离心复合铸铁扎锟生产工艺设计论文.doc

摘 要利用离心复合铸造工艺，在卧式离心机上浇注轧辊外层铁水，然后扣箱填充芯部铁水，使内外层实现良好冶金结合的方法来设计高镍铬离心复合轧辊的生产工艺。设计了采用卧式离心机复合工艺制造离心铸造高镍铬复合轧辊的生产技术，重点设计了轧辊外层及辊芯材料的化学成分、轧辊铸造的工艺流程、铁水的熔炼和处理方法、热处理工艺及组织性能。这既保证了外层组织优良的耐磨性能及抗剥落性能，同时又保证了芯部组织的机械性能；不仅提高了材料特别是合金材料的利用率，也大幅度降低了生产成本，显著提高了经济效益。关键词 高镍铬复合轧辊,离心浇注工艺,热处理ABSTRACTThe manufacture process of horizontal centrifugal casting the combined roller made from high Ni-Cr cast iron was designed. After the outer layer of the roller inpured by centrifugal caster and the core box closed, the molten iron was filled into the core. The melting process of molten iron，the chemical composition, casting and heat treatment process, and microstructure of the roller were introducedBy the designed manufacture process, the inner and outer layers are well combined metallurgically, and the superior wearability and anti-tripping ability of the outer layer structures as well as the mechanical properties of the core structures can be ensured. This would not only increases the utilization ratio of the materials, especially the alloy materials, but also lower the production cost greatly and increase the economic efficiency. Key words high Ni-Cr cast iron combine roll，centrifugal casting process，heat treatment目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 高镍铬无限冷硬轧辊的生产使用现状11.2 高镍铬轧辊的使用工况11.3 高镍铬轧辊的失效形式21.4 设计的意义及内容21.4.1 设计的意义21.4.2 设计的内容32 生产工艺设计42.1 轧辊的技术条件及使用要求42.2 成分设计52.2.1 工作层成分设计52.2.2 辊芯成分设计62.3 铸造工艺设计62.3.1 离心铸造的工工艺流程62.3.2 离心机的选择72.3.3 转速的确定82.3.4 温度的确定92.3.5涂料的确定92.3.6冷型及辊颈的烘烤112.3.7 间隔时间的确定112.3.8 工装设计122.4 熔炼工艺132.4.1 熔炼方法132.4.2 熔炼过程142.4.3 外层铁水的熔炼142.4.4 芯部铁水的熔炼142.5 浇注操作152.5.1 外层离心浇注的操作152.5.2 芯部浇注操作152.6 热处理工艺163分析讨论183.1 裂纹183.2 硬度183.3 结合不良和工作层厚度不足193.4 夹杂194 检测204.1冶金结合质量检测204.2硬度的测量204.3抗拉强度的检测204.4金相组织的检测21结 论22参 考 文 献23致 谢241 绪论1.1 高镍铬无限冷硬轧辊的生产使用现状高镍铬无限冷硬铸铁轧辊，从30年代为问世以来，广泛用做热轧板带钢连轧机工作辊；50年代初开始推广应用于宽中厚板轧机工作辊。到目前止1，国内外几乎所有的热轧带钢连轧机精轧机精轧后段工作辊，甚至精轧前段仍然一直选用高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊；国外3300毫米以上的宽中厚板轧机工作辊，特别是精轧机架，尽管欧洲开发了高铬复合铸铁轧辊，但不少厂家仍选用高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊。近年来，我国三辊劳特轧机改造为四辊轧机后，其工作辊也选用高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊。韩国东国制钢集团第一中板厂的三辊劳特轧机将辊颈部位轴瓦支承改为轴承，将原有的梅花头改为扁头传动后，轧辊材质也相应改用高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊。此外，热轧窄带钢连轧机精轧机架以及高速线材轧机精轧机架也都选用高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊或复合辊环，都较好地满足了轧钢的需要。本设计轧辊主要针对攀钢热轧板厂热连轧第F4F6机架，该厂使用的高镍铬离心复合辊，过去主要供货厂家主要是邢台和太轧，年耗量较高。本公司从上世纪90年代末开始引进邢台轧辊生产技术，但开始试制以来效果不甚理想，至本世纪初，浇注的轧辊中，有一定数量的毛坯在浇注后直接报废，另外还有加工后硬度偏低导致报废的，送往热轧板厂试用的几支轧辊效果也不理想。但通过几年来不懈的努力，解决了一些离心复合辊的制造难点，取得了较大的进展，近几年生产的轧辊，废品率已大为减少，成品率已有较大程度的提高，现使用情况较良好。但自制的高镍铬复合轧辊硬度偏低，耐磨性与外购相比，存在一定差距。1.2 高镍铬轧辊的使用工况攀钢1450mm热连轧机组于上世纪90年代初正式投产，经改造后年产量可达200万吨，机组出口最大速度设计为11m/min，实际最高速度9m/min，产品规格为(2mm12mm)×(750mm1300mm)，钢种有普碳钢、优质钢、汽车大梁用钢、管线钢等，产品60%左右作为冷轧原料供冷轧厂。目前，热轧板厂在产品质量上存在两大问题:一是板型差，由于攀钢热连轧机组主要设备为60年代末、70年代初国内制造，整体装备水平基本属于国外第一代热连轧机水平，加之无任何板型控制、检测手段，这一问题在热轧厂三期改造中得以解决；二是精轧机组轧辊磨损严重，换辊周期短，带钢表面质量差，这一问题己严重制约着热轧产量和质量的提高。轧辊的磨损主要是轧辊与轧件间的摩擦、轧辊周期承载引起的表层机械疲劳、轧件周期加热和冷却水周期冷却引起的热疲劳等引起的损伤2。通常，轧辊磨损只考虑局部磨损和均匀磨损，均匀磨损主要是热疲劳引起的，局部磨损是轧辊表面带状损伤，主要是由二次、三次氧化铁皮积累引起的。轧辊的磨损与轧辊材质密切相关。攀钢1450mm热连轧机前三架工作辊早期用半钢轧辊，现多用高铬铸铁轧辊，后三架为高铬镍无限冷硬铸铁轧辊，这种轧辊属第一代热轧机轧辊，材质偏软，耐磨性差。根据统计，攀钢上世纪末精轧机工作辊吨钢消耗为0.6kg左右，与先进水平存在较大差距。由于磨损严重，一个轧制单位轧制量只能控制在12001500吨，频繁地换辊影响了轧制生产能力的最大发挥;另一方面，由于磨损严重，导致了带钢表面粗糙和大量的氧化铁皮细孔缺陷。综上所述，解决热轧工作辊磨损、提高钢板表面质量，己是当务之急，基于此目的，进行离心铸造高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的研究设计已是势在必行，同时为离心铸造轧辊技术的发展提供有利条件。1.3 高镍铬轧辊的失效形式轧辊的失效分为正常失效和非正常失效3。轧辊的正常失效包括摩擦损耗和轧辊的修磨损耗；非正常失效是指轧辊由于制造或使用原因造成的轧辊提前报废，主要包括辊身剥落、辊身断裂、辊颈断裂、辊身裂纹等。轧辊的非正常失效，造成轧辊工作层利用率很低，一般仅为50%左右，甚至更低，轧辊的非正常失效是导致辊耗居高不下的主要原因之一，由于轧辊的正常失效是轧钢过程中不可避免的损耗，因此，控制预防高镍铬无限冷硬铸铁复合轧辊非正常失效是离心铸造工艺的重点。其主要非正常失效形式及其预防措施见表1.1。表1.1 离心铸造高镍铬无限冷硬轧辊非正常失效的预防措施失效形式产生原因预防措施辊身剥落外层残余奥氏体量大外层应力制定适当的回火工艺，充分回火充分回火，确保残余奥氏体分解辊颈辊颈组织控制芯部含Cr量，加大孕育量，改善芯部组织辊身断裂芯部组织问题控制芯部含Cr量，加大孕育量，改善芯部组织1.4 设计的意义及内容1.4.1 设计的意义由于高镍铬无限冷硬铸铁轧辊含有较高的合金元素，因此采用这种合金的铸铁材质生产整体铸造轧辊时，不仅成本高，更为重要的是辊身存在过大的铸造残余应力，加上轧制过程中要承受热冲击产生的热应力，必然会引起辊身脆断或产生大面积剥落，致使轧辊报废。为了发挥高镍铬无限冷硬整体材质的高硬度高耐磨性的特性，轧辊铸造厂积极改进浇注工艺，目前生产此种材质的轧辊大多采用离心浇注复合生产工艺，即采取离心浇注工艺形成具有高硬度高耐磨性的离心工作层，用高韧性铁水充填辊颈和辊芯，并使辊芯和高镍铬离心外层达到良好的冶金结合，从而制成复合轧辊，获得理想的综合使用性能。高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的铸造生产工艺、热处理工艺对轧辊的质量产生影响，还影响轧辊在轧机上的使用性能。本设计以适应攀钢集团公司轧钢生产工艺技术的发展为要求，利用现有的条件，通过对高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊的铸造工艺、热处理工艺进行系统、合理的学习，充分应用了理论知识和前人成功的经验，设计出高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的生产工艺设计，制定适应现代化轧机轧钢工艺要求的高性能的离心复合高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的离心复合铸造工艺方案，提高了产品的质量稳定性，同时开发了高质量高性能的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊生产工艺。其设计意义可归纳为以下几点:(1) 满足热轧板带钢连轧机精轧对轧辊性能的高要求。(2) 为提高我国轧辊制造技术水平起到积极的作用.(3) 为四川省攀钢集团内部以及周边钢铁企业提供优质的轧辊。1.4.2 设计的内容本论文的设计内容主要包括以下几个方面：(1) 设计轧辊辊身、辊颈内外两种材质的化学成分；(2) 设计材料的熔炼工艺和浇注工艺，保证内外两层实现良好冶金结合；(3) 设计轧辊的热处理工艺，保证辊身硬度达到HS7580。2 生产工艺设计2.1 轧辊的技术条件及使用要求该轧辊的工作尺寸为650mm×1500mm,其零件图(见图2.1)，辊身工作层表面硬度>75HSD，表面硬度差5HSD，辊颈表面硬度>35HSD,辊身工作层厚度30mm，辊颈抗拉强度300MPa。铸件不得有孔、夹杂、裂纹等缺陷。轧辊工作层部分为高镍铬铸铁，用卧式离心机浇注，辊芯及辊颈部分用球墨铸铁制造。轧辊生产中考虑到加工余量、收缩率等因素，确定铸件图如图2.2所示。轧辊生产时采用离心浇注工艺形成具有高硬度高耐磨性的离心工作层，用球墨铸铁铁水充填辊颈和辊芯，并使辊芯和高镍铬离心工作层达到良好的冶金结合。离心铸造法是保证不同金属间牢固结合的有效冶金方法，离心铸造的轧辊具有组织致密、均匀、工艺出品率高等特点。图2.1 轧辊零件图图2.2 轧辊铸件图2.2 成分设计2.2.1 工作层成分设计化学成分对轧辊的组织和性能起着决定性作用4，各元素对高镍铬铸铁轧辊辊身工作层组织和性能的影响不同。碳：碳在铸铁中是形成碳化物和石墨的基本元素。当铁水中硅和铬合金元素的含量及其凝固过程中的冷却速度一定时，增加碳量，其基体组织中碳化物数量将增加，而且形状也相应变大，因此轧辊辊身工作层的热稳定性降低，容易产生热裂而导致剥落。但是，碳本身又是强的石墨化元素，当铁水的含碳量高到一定范围后，将使辊身工作层内的碳化物减少，与之相应，石墨量增多，一方面使辊身的热稳定性增加，有利于防止和减轻辊身表面剥落，另一方面又将使辊身表面硬度和耐磨性降低，影响使用寿命。因此，高镍铬无限冷硬复合轧辊的含碳量，应结合轧辊的服役条件以及使用中发生的缺陷适时加以调整。通常情况下大多控制在3.0%3.5%范围内。在675725的上侧珠光体转变范围内，铸铁中的含碳量对相变开始时间没有明显的影响；在整个贝氏体转变温度区域内，随着含碳量的增加，相变开始线和终了线向左移，含碳量越高，奥氏体的稳定性越低，奥氏体向贝氏体转变就越容易。硅：硅是调整轧辊辊身工作层的耐磨性和抗热裂性能（即热稳定性）的主要因素，在其他元素含量一定的条件下，通常依靠调整硅含量来控制工作层内的游离石墨含量达到2%5%。所以成品轧辊外层铁水所必需的最终含硅量要求在0.6%1.1%范围内。关于硅对铸铁奥氏体等温转变的影响，研究结果表明：一方面硅能降低碳在奥氏体中的溶解度，降低奥氏体的稳定性，加速转变过程；另一方面，硅会减慢奥氏体分解成铁素体-渗碳体混合物的速度，使转变时间延长。在贝氏体转变温度范围内，随着含硅量的增加，使曲线向左移动，孕育期缩短。锰：锰在铸铁中的作用与在钢中一样，它提高奥氏体稳定性。在珠光体转变温度范围内，使转变结束线右移，抑制相变速度。在贝氏体转变温度范围内，使奥氏体转变开始线和终了线均向右移，贝氏体相转变量在整个相变温度范围内，由于锰的作用受到明显抑制。即随着铁水中含锰量的提高，将使辊身工作层基体组织中的残余奥氏体量增加。但必须指出，在成品轧辊铁水中只有当锰含量足够高，超出使铁水去硫（FeS+Mn=Fe+MnS）和脱氧（FeO+Mn=Fe+MnO）之后的锰才对临界温度发生影响。因此，对于高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊的含锰量一般控制在0.6%1.1%的范围内。镍：在高镍铬无限冷硬铸铁材质中，镍的主要作用是改变基体组织。因为镍是扩大区的元素，当镍含量高达4.0%4.5%时，辊身铸态的基本组织为贝氏体和少量马氏体。因而，更大程度地提高了轧辊的耐磨性。同时，由于镍能溶于固溶体中，与铁形成置换式固溶体，加速了铁原子的自扩散速度，并且减弱铁原子与碳原子间的结合力，所以，镍承担起墨化剂的作用，促进铁水的石墨化。因此，在其他合金元素含量和冷却条件相同的情况下，增加镍含量，将使辊身工作层的硬度降低。铬：铬是强烈的碳化物形成元素。加铬的目的是减弱镍的石墨化程度，当镍高达4.0%时，铬含量达1.4%就能使轧辊在铸态组织下获得贝氏体和少量马氏体。钼：钼可以使组织细密，提高轧辊的韧性、耐磨性和耐热性，但钼含量大于0.6%，辊身容易产生剥落，因此含钼量控制在0.2%0.6%比较合适。通过分析各元素对高镍铬轧辊辊身工作层组织和性能的影响，根据轧辊的使用条件，结合轧辊的使用状况及攀枝花地区资源优势加入适量V、Ti元素，保证轧辊的高硬度、优良的抗剥落性和耐磨损性能，确定轧辊的化学成分如表2.1。2.2.2 辊芯成分设计对于高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊，按其不同用途或按照轧机对轧辊辊颈抗拉强度的不同要求，可选用灰口铸铁或高强度的球墨铸铁作为辊芯或辊颈的材质。热带连轧机后段使用的工作辊，不仅辊颈要承受大的拉应力，而且由于弯辊装置的作用，轧辊还要承受侧向压力，所以要求高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊应有较高的辊颈抗拉强度，所以采用球墨铸铁材质铁水作为填芯材质。其具体成分见表2.1。表2.1 设计高镍铬轧辊化学成分元素CSiMnPSCrNiMoVTi工作层3.03.50.61.10.61.10.150.051.51.84.04.50.20.6<0.08<0.06芯部3.13.21.71.90.50.70.150.010.40.51.01.20.050.12<0.08<0.062.3 铸造工艺设计2.3.1 离心铸造的工艺流程离心铸造复合轧辊工艺流程图见图2.3： 熔炼外层铁水 熔炼内层铁水 铸型预热挂涂料烘烤铸型安装浇注外层合箱浇注内层冷却脱模热处理检验入库机加工图2.3离心铸造轧辊工艺流程图2.3.2 离心机的选择立式离心铸造方法和卧式离心铸造方法生产轧辊虽同属离心铸造工艺，但在工艺控制上有较大的区别5。立式离心铸造方法是将轧辊辊身模具、底箱、冒口整体装配好后，直立固定在立式离心机上，轧辊工作层铁水和芯部铁水浇注过程在立式离心机上一次完成。立式离心铸造方式在我国应用较少。其主要优点是:上、下辊颈与辊身一次性合好箱，工作层与芯部铁水结合良好。缺点是工艺操作较复杂，一次性投资费用大。立式离心铸造机多用于铸造短套、环及其它异形零件。卧式离心铸造工艺是要把一定的金属液浇入卧式高速旋转的金属模内，熔融金属在离心力作用下，凝固形成一层合金层(轧辊工作层)，然后注入芯部铁水。它是通过控制两种不同材质、不同浇注温度和时间来实现最佳的冶金结合。卧式离心铸造方法在我国轧辊生产上应用比立式早，而且较广泛。其主要优点是:投资少，工艺简单，产品性能能满足用户的要求。综上所述，结合该轧辊设计要求，确定采用卧式滚轮式离心铸造机来完成轧辊的离心铸造，该离心铸造机主要由底座、托辊、挡轮及驱动电动机等部件组成（见图2.4），是卧式热模法离心铸造机的核心部分及基础。此类离心机将铸型支撑在两组4个托辊上。单件小批生产时，往往铸件的品种较多，故此类离心机，被动托辊的固定位沿轨道可调，即被动托辊2随铸型的直径和在确保支撑角的范围内左右可调（见图2.5）。图2.4滚筒离心主机1- 驱动电动机 2-主动托轮 3-挡轮4-被动托辊 5-底座 6-铸型图2.5 被动托辊可调1-主动托辊 2-被动托辊2.3.3 转速的确定(1)转速的计算离心机转速的大小在轧辊生产中具有重要的作用，必须选择合适的转速来满足轧辊性能的要求。如果转速太大，由于机械振动加剧等原因，在凝固时易出现偏析，且刚凝固的金属在高温时强度很低，会引起铸件开裂导致轧辊开裂，此外太高的转速也会使离心机出现大的振动，磨损加剧，功率消耗过大；但离心机转速太小，会出现金属液雨淋现象，还会使铸件内出现疏松、夹渣、铸件内表面凹凸不平等缺陷，又不能获得致密的组织，使内外层冶金结合不牢固，且白口层深度差加大，甚至超过5mm，达不到性能指标的要求6。因此确定合适的转速是生产合格产品的必要条件。根据轧辊的尺寸和性能要求，参考转速计算公式式中 n铸型转速，r/min； 合金密度，g/cm3； R铸件内表面半径，cm；调整系数。根据调整系数表铸铁套类件在1.21.5之间7，所以以1.3计算得出转速为450r/min，在轧辊外层浇注完毕后，还可变换铸型的转速，适当提高到470r/min左右，使金属液在正、负加速度的环境下凝固，可有效地减轻离心铸件径向断面的倾斜柱状晶现象，这样就可以满足轧辊工艺要求。根据现场经验，这个转速是合适的。(2)重力系数的计算重力系数是计算离心铸造时求转速的一个数值，根据转速公式: 式中,G重力系数；n模具转速(rpm)；R求重力系数处的半径(cm)。重力系数超过30就能离心铸造出旋转体零件。重力系数愈大，转速也愈大，则离心力也就愈大。液体金属中比重较小的夹杂物受离心力作用，被排挤到内层 铸后的纯净度也愈大，同时金属结晶也愈细。当然硬度也高，强度也高。选择的重力系数太小，铸后零件就有渣孔。比重较小的夹杂物在离心力不太大的情况下很难分离出去，尤其是一些比重接近于母材的杂质就更难分离开。这些没有分离出去的氧化物铸后加工就要暴露出来，形成影响硬度，影响强度的空洞。所以不能选择太小的重力系数。相反，重力系数过大，求得的转速也就高，形成的离心力也过大。离心力过大，会造成偏析加剧和外表面裂纹，在铸件很厚时还可能形成纵裂和严重偏析。因此选择重力系数过大也是错误的.根据所设计转速计算出的重力系数为70，在轧辊的重力系数60100的范围内，故该转速设计合理。2.3.4 温度的确定(1) 浇注温度的确定轧辊工作表面不允许有任何的夹渣，裂纹，宏观组织，偏析等铸造缺陷，浇注温度过低不利于铁水流动，轧辊工作层会出现厚度不均匀现象；浇注温度过高轧辊工作层会出现裂纹。由于离心铸件大多为形状简单的筒状或环状件，多用充型阻力较小的金属型，离心力又能加强金属的充型性，故离心铸造时的浇注温度可较重力浇注时低510；根据经验7，当外层铁液温度高于液相线温度100150时，即开始浇注。根据高镍铬无限冷硬铸铁的铸造特性选择浇注温度为13601390，工作层铁水浇注重量要准确，开始进入的铁水流要大一些，使铁水尽可能充满整个冷型内表面，随后进行匀速浇注，严禁铁水断流。(2) 停转温度的确定停转温度就是离心铸造工作层停转起吊填芯时的温度。停转温度过低，即使通过高的填芯温度，铁液不能很好反熔工作层，不利于两种材质的冶金结合，轧辊在使用过程中会出现剥落的缺陷；停转温度过高，铁水还未凝固，停转后会掉铁水，影响工作层所需的厚度8。停转温度一般控制凝固温度下100左右，熔点可按如下公式计算：T=1539-65C-30P-25S-18Ti-8Si-5Mn-4Ni-3Al-2V-1.5Cr-W 结合查阅铁碳相图，确定停转温度控制在1100左右。(3) 填芯温度的确定填芯温度的确定主要是为了使芯部铁水在一定的温度下能熔化工作层一部分，达到良好冶金结合，确定此参数主要考虑:离心工作层停转温度的高低；希望熔化的厚度；轧辊尺寸的大小；铁水量多少9。确定填芯温度控制在13601380。2.3.5涂料的确定（一） 铸型涂料的确定离心铸造用铸型一般采用金属型10。其使用涂料的目的在于：(1) 使铸件脱模容易。(2) 防止铸件金属的激冷。这对于铸铁件特别重要，涂料可防止铸件表面因激冷而产生白口，免去热处理工序和便于机械加工。(3) 减少金属液对金属型的热冲击，降低金属型的峰值温度，从而能有效地延长金属型的寿命。(4) 应用涂料在大部分情况下可获得表面光洁的铸件。(5) 增加与液体金属的摩擦力，缩短浇入金属达到铸型旋转速度所需的时间。对涂料的要求11可归纳为以下几点：(1) 所用原材料易得且便宜。(2) 涂料的混制或制备容易。(3) 有足够的绝热能力(涂料材料本身的绝热能力以及涂料的厚度)，可防止金属液凝固激冷及降低金属型的峰值温度，延长金属型寿命。(4) 涂料稳定，贮存方便，不易沉淀。(5) 加有悬浮剂，使涂料适合于管中的输送，同时对喷涂设备没有较强的腐蚀。(6) 喷涂后容易干燥以缩短工序间时间和防止缺陷的产生。(7) 涂料和金属型有合适的粘着力，它在干燥后既不能被金属液冲走而失去涂料的作用，又能在铸件脱模时，涂层能随铸件一起带出而不留在铸型内。(8) 涂料要有好的透气性，如果涂料或某组分存在自由结晶水，在浇注过程释放的气体能向铸型方向逸出，并通过型壁排气孔排放，避免在铸件内形成针孔、气孔和气坑。结合本设计材质特性，选用涂料成分如表2.2：表2.2 涂料配方成分高铝粉氢氧化铝磷酸水成分配比（%）931.35.7适量冷型上涂料前必须将冷型内表面的残旧涂料用电动钢丝刷刷干净，先将端盖与冷型装配好，销子一定要打紧。冷型上涂料时温度控制在250300，涂层厚度3.54mm。（二）芯部浇注型砂及涂料的确定为了确保轧辊得到的工作层具有高硬度和高耐磨性能、辊颈和芯部具有高强度和高韧性，对辊身及辊颈采取了两种不同的设计12，即工作层为高镍铬无限冷硬铸铁，芯部为球墨铸铁，为此在铸造工艺上对辊颈部位采用型砂铸造。(1) 型砂型砂主要是辊颈挂砂，配方见表2.3。按比例将各种材料加入碾砂机，根据混砂操作规程碾制。辊颈砂型在烘干后，表面需刷石墨涂料或其他类型的涂料。此轧辊的辊颈挂砂厚度取为2530mm。表2.3 辊颈砂型的挂砂组成（质量分数）%原材料新硅砂黏土水玻璃水辊颈型砂1002.55适量(2) 砂型涂料型砂涂料设计采用与铸型相同的涂料，厚度要求在23mm范围内。2.3.6冷型及辊颈的烘烤冷型、辊颈在浇注之前要烘烤，使其温度逐渐提高，充分干燥，避免浇注时产生气体，减少对合金的激冷作用，同时也减缓对模子的热激。从而提高铸件质量，保护模具。烘烤方法：可用煤气加热炉或电阻加热烘烤。2.3.7 间隔时间的确定内外两层铁水浇注的间隔时间t，主要取决于外层铁水的凝固时间和内层铁水的浇注温度。外层铁水凝固时间可按如下经验公式13近似计算：式中 外层铁水凝固厚度，cm；t外层铁水静置凝固的时间，min；K相关系数(即凝固系数)，cm/min；相关系数K一般取值为1.41.8cm/min，当金属型冷却能力强，外层铁水白口倾向较大时，K值取上限。内外两层铁水浇注的间隔时间t14，可通过对外层铁水内表面温度的测试而确定。在生产中，内层铁水的浇注应选择在外层铁水内表面处于凝固状态和凝固后的一段时间时这样才能保证内外两层合金的结合质量，并保证工作层的厚度。当外层铁水的内表面温度小于液相温度大于等于固相温度时，外层铁水内表面处于凝固状态。为了使内外两层合金的冶金结合良好，浇入的内层铁水能将外层合金的内表面熔化，形成冶金结合。当然，外层合金的内表面温度也不易过低，应在大于Ts1-80 (Ts1固相温度)而小于液相温度的范围内。这个温度范围对应着间隔时间范围t。当t=(0.70.8)tsl(tsl是外层铁水凝固时间)时外层铁水开始进入凝固状态；当t=tsl时，外层铁水凝固完毕，此后再经过68min，外层铁水的内表面温度可降至Ts1-80。所以内外两层合金浇注的间隔时间应为t= (0.70.8)tsl(tsl+6)min,在t的间隔时间内，只要内层铁水的浇注温度选择适当，就能使内外两层合金冶金结合良好。依据经验，离心机停机到填芯时间不得大于6分钟，2.3.8 工装设计(一) 冷型设计冷型壁厚按下式15计算：=（0.30.4）D式中：冷型壁厚； D辊身直径。计算得冷型壁厚为25cm。结合离心浇注的收缩率及涂料层厚度，设计铸型见图2.6。冷型固定方法见图2.7。图2.6 轧辊浇注冷型图1-铸型 2-支承轮图2.7 铸型固定方法图(二) 冒口设计由轧辊辊身直径大于辊颈直径，需要采取措施来保证辊颈铁水补缩辊身，以保证辊身内部致密。根据球铁性能可采用无冒口设计或实用冒口设计。(1) 无冒口设计在铸造生产中16，用在冒口的铁水占很大比例，这不仅造成材料、能源的浪费，也消耗了人力，因此研究和应用节材节能的冒口新工艺是当今铸造工作者最为关注的方向之一，在众多的冒口新工艺中，最适于球铁件的是无冒口工艺，它的应用日益广泛。均衡凝固补缩理论认为，铸铁件的收缩性不仅与铸铁合金的体积变化有关，还强烈地依赖于铸件厚薄所决定的冷却速度，铸型种类等条件。并且认为越是厚大件收缩越小，对补缩要求低。而球铁轧辊具有以下特点： 断面尺寸大，形状简单； 铸型刚度较大,利于防止型壁移动，为充分利用膨胀实现自补缩创造了条件； 碳当量高接近共晶点，因而石墨化膨胀力较大； 轧辊生产属于专业化生产，其工艺参数和生产过程比较稳定，利于生产出质量稳定的产品。由此可见球铁轧辊采用无冒口铸造是具有得天独厚的优势。无冒口铸造工艺下的冒口尺寸由下式计算：h0=V0aL(Tp-TEV)/625D2式中，aL液态收缩率，%；Tp浇注温度，；TEV共晶开始温度，；V0轧辊毛坯体积，mm3；D断面直径，mm。(2) 实用冒口设计由于无冒口工艺目前还尚不成熟，所以该轧辊的冒口设计采用实用冒口。依据经验17，通常采用下式来确定高镍铬铸铁复合轧辊的实用冒口设计：H=（1.21.4）L式中：H上辊颈及冒口总高，mm； L辊身长度，mm；计算得上辊颈及冒口总高1976mm。(三) 填芯浇注系统设计采用底注式浇注芯部铁水18，在浇注过程中这种浇注系统的内浇道由于处于型腔最低位置，很快就能被铁水淹没，因此充型平稳，不会产生飞溅。型腔内的气体随着铁水液面的升高逐渐排出，铁水氧化少。同时型腔中液面升高后可使横浇道较快充满，挡渣效果好。因此较能有效地防止气孔、渣孔、砂孔和断芯的产生，减少对铸型的冲击。设计浇注系统见图2.9。2.4 熔炼工艺2.4.1 熔炼方法采用中频感应电炉不氧化法熔炼。此熔炼方法大多采用酸性炉衬，炉料成分接近终点成分19。因为酸性炉衬限制了渣的碱度，一般的酸性渣不能完成脱硫和脱磷任务，而且传递氧的能力低，又不利于扩散脱氧的进行。所以酸性炉衬的不氧化法熔炼工艺仅是个重熔工艺，一个完全依靠熔前配料来达到终点成分的工艺，而且工艺质量并不高，但工艺过程简单，比较明显的弱点是熔炼过程不氧化，没有一个沸腾的过程，不能有效地去除铁液中各类夹杂物，遗留于铁液中，恶化材料的性能；其次，整个体系的热力学条件不支持硅的氧化，而且铁液中的碳和出铁时加入的铝分别在一定条件下会部分还原炉渣和炉衬中的硅，加上有些盲目工艺用硅来脱氧，长期循环累积，成品中的含硅量通常都在高位徘徊甚至脱格，不利于提高其机械性能。2.4.2 熔炼过程本设计的外层高镍铬铁水采用中频感应炉熔炼，用生铁、废钢、钼铁、铬铁、钒铁、硅铁、锰铁、钛铁配炉料。具体熔炼过程如下：(1) 装料 装料要严格按照装料原则进行，具体装料顺序如下： 上松下紧，防止棚料； 加入废钢、生铁等炉料，至其熔清后再加入铬铁、镍铁、钼铁等炉料； 加入硅铁、锰铁；(2) 熔化 通电，先小功率，再大功率至熔清，防搭桥现象；布料不当或炉料中含锈过多会发生“搭桥”，使底部铁液过热，不仅损坏炉衬，还会使铁液大量吸气。(3) 脱氧和出铁在脱氧后加入钛铁、钒铁，并采用冲入法加入适量稀土合金处理，提高铁水质量。化学成分调整好后，即可用铝终脱氧，用量控制在每吨铁液0.5kg左右。2.4.3 外层铁水的熔炼根据轧辊铸件图，工作层铁水量主要取决于:技术条件要求的轧辊使用层厚度，即轧辊的原始直径与报废直径之差:铸造工艺考虑使用厚度为3045mm，依据轧辊的加工余量表20，两层不同材质在熔合过程中熔化的部分主要取决于停转温度、浇注温度等，一般工艺控制熔合35mm，计算出外层铁水为1171，考虑到损耗确定铁水量1.5t。熔炼过程中利用中频感应炉冶炼铁水，用生铁、废钢、钼铁、铬铁、钒铁、硅铁、锰铁、钛铁配炉料，铁水出炉温度14601480，用铁水包出铁进行离心浇注。2.4.4 芯部铁水的熔炼芯部铁水要求熔合离心工作层35mm，以形成良好的结合层，计算芯部铁水为5520，确定铁水量6t。利用中频感应炉冶炼铁水，用废钢、生铁、硅铁、锰铁配炉料。待铁水达到温度后出炉进行球化处理，铁水出炉温度为14601480，然后用铁水包出铁，进行填芯浇注。2.5 浇注操作2.5.1 外层离心浇注的操作要求冷型吊入离心机运转前，应进行全面清扫和测温，并检查端盖销子有否松动、端盖砂型有否损坏，冷型放入离心机后，推入浇注小车，试车1-2分钟，一切正常后进行浇注，浇注示意图见图2.8，工作层铁水浇注重量要准确，开始进入的铁水流要大一些，使铁水尽快充满整个冷型表面21，随后进行均匀浇注，严禁铁水断流，工作层浇注时间控制在4070秒，工作层浇注完后，立即从一侧的端盖向冷型内撒入O型玻璃渣，粒度13mm(使用前应经100150烘烤1小时以上)。工作层铁水冷却至1100时，停机减速，冷型停稳后，吊起冷型时应注意不要让冷型与托盘轮发生碰撞，以防止损伤刚凝固的金属工作层。图2.8 高镍铬离心铸铁复合轧辊浇注示意图1-浇注小车 2-浇注系统 3-安全罩 4-前档圈 5-金属冷型模具 6-离心层 7-后档圈 8-离心机摩擦轮 9-离心机底板2.5.2 芯部浇注操作合箱操作要稳而快22，冷型与底箱和冒口箱配合要严密，以防铁水进入；浇注系统从轧辊切线方向引入，防止铁水散流和冲涮工作层。合箱完毕后立即浇注填芯铁水。离心机停机到填芯时间不得大于6分钟，这是离心浇注内外层结合良好的关键，填芯铁水浇注温度为14601480。浇注填芯铁水时，应适当控制轧辊各部位的浇注速度；辊颈浇注速度大一些，浇注到辊身时速度要放慢一些，有利于渣子上浮，使内外层很好的熔合。冒口浇满后，把冒口上的浮渣扒干净，盖上保温盖，轧辊在浇注坑保温一段时间后开箱。芯部组装浇注见图2.9。图2.9 轧辊填芯合箱示意图2.6 热处理工艺为了使高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的辊身获得合适的硬度和组织，保证辊身优良的性能，除了合理选择化学成分之外，还应对轧辊进行低温回火热处理23。由于铸态下，高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的基体组织内残留有13%15%的残余奥氏体，这是一种亚稳定组织，轧钢时，在轧制应力和热应力的作用下，必将分解成马氏体和贝氏体，同时产生很大的相变应力，容易引起工作层的剥落，经低温回火热处理后，将使残余奥氏体分解。据资料介绍，该材质轧辊的回火温度应当以计算出的理论转变温度为依据，再加上滞后补偿温度（50），作为这一轧辊的最终回火温度。根据该轧辊的成分，依据贝氏体转变温度计算公式24：Bs()=630-45Mn-35Si-30Cr-24Mo-20Ni-40V-120W计算得该轧辊的理论转变温度为420，因此确定采用470（420+50=470）温度进行回火处理是合适的。经证实，在470温度下回火基体组织中仅仅开始出现少量回火索氏体，因此，不会影响辊身表面的硬度值，成品轧辊辊身表面硬度可保持在7585HSD范围内。然而，值得重视的是，轧辊在回火处理过程中