(3)在小端口，外模比内模高出100mm。(4)在模具型腔内均匀喷涂厚度约为1.0mm的耐高温涂料。
[0025]制各实施例 实施例1 (本发明)
采用本发明公开的立式离心铸造辊颈的方法，具体包括以下步骤:
(1)将模具预热至570°c，然后如附图1所示，将其装配在立式离心机法兰盘上，开启离心机，转速控制在280 r/min ；
(2)将温度为1630°C的钢水快速注满模具，密封后在15s内将转速匀速提升至1300r/min,并在该转速保持3min ；
(3)在IOs内将转速匀速降至650r/min，并在该转速保持2min；
(4)在IOs内将转速匀速提升至1300r/min，并在该转速保持15min ；
(5)在30s内将转速匀速降至650r/min，并在该转速保持9min;然后再在30s内将转速匀速降至300 r/min,并在该转速保持5min ;然后关闭离心机，待其自然停止旋转；
(6)将充分冷却成型的铸件取出，并采用切除小端多余部分和外车内镗(S卩，外表面车肖IJ、内表面镗孔)的方法对铸件进行加工，得到预定尺寸的辊颈产品。
[0026]图2为本实施例所得产品的实物图。目测可以看到，该辊颈产品表面形貌完好，无裂纹、气孔、夹渣、疏松等缺陷。
[0027]对比例I采用常规的立式离心铸造工艺制备辊颈，具体包括以下步骤:
(1)将模具预热至570°c，然后如附图1所示，将其装配在立式离心机法兰盘上，开启离心机，转速控制在280 r/min ；
(2)将温度为1630°C的钢水快速注满模具，密封后在15s内将转速匀速提升至1300r/min,并在该转速保持20min ；
(3)在30s内将转速匀速降至650r/min，并在该转速保持9min;然后再在30s内将转速匀速降至300 r/min,并在该转速保持5min ;然后关闭离心机，待其自然停止旋转；
(4)将充分冷却成型的铸件取出，并采用切除小端多余部分和外车内镗的方法对铸件进行加工，得到预定尺寸的辊颈产品。
[0028]对比例2
采用静态铸造工艺制备辊颈，具体包括以下步骤:将模具预热至570°C，接着将温度为1630°C的钢水快速注满模具，待其自然冷却成型；然后将铸件取出，采用切除小端多余部分和外车内镗的方法对铸件进行加工，得到预定尺寸的辊颈产品。
[0029]件能检测和表征 A、渗透探伤
根据JB/T4730.5-2005对辊颈产品的外表面进行渗透探伤(PT)，结果显示:实施例1和对比例I的产品表面质量良好，未发现气孔、夹渣、裂纹等缺陷；而对比例2的产品表面存在明显的气孔、夹渣和裂纹。
[0030]这一结果说明，立式离心铸造工艺相比于静态铸造工艺在产品结构上存在明显优势。
[0031]B、高温短时力学性能试验
根据GB/T4338-2006，沿径向切取拉伸试样，使用WE-300高温短时强度试验机在高温(871°C)下做产品拉伸试验。结果如表1所示。
[0032]表1辊颈产品的高温短时力学性能试验结果
【权利要求】
1.一种立式离心铸造辊颈的方法，包括以下步骤: (1)将模具预热至500-60(TC后，将其装配在立式离心机法兰盘上，开启离心机，转速控制在 200-300 r/min ； (2)将温度1600-1650°C的钢水快速注入模具，密封后在15s内将转速匀速提升至1200-1300 r/min，并在该转速保持 2-3min ； (3)在IOs内将转速匀速降至600-700r/min，并在该转速保持2_3min； (4)再次在IOs内将转速匀速提升至1200-1300r/min，并在该转速保持10_15min ； (5)在30s内将转速匀速降至600-700r/min，并在该转速保持8_10min;然后再在30s内将转速匀速降至250-300 r/min,并在该转速保持5min ;然后关闭离心机，待其自然停止旋转； (6)将充分冷却成型的铸件取出，加工得到所需尺寸的辊颈产品。
2.权利要求1所述的立式离心铸造辊颈的方法，其特征在于:模具型腔内喷涂有耐高温涂料。
3.权利要求2所述的立式离心铸造辊颈的方法，其特征在于:，所述耐高温涂料是醇基锆英粉涂料。
4.权利要求1所述的立式离心铸造辊颈的方法，其特征在于:步骤(I)中，模具预热温度为 550-580°C。
5.权利要求1所述的立式离心铸造辊颈的方法，其特征在于:步骤(2)中，钢水材质为ZG40Cr25Ni20，钢水温度为 1600_1630°C。
6.—种棍颈，由立式离心铸造方法制备而成。
7.权利要求6所述的辊颈，其特征在于:由权利要求1-5中任一项所述的方法制备而成。
8.权利要求7所述的辊颈在工业炉中的应用。
【文档编号】B22D13/04GK103978177SQ201410220525
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】李勤峰 申请人:江苏双勤民生冶化设备制造有限公司