李魁猛，畢經(jīng)余，王艷春

（1.河鋼樂亭鋼鐵有限公司，河北 唐山 063600；2.唐鋼重機裝備有限公司，河北 唐山 063306；3.唐山科技職業(yè)技術(shù)學院，河北 唐山 063001）

隨著我國軋鋼裝備的改造和升級，軋機向自動化、連續(xù)化、重型化方向發(fā)展，大型軋輥需求量日益增加。隨著市場開發(fā)，唐鋼重機裝備有限公司毛坯重量在70 t 以上的大型常法輥產(chǎn)量逐漸增加。而大型軋輥鑄件在鑄造中很容易產(chǎn)生縮孔、縮松、偏析、夾雜和裂紋等鑄造缺陷[1]。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，公司從澆注方式、電加熱技術(shù)、造型材料的選用等方面進行了改進，并利用“華鑄CAE”鑄造工藝分析軟件，對鑄件充型、凝固過程進行計算機模擬，優(yōu)化澆注溫度、冒口直徑等工藝參數(shù)，取得了很好的效果。

1 大型常法輥的鑄造工藝

大型常法輥鑄件材質(zhì)采用65CrNiMo，化學成分如表1 所示。

大型軋輥鑄件在鑄造中很容易產(chǎn)生縮孔、疏松、偏析、夾雜和裂紋等缺陷。因此，工藝設(shè)計時必須合理設(shè)計鑄造工藝。

表1 鑄造軋輥的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

1.1 澆注方式的確定

從目前生產(chǎn)大型常法輥的廠家看，受設(shè)備、操作水平及研發(fā)設(shè)計能力的限制，澆注方式多采用工藝相對簡單的“頂注”模式，由于澆注過程缺少鋼水旋轉(zhuǎn)上升過程，型腔及鋼水中夾雜物得不到有效上浮，偏析、夾雜、裂紋、夾渣等產(chǎn)品缺陷得不到有效解決，造成產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，耐用性差、壽命低等問題。采用“底注”模式可以有效解決上述問題。但是，由于鋼水量加大，原有的單水口澆注方式不能滿足鋼水瞬時流量要求、耐沖刷要求。因此綜合考慮設(shè)備條件，采用雙包雙水口搭橋澆注。雙水口改進工藝圖見圖1.

由于雙水口大鋼水量搭橋澆注，存在澆道不暢、倒灌、跑鋼風險。因此主澆口高度高于副澆口400 mm～500 mm，澆口箱每隔800 mm～900 mm 打卡連接，并且在冷型與冒口箱之間用鐵鏈鎖箱。在澆注過程中先開副澆口，待型腔進入鋼水后，再開主澆口，以防止副澆口鋼水流動不暢和倒灌。

圖1 雙水口改進工藝圖

1.2 電加熱技術(shù)的使用

為解決冒口有效補縮問題，采用可控硅加熱電源進行電加熱，改進了電加熱參數(shù)。電加熱工藝參數(shù)改進見表2.在原電加熱參數(shù)基礎(chǔ)上，縮短了電加熱時長3 h，且能夠有效保證軋輥的冒口補縮。

表2 改進前和改進后電加熱工藝參數(shù)

普通可控硅電源的工作原理和變壓器相似，是一個降壓變壓器。在次級線圈的兩端是軋輥和石墨電極，引燃電弧，在電弧的高溫作用下將軋輥的冒口端上部熔化，達到補縮目的[2]。原理如圖2 所示。

1.3 涂料改進與型砂的合理選用

隨著鋼水量的增加，澆注時間明顯延長，蓄熱量增加，這對型腔涂料耐火度是一種考驗。通過與涂料廠家協(xié)商，改進了涂料的成分配比，開發(fā)了波美度大于90 的專用水基鋯英涂料，有效地避免了下輥頸、輥身、R 部粘砂問題。

對于輥身造型材料，獨創(chuàng)性地使用鉻礦砂、石英砂比例為1：1 的混合黏土砂替代純鋯英黏土砂，型砂目數(shù)為40～70，避免了大型常法輥因輥身直徑較大易產(chǎn)生的輥身激冷效果不強、表面縱向粘砂等表面質(zhì)量問題，成本大幅度降低。

圖2 可控硅加熱電源工作原理

2 鑄造工藝模擬

利用“華鑄CAE”鑄造工藝分析軟件，對鑄件充型、凝固過程進行計算機模擬，預測鑄造過程中可能產(chǎn)生的卷氣、夾渣、沖砂、澆不足、冷隔、縮孔、縮松等缺陷，確定大型常法輥的澆注溫度、冒口直徑等工藝參數(shù)。圖3 為軋輥凝固過程中的溫度場變化，其中冒口端溫度最高，沿著輥身方向向下，溫度開始越來越低，下輥頸溫度最低。

圖3 軋輥凝固過程中的溫度場變化

圖4所示為冒口尺寸由φ910mm變更為φ700mm時，數(shù)值模擬預判軋輥上輥頸縮孔情況。方案一在冒口直徑700 mm 時，軋輥上輥頸部分出現(xiàn)了縮松和縮孔；方案二在冒口直徑840 mm 時，軋輥上輥頸部分未出現(xiàn)縮松、縮孔問題；方案三在冒口直徑910 mm 時，軋輥上輥頸部分未出現(xiàn)縮松、縮孔問題。根據(jù)凝固結(jié)果，選擇φ840 mm 冒口，既能有效避免縮孔，又降低了鋼水消耗。

圖4 冒口參數(shù)變化時輥頸縮孔情況

圖5 所示為“華鑄CAE”鑄造工藝分析軟件對澆注溫度、澆注時長的數(shù)值模擬。從模擬結(jié)果可以看出，澆注溫度設(shè)定在1 520 ℃，澆注時長600 s，是最優(yōu)的工藝方案。

圖5 對澆注溫度、澆注時間變化的數(shù)值模擬

通過模擬得出了大型常法軋輥冒口直徑840mm，澆注溫度1 520 ℃，澆注時長控制在600 s 大流快速充型最優(yōu)的工藝方案。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，最終結(jié)果與模擬情況基本一致。

3 結(jié)論

1）合理改進涂料與造型砂的配比，能有效避免粘砂、裂紋等表面質(zhì)量問題。

2）采用雙包雙水口“底注”工藝，使用軋輥充型和凝固過程數(shù)值模擬以及電加熱輔助后，有效地解決了偏析、夾雜、裂紋、夾渣等質(zhì)量問題。

3）每支大型常法輥的工藝出品率由80%提高到83%.平均每支軋輥鋼水量節(jié)省2.34 t，按電爐冶煉鋼水成本4 400 元/t 計算，每支軋輥共計節(jié)省成本10 296 元。'