高性能復合輥軸制造工藝及設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬壓力加工技術領域，特別涉及一種高性能復合輥軸制造工藝及設備，適用于乳鋼行業中復合乳輥的制造。
【背景技術】
[0002]輥類零件廣泛用于冶金、礦山、電力、石化、建材等領域，是壓延變形、破碎、粉磨和支承、輸送、導向等裝備的大宗易耗關鍵部件，年消耗500多萬噸，價值1000多億元。軸類零件是設備的關鍵部件，年消耗幾千億元。現有制造工藝存在成本高、效率低、質量差、壽命低等難題，造成巨大浪費和污染。
[0003]乳輥被譽為“鋼材之母”，是鋼、鋁、銅等金屬壓延生產中使金屬材料產生塑性變形的工具，是決定乳機生產效率和乳材質量及經濟性的重要的大型部件，是乳機乳制不可或缺的關鍵性部件和最主要的大宗消耗部件，其消耗成本約為乳鋼生產成本的5%?15%。如果考慮因乳輥消耗而帶來的生產停機、降產和設備維護增加等因素，則其所占生產成本的比重會更高。
[0004]乳機是金屬壓力加工生產中的重要設備，是衡量一個國家鋼鐵發展技術水平的顯著標志。而乳輥又是乳機的主要組成部分，是乳鋼生產中大量消耗的關鍵部件，是決定一個國家乳制技術發展水平的基本保證，是一個國家金屬材料設計、材料成型技術、加工制造和熱處理等基礎工業綜合技術水平的直觀體現。在乳鋼工業生產中，每一種乳材無一不是依靠乳輥的乳制而成形，這就是說“無輥不成材”，所以，乳輥的質量和作用至關重要。
[0005]乳輥質量不僅關系到乳鋼生產成本和乳機生產作業率，還在很大程度上影響乳材質量。隨著乳鋼技術的發展，乳機速度和自動化程度不斷提高，對乳輥質量特別是乳輥的耐磨性、強度及韌性等提出了更高的要求。進一步提高乳輥性能以適應乳機的需要，實現鋼鐵型材的節能降耗生產，是乳輥研制者面臨的新目標。
[0006]我國乳輥制造業經過幾十年的發展和壯大，目前已成為世界乳輥產量大國，乳輥制造技術和材質品種方面有很大的發展。在乳輥材質方面，從球墨鑄鐵、合金無限冷硬鑄鐵發展到現在的針狀組織球墨鑄鐵、高合金無限冷硬鑄鐵、高鉻鑄鐵、硬質合金、半高速鋼和高速鋼等。在鑄造工藝方面也從常規澆鑄單一材質和溢流法澆鑄復合材質，發展到離心復合澆鑄工藝。目前國內乳輥供應能力已達到100萬噸以上，設計制造能力可以達到120?150萬噸。隨著我國乳鋼裝備的改造和不斷從國外引進先進的乳機，乳機向自動化、連續化、重型化方向發展，對乳輥的組織和性能提出了更高的要求。
[0007]然而，我國自行研制的冶金乳輥乳制鋼材平均消耗與發達國家相比尚有較大的差距。來自中國鋼鐵協會的最新統計，2014年我國鋼材產量已經達到112557萬噸，占全球鋼產量40%以上，按照噸鋼消耗乳輥1.0?1.2 kg/t鋼計算，年消耗乳輥110?130多萬噸，年消耗乳輥資金200億元以上。為了滿足乳鋼生產的實際需要，我國每年都需要花費大量外匯進口乳輥，僅2010年進口優質乳輥約3.0萬多噸，消耗外匯約2億多美元。我國乳輥的大量消耗，造成了資源和能源的巨大浪費。另外，國外乳輥年消耗量也超過百萬噸，市場需求量大。如此大的報廢量無論從乳鋼廠的乳制成本，還是從我國的能源和資源消耗方面來看都是一項巨大的浪費，對環境和資源造成巨大壓力。因此，提高乳輥質量，延長乳輥壽命，不僅能節省大量外匯，而且還可以節省大量的乳輥材料，開發優質長壽命乳輥材料及其成形技術，不僅可滿足國內需求，而且還可實現出口創匯。
[0008]為滿足現代乳鋼工業對高性能乳輥的要求，近年來，國內外研發了多種新型高性能乳輥制造工藝，其中在鑄造法制造復合工藝方面開發的工藝主要有:離心鑄造復合乳輥、連續鑄造(CPC)復合車淺、電渣重熔(ESR)復合乳輥、組合式復合乳輥等。
[0009]離心鑄造復合乳輥工藝(CF)，是采用離心鑄造的方法生產雙金屬復合乳輥。主要是使用旋轉來產生離心力，將金屬液澆入到正在旋轉的鑄型中，利用離心力把所澆注的金屬液從旋轉中心甩向鑄型的外緣，使金屬液的凝固由外向內順序進行，凝固成外層為組織致密的高耐磨材料、內層為普通材料的復合乳輥。金屬液的流動有助于樹枝狀晶的破碎和細化，同時克服了晶粒間“隧道”的阻力進行補縮，使鑄件的致密度得到提高。在外層金屬液凝固后，將鑄型吊起與底部和上部及冒口砂型組裝，將芯部及上下型腔以重力澆注充填，實現兩種材料的復合。離心乳輥鑄造法制造復合乳輥有著其他鑄造工藝不具備的優點，具體如下:(I)一些部件不需要澆冒口，有效的提升了金屬液的使用效率；(2)不需要使用砂芯就可以鑄造出環形和空筒形的鑄件，同時也可以生產出長度和直徑不同的鑄管，具有良好的生產效率，生產成本也不高；(3)在離心力的作用下，金屬液凝固后，質地細膩；(4)用這種方法生產的乳輥外層具有較高的耐磨性，內層的韌性材料又能保證乳輥具有較高的韌性，具有比整體材料乳輥更廣闊的應用前景和較高的性價比。
[0010]該工藝雖然具有設備簡單，設備投資小，生產效率高，成本低，適于大批量生產之特點。但該工藝存在以下幾種不足:
I)當用于制造高合金材料的乳輥時，由于材料中往往含有大量密度高的合金，如鎢、鉬、釩等，離心鑄造時，由于離心力的作用，這些密度高的合金會偏析于乳輥表面，使乳輥內層合金元素含量降低，使組織和成份不均勻從而惡化乳輥表面層韌性，降低乳輥外層的耐磨性，影響乳輥的質量。
[0011]2)當芯部材料的熔點高于外層材料的熔點，澆注時于已凝固的外層材料的內表面產生熔合層。因此當芯部材料選用鑄鋼時，不能得到良好的復合界面。
[0012]3)無法生產具有高強度、高韌性的鍛鋼芯部的復合乳輥。
[0013]連續澆注外層成形法(CPC法)，該工藝是日本的新日鐵公司與20世紀80年代末研究開發投入生產。CPC法是集材料、工藝、設備、自動控制于一體的高新技術[1()]，目前世界上只有新日鐵和日立公司成功用于工業化生產。其工作原理是以鍛鋼、鑄鋼或廢舊乳輥作輥芯，在其表面涂上一層硅系玻璃保護膜，防止輥芯表面氧化。將需要復合的外層金屬液澆入到垂直安裝的輥芯和水冷結晶器之間，為使澆鑄的外層高速鋼與輥芯完全熔合，采用二套電磁感應加熱裝置分別對鋼液和輥芯進行補熱和預熱。熔融的外層金屬液在與輥芯熔合的同時順序向上凝固，使二種材料的界面達到冶金結合。通過抽錠設備，將復合好的乳輥不斷地從水冷結晶器中抽出，直到復合乳輥澆注完成。在結合過程中，輥芯表面出現微熔，使輥芯和外層高速鋼金屬實現堅固的冶金結合，提高結合強度。這種方法生產的高速鋼輥坯的組織及晶粒度要比離心鑄造方法細得多，且碳化物均勻彌散分布，壽命可比離心鑄造乳輥尚 30%0
[0014]結合層的形成影響著乳輥的下降速度，也就決定了CPC法的生產效率。該方法具有如下特點:①乳輥的外層材質可以選擇多種高合金材料，芯部材質可用強韌性和剛性高的鋼系材料，避免了離心鑄造高速鋼乳輥所出現的初晶碳化物偏析和組織、成份偏析缺點;②鋼液在水冷結品器中凝固，冷卻速度快，可獲得細小、致密的凝固組織，抗熱裂性好，乳輥性能好等特點；③由下向上的順序凝固，避勉了縮孔和疏松等鑄造缺陷的產生;④既可制造新乳輥，也可對舊乳輥進行再制造修復。
[0015]CPC的缺點主要是:①由于采用二套感應加熱系統，設備較復雜，技術難度大;②由于采用抽錠方式，生產效率較低，且所生產的鋼質純晶度差;③生產過程中需要對鋼水進行長時間的保溫，耗能大，對中間包耐火材料要求高，生產成本高;④對廠房和操作工人要求高。基于以上原因，目前推廣使用范圍很小，我國至今尚未投入產業化生產。
[0016]電渣液態澆注法(ESSLM)，ESSLM是在上世紀90年代初E.0.巴頓電焊研究所發明的。其生產工藝是在一個銅質水冷結晶器中間放入被復合的鍛造、鑄造或者用過的廢舊輥芯，再將預先熔化好的熔渣倒入輥芯與結晶器之間的間隙中，在結晶器與輥芯之間通電，通過液態熔渣形成電回路，熔渣中產生的熱量將輥芯的表面熔化，將熔煉好的液態金屬以一定的工藝澆入輥芯與結晶器之間的間隙中，液態金屬將熔渣上浮，在通過渣池時被電渣精煉，同時將輥芯包覆起來并與己經預熱的輥芯表面熔合，在結晶器的冷卻下凝固，形成復合層。在此過程中，借助抽錠裝置輥芯不斷的從結晶器中抽出，同時不斷澆入液態金屬，直到預定的長度為止。覆著層的材料可以是鑄鐵、高速鋼以及其它金屬，所制成的復合乳輥既可以用做冷乳輥、熱乳輥或連鑄輥，又可以對廢舊乳輥進行鑄造包覆層再制造。但要嚴格控制液渣溫度和輥芯在液渣中的時間，防止芯部過多的熔化，污染工作層。
[0017]ESSLM技術允許復合直徑從100 mm到1800 mm，甚至更大直徑圓錠外表面。復合層厚度15?20 mm到100 mm，甚至更大。該工藝與電渣重熔工藝相比，其效率高，澆注速度為200?800 kg/h，電耗接近800 kWh/t鋼[10]。
[0018]該工藝的缺點主要為復合過程中鋼水分批或連續注入結晶器時，由于澆注速度非常慢，鋼水需要保溫，鋼水貯存裝置非