大型常法辊铸造工艺设计与优化

2020-04-08李魁猛毕经余王艳春

铸造设备与工艺 2020年1期

李魁猛，毕经余，王艳春

（1.河钢乐亭钢铁有限公司，河北唐山 063600；2.唐钢重机装备有限公司，河北唐山 063306；3.唐山科技职业技术学院，河北唐山 063001）

随着我国轧钢装备的改造和升级，轧机向自动化、连续化、重型化方向发展，大型轧辊需求量日益增加。随着市场开发，唐钢重机装备有限公司毛坯重量在70 t 以上的大型常法辊产量逐渐增加。而大型轧辊铸件在铸造中很容易产生缩孔、缩松、偏析、夹杂和裂纹等铸造缺陷[1]。为保证产品质量，公司从浇注方式、电加热技术、造型材料的选用等方面进行了改进，并利用“华铸CAE”铸造工艺分析软件，对铸件充型、凝固过程进行计算机模拟，优化浇注温度、冒口直径等工艺参数，取得了很好的效果。

1 大型常法辊的铸造工艺

大型常法辊铸件材质采用65CrNiMo，化学成分如表1 所示。

大型轧辊铸件在铸造中很容易产生缩孔、疏松、偏析、夹杂和裂纹等缺陷。因此，工艺设计时必须合理设计铸造工艺。

表1 铸造轧辊的化学成分（质量分数，%）

1.1 浇注方式的确定

从目前生产大型常法辊的厂家看，受设备、操作水平及研发设计能力的限制，浇注方式多采用工艺相对简单的“顶注”模式，由于浇注过程缺少钢水旋转上升过程，型腔及钢水中夹杂物得不到有效上浮，偏析、夹杂、裂纹、夹渣等产品缺陷得不到有效解决，造成产品性能不稳定，耐用性差、寿命低等问题。采用“底注”模式可以有效解决上述问题。但是，由于钢水量加大，原有的单水口浇注方式不能满足钢水瞬时流量要求、耐冲刷要求。因此综合考虑设备条件，采用双包双水口搭桥浇注。双水口改进工艺图见图1.

由于双水口大钢水量搭桥浇注，存在浇道不畅、倒灌、跑钢风险。因此主浇口高度高于副浇口400 mm～500 mm，浇口箱每隔800 mm～900 mm 打卡连接，并且在冷型与冒口箱之间用铁链锁箱。在浇注过程中先开副浇口，待型腔进入钢水后，再开主浇口，以防止副浇口钢水流动不畅和倒灌。

图1 双水口改进工艺图

1.2 电加热技术的使用

为解决冒口有效补缩问题，采用可控硅加热电源进行电加热，改进了电加热参数。电加热工艺参数改进见表2.在原电加热参数基础上，缩短了电加热时长3 h，且能够有效保证轧辊的冒口补缩。

表2 改进前和改进后电加热工艺参数

普通可控硅电源的工作原理和变压器相似，是一个降压变压器。在次级线圈的两端是轧辊和石墨电极，引燃电弧，在电弧的高温作用下将轧辊的冒口端上部熔化，达到补缩目的[2]。原理如图2 所示。

1.3 涂料改进与型砂的合理选用

随着钢水量的增加，浇注时间明显延长，蓄热量增加，这对型腔涂料耐火度是一种考验。通过与涂料厂家协商，改进了涂料的成分配比，开发了波美度大于90 的专用水基锆英涂料，有效地避免了下辊颈、辊身、R 部粘砂问题。

对于辊身造型材料，独创性地使用铬矿砂、石英砂比例为1：1 的混合黏土砂替代纯锆英黏土砂，型砂目数为40～70，避免了大型常法辊因辊身直径较大易产生的辊身激冷效果不强、表面纵向粘砂等表面质量问题，成本大幅度降低。

图2 可控硅加热电源工作原理

2 铸造工艺模拟

利用“华铸CAE”铸造工艺分析软件，对铸件充型、凝固过程进行计算机模拟，预测铸造过程中可能产生的卷气、夹渣、冲砂、浇不足、冷隔、缩孔、缩松等缺陷，确定大型常法辊的浇注温度、冒口直径等工艺参数。图3 为轧辊凝固过程中的温度场变化，其中冒口端温度最高，沿着辊身方向向下，温度开始越来越低，下辊颈温度最低。

图3 轧辊凝固过程中的温度场变化

图4所示为冒口尺寸由φ910mm变更为φ700mm时，数值模拟预判轧辊上辊颈缩孔情况。方案一在冒口直径700 mm 时，轧辊上辊颈部分出现了缩松和缩孔；方案二在冒口直径840 mm 时，轧辊上辊颈部分未出现缩松、缩孔问题；方案三在冒口直径910 mm 时，轧辊上辊颈部分未出现缩松、缩孔问题。根据凝固结果，选择φ840 mm 冒口，既能有效避免缩孔，又降低了钢水消耗。