带槽轧辊真空密封造型铸造成型工艺

　　摘　要：概述了带槽轧辊的制造工艺，提出了带槽轧辊真空密封造型铸造成型新工艺（V法），介绍了V法工艺数值模拟软件的特点及功能，并通过试验证明了该工艺的可行性，及成型的带槽轧辊具有尺寸准确，表面光洁、无裂纹，轧槽工作面硬度高等优点。
　　关键词：带槽轧辊；真空密封造型；数值模拟；可行性
　　型钢的种类繁多，多数采用有孔型的轧辊轧制。带孔型的轧辊大多是用铸造的平辊经机加工而成，其Z大缺点是孔型部位的铸造激冷耐磨层面在机加工时被车削掉，因而孔型部位硬度低，耐磨性差，使轧辊消耗增加，深轧槽轧辊尤其如此。所以，直接铸造成型带槽轧辊，是提高带孔型轧辊耐磨性的重要途径。
　　铸造成型带槽轧辊的难点在于，如何避免激冷用带槽实体金属冷型阻碍轧辊收缩而使轧辊产生裂纹，以及带槽轧辊如何能容易地从实体金属冷型中取出。
　　1　带槽轧辊生产工艺及存在的主要问题
　　目前，国内外生产带槽轧辊主要有以下6种工艺方法：
　　（1）光面轧辊机加工工艺
　　以普通冷硬、半冷硬铸造轧辊或离心铸造光面轧辊为毛坯，采用机加工法车切轧槽。该法适用于轧槽深度小于轧辊冷硬层厚度。其缺点：①轧槽耐磨性降低及耐磨层厚度减薄，轧辊消耗增加；②轧槽磨损不均匀，白口层磨损轻而麻口层则严重，所轧钢材质量差。
　　（2）带外冷铁式铸型工艺
　　带外冷铁式铸型由外冷铁、涂料、型砂、砂箱组成，需要考虑冷铁与辊身重量之比和型砂、涂料的厚度。该工艺适合于孔槽为半圆形的轧辊，其主要缺点：①工艺复杂、操作困难；②冷铁易被烧蚀和变形，易被夹持或焊接在孔槽中。
　　（3）活环式冷型工艺
　　活环冷型由冷型、活环、冷铁组成 ，活环用埋头销钉固定在冷型上，浇注后松动销钉，轧辊冷却时活环能随轧辊自由收缩。活环式冷型适于铸造挂砂的半冷硬带槽轧辊和大辊径、长辊身的大型型钢轧辊。其主要缺点：①需制造活环和挂砂，工艺复杂；②不适于冷硬轧辊。
　　（4）活块式冷型工艺
　　用铝等低熔点金属制成活块，在其上直接刷涂料，通过控制涂料厚度使轧辊外壳凝固层达到适当厚度后，活块因吸收了足够的热量而熔化，由冷型上引流孔流出，从而保证带槽轧辊的自由收缩。此工艺操作相对简单，适于孔槽较多的轧辊。主要缺点：①活块一次性消耗，熔化时间难以控制：② 活块熔化后，轧槽与冷型悬空，冷却减慢，影响Z终组织。
　　（5）带槽冷型工艺
　　带槽冷型的高度受孔槽的倾斜角限制，若所选用的高度小于或等于辊身平均直径与孔槽倾斜角的正切乘积，轧辊不会产生由于冷型孔槽阻碍收缩而引起的裂纹。为此，轧辊辊身长度较大时，须采用2节或3节以上冷型。目前带槽冷型工艺应用很普遍，尤其是对孔槽较浅的轧辊适用性好。该法的主要缺点是：①需要环形泥芯，轧辊从冷型中取出困难；②若两半冷型的纵向分型面或叠合冷型的叠合不严，易导致轧辊裂纹。
　　（6）喷射沉积工艺
　　喷射沉积是介于铸造和粉末冶金之间的一种工艺，可实现快速凝固。此工艺生产的轧辊与传统铸造轧辊相比，具有很细的晶粒组织和较好的力学性能，孔型的耐磨强度高且均匀，寿命可提高2～3倍。该法的主要缺点：①技术要求高；②投资大，成本高，难推广。
　　2　真空密封造型铸造成型工艺研究
　　上述第2～第5种方法生产的带槽轧辊，虽然轧槽的硬度和耐磨性均比平辊经机加工成孔型时高得多，但各种方法除特有的一些缺点外，还存在工艺复杂、质量控制困难、适用范围受限制等共性问题。
　　真空密封造型方法（V法）于1971年在日本出现，我国于80年代开始引进和研究这项技术，用于各种零部件成型。V法的基本原理是在特制的砂箱里，填入无水、无粘接剂的干砂，用塑料薄膜将砂箱密封后抽成真空，借助于铸型内外的压力差使型砂坚实和成型。这种方法的显著特点是铸件凝固后，可根据需要适时撤掉真空，铸型自行溃散，铸件即可自由收缩。
　　本文采用铁砂或无定形石墨砂做造型材料，将真空密封造型铸造法用于带槽轧辊成型。这种方法不仅能有效地解决目前直接铸造带槽轧辊所存在的问题，而且有利于方便地复制各种带槽轧辊的铸型，生产成本低、质量高。
　　2.1 数值模拟分析
　　为了有效模拟带槽轧辊真空密封造型铸造成型过程，编制了“带槽轧辊V法工艺数值模拟”软件。该软件具有以下特点：
　　（1）具有系统造型模块，可以模拟各种尺寸和类型带槽轧辊，模拟造型步骤如下：①选择系统尺寸，如模型的高度、半径和网格的尺寸；②选择造型物质；③选择造型方式；④在系统造型的界面上，将模拟系统快速造出；⑤保存造型结果，完成系统造型。
　　（2）边界条件和热物参数为温度的函数。采用分段直线拟合曲线方法，将边界条件和热物参数表示成温度的函数，可提高模拟参数的准确性。
　　（3）模拟结果可以数据和图形输出。用户可以从图形输出结果快速地进行定性分析，从数据输出结果精确地进行定量分析。
　　模拟软件可以模拟任何尺寸的带槽轧辊、型砂的种类与配置、铸造工艺参数等对带槽轧辊各个部分冷却速度的影响。借助图1所示的Veinik组织图，软件可以完成两个工作：其一为化学成分一定时，通过调整型砂的种类和配比、浇注温度等工艺参数，可以改变辊身和辊颈的冷却速度，使各部位都获得较理想的组织；其二在型砂的种类和配比、浇注温度等工艺参数不能使辊身和辊颈均具有理想的冷却速度时，可调整轧辊化学成分，以获得较理想的组织。
　　模拟结果表明，铁砂、石墨砂V法铸造生产具有简单、灵活、调整控制容易等优点，适合于带槽轧辊铸造成型。
　　2.2 试验研究
　　真空密封造型工艺试验装置如图2所示。试制轧辊样品尺寸为Φ70mm×200mm，轧辊上带有2个深10mm的梯形孔槽；选用Φ0.8mm 的铁砂或无定形石墨砂作为造型材料，辊颈采用石英砂套；轧辊材质为无限冷硬球铁。铸造成型的带槽轧辊样品如图3所示。
　　试验结果表明，真空密封造型铸造成型工艺与其他工艺相比，主要有以下特点：
　　（1）目前轧辊铸造采用实体冷型，而实体金属冷型因激冷能力太强致使轧辊易产生裂纹，因此冷型需预热、喷涂料甚至挂砂。本工艺用金属丸或无定形石墨做冷型，激冷能力减小，铸型无需预热、挂砂即可直接浇注，从而工艺简化，节约能源。
　　（2）实体金属冷型工作环境恶劣，寿命短，一般每型只能使用20～30次。本工艺采用的造型材料可反复多次回用，从根本上解决了实体金属型寿命短的问题。
　　（3）真空密封造型的铸型容易用木模复制，适合于种类繁多的带槽轧辊的成型，解决了铸造带槽轧辊需要大量实体金属冷型、冷型加工时间长、占用资金多、堆放占用面积大等问题。
　　（4）当解除铸型内的真空状态时，冷型自行溃散，解决了直接铸造带槽轧辊时激冷用带槽实体金属冷型阻碍轧辊收缩而产生裂纹，以及带槽轧辊从实体金属冷型取出的难题。
　　（5）真空密封造型铸造的轧辊尺寸精度高，表面光洁，轮廓清晰，不易产生气孔和裂纹。
　　3　结论
　　（1）本文提出的带槽轧辊真空密封造型铸造成型工艺是可行的；
　　（2）采用本工艺成型的带槽轧辊样品，具有尺寸精度高，表面光洁，无裂纹，轧槽工作面硬度高的优点。