武瑞石 劉建寧

(1.中鋼集團(tuán)邢臺機(jī)械軋輥有限公司，河北054025；2.軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北054025)

型鋼萬能軋邊輥及異型鋼S輥產(chǎn)品的典型規(guī)格特點(diǎn)為操作端輥頸細(xì)長，因輥身加工孔型，一般選擇半鋼材質(zhì)，受半鋼材質(zhì)影響，凝固結(jié)晶范圍寬，易形成疏松缺陷，嚴(yán)重者可導(dǎo)致輥頸斷裂事故，影響使用的安全性，因此必須保證產(chǎn)品的輥頸凝固質(zhì)量，產(chǎn)品輥頸結(jié)構(gòu)見圖1。

本文結(jié)合產(chǎn)品前期生產(chǎn)情況，產(chǎn)品質(zhì)量特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種梯度冒口生產(chǎn)工藝，提高冒口補(bǔ)縮效率，降低冒口直徑，提高產(chǎn)品的凈毛比。

1 產(chǎn)品問題描述

(1)本文研究的高碳鋼軋輥鑄件典型規(guī)格特點(diǎn)為操作端輥頸細(xì)長，為保證輥身質(zhì)量及補(bǔ)縮效果，按照補(bǔ)縮原則，冒口的凝固時間應(yīng)不小于鑄件被補(bǔ)縮部分的凝固時間，冒口尺寸需要根據(jù)輥身直徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，為保證輥身位置補(bǔ)縮，冒口尺寸一般設(shè)計(jì)較大，因此半鋼材質(zhì)細(xì)輥頸產(chǎn)品在冒口部分的軸頸加工余量較大，將外層凝固質(zhì)量較好區(qū)域加工去除，剩余芯部組織粗大及縮松部分保留在成品輥頸。

(2)高碳鋼軋輥鑄件材質(zhì)為半鋼及高碳半鋼，碳含量在1.60%～2.30%范圍。從鐵碳相圖(見圖2)可知，對于碳在此區(qū)間范圍的材質(zhì)，結(jié)晶區(qū)間最寬，在凝固后期，隨著鋼水溫度下降，流動性變差、鋼水形成枝晶搭橋，極易產(chǎn)生中心軸線疏松。

圖1 產(chǎn)品輥頸結(jié)構(gòu)Figure 1 Roll neck structure of production

圖2 鐵碳相圖Figure 2 Iron carbon phase diagram

2 梯度冒口設(shè)計(jì)研究

2.1 冒口設(shè)計(jì)思路

通過對缺陷觀察，發(fā)現(xiàn)缺陷為縮松、縮孔，集中在產(chǎn)品最后凝固部位，是冒口補(bǔ)縮不足導(dǎo)致的。

我公司為提高補(bǔ)縮效率采用電加熱冒口，電加熱冒口是一種在產(chǎn)品冒口最上端放置石墨電極，通過電弧加熱使鋼水在一定時間內(nèi)處于液體狀態(tài)，從而延長冒口上端凝固時間來達(dá)到冒口補(bǔ)縮的生產(chǎn)方式，該種冒口鋼水可實(shí)現(xiàn)100%補(bǔ)縮。

為解決以上問題，若將冒口高度降低，縮短補(bǔ)縮距離，這樣電加熱熔池會延伸至成品輥頸以內(nèi)，對于半鋼材質(zhì)結(jié)晶區(qū)域較寬的凝固特性，反而更易造成熔池位置鋼水過熱度大，在成品輥頸部位形成組織粗大及疏松、縮孔等鑄造缺陷，因此為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須預(yù)留一定高度的冒口余量，但這樣冒口補(bǔ)縮距離一般會較長，產(chǎn)生軸線疏松的傾向較大。

當(dāng)冒口在垂直方向的補(bǔ)縮距離較長，達(dá)不到補(bǔ)縮要求時，可以設(shè)置補(bǔ)貼，形成冒口方向的順序凝固，以增加冒口的補(bǔ)縮距離，目前在產(chǎn)品生產(chǎn)中普遍采用在砂型中增加保溫材料來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)貼的效果。

本文研究的鑄件為細(xì)長桿件，冒口設(shè)置在鑄件的最上部，為進(jìn)一步加大補(bǔ)縮效果，設(shè)計(jì)試驗(yàn)梯度冒口，按照靠近輥身的冒口部分最先凝固，冒口凝固時間隨著高度的增加逐步延長，保證補(bǔ)縮通道順暢，達(dá)到提高補(bǔ)縮效果的目的。冒口具體設(shè)置為：在冒口中部砂型中增加保溫材料，冒口上部使用電加熱保溫，冒口下部為普通砂型冒口，冒口自下而上保溫時間逐步延長，如圖3所示。

圖3 梯度補(bǔ)縮冒口示意圖Figure 3 Schematic diagram of gradient feeding riser

2.2 冒口設(shè)計(jì)方案

冒口是在鑄型內(nèi)人為設(shè)置的貯存金屬液的結(jié)構(gòu)體，用以補(bǔ)償鑄件形成過程中可能產(chǎn)生的收縮，起防止鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的作用。依據(jù)冒口的設(shè)計(jì)原則，冒口的凝固時間應(yīng)不小于鑄件被補(bǔ)縮部分的凝固時間?？梢酝ㄟ^凝固時間計(jì)算冒口尺寸。計(jì)算凝固時間的方法有平方根定律和模數(shù)法。本文冒口尺寸采用平方根定律計(jì)算。

式中，δ是凝固層厚度(冒口尺寸)；K是凝固系數(shù)；t是凝固時間。

(1)凝固時間：冒口的凝固時間應(yīng)不小于鑄件被補(bǔ)縮部分的凝固時間，鑄件的凝固時間是確定冒口尺寸的依據(jù)，按照電加熱冒口區(qū)域凝固時間>保溫磚冒口區(qū)凝固時間>普通砂型冒口凝固時間>輥身凝固時間的原則，經(jīng)過反復(fù)生產(chǎn)試驗(yàn)評價確定各部位的凝固時間比例：(3.0～4.5)∶(1.5～2.0)∶(1.2～1.4)∶1為最佳。

(2)凝固系數(shù)：通過試驗(yàn)及查詢相關(guān)專業(yè)資料，金屬型為2.6、砂型冒口為1.3、保溫磚冒口為1.0～1.2(生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)值)。

(4)冒口高度核算：依據(jù)冒口設(shè)計(jì)原則，冒口提供的補(bǔ)縮量應(yīng)不小于鑄件的體收縮量，體收縮系數(shù)按3%～5%計(jì)算。由公式Wc×(3%～5%)=Wr(Wc為鑄件的鋼水量，Wr為冒口的鋼水量)，可計(jì)算出Wr的值，由步驟(3)中冒口直徑計(jì)算值，可反算出冒口高度。

為避免電加熱熔池在成品輥徑內(nèi)，在步驟(4)冒口高度的基礎(chǔ)上增高300～600 mm，保溫磚位置位于冒口高度方向中部1/3區(qū)域。

3 產(chǎn)品效果驗(yàn)證及推廣應(yīng)用

按照以上設(shè)計(jì)思路，反復(fù)試驗(yàn)改進(jìn)優(yōu)化，最終得出最佳的冒口設(shè)計(jì)方法及原則，并應(yīng)用于生產(chǎn)，產(chǎn)品表面質(zhì)量明顯提升，表面無疏松、縮孔缺陷，UT檢測中底波清晰。

由于以上方案采用電加熱冒口補(bǔ)縮與保溫耐材相結(jié)合的冒口設(shè)計(jì)，在提升產(chǎn)品質(zhì)量的同時，冒口直徑、高度均大幅度降低，凈毛比提升可達(dá)30%以上。

4 結(jié)語

(1)通過對產(chǎn)品缺陷進(jìn)行分析，結(jié)合鑄造理論知識，設(shè)計(jì)了一種電加熱與保溫耐材相結(jié)合的梯度冒口工藝，為高碳鋼軋輥鑄件的生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

(2)采用梯度冒口工藝進(jìn)行生產(chǎn)可以提高該種高碳鋼軋輥鑄件的產(chǎn)品質(zhì)量，減少產(chǎn)品的疏松缺陷，滿足用戶的使用性能。