离心铸造双金属复合辊的制备及应用.pdf

离心铸造双金属复合辊的制备及应用 叶富明 ，景旭冉2，郭明海z，3，刘俊友3，庞于思 (1．南京钢铁集团有限公司，江苏南京210035；2．北京北科德瑞冶金工程技术有限公司，北京100083； 3．北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083；4．新兴铸管股份有限公司，河北邯郸056000) 摘要：结合生产实际，阐述了复合辊的离心铸造成型工艺和热处理工艺，分析了离心铸造双金属复合辊工 艺的优越性，并对采用不同工艺生产的复合辊的应用效果进行了对比。结果表明：采用双金属液复合离心铸造工 艺生产的耐磨合金复合辊，兼具两种材料的优势，既可降低合金成本又可大幅度提高复合辊的使用寿命。 关键词：双金属复合辊；破碎辊；离心铸造；浇铸工艺；热处理 中图分类号：TG249．4 文献标志码：B 文章编号：1001—2311(2014)01—0072—06 Manufacture and Application of Centrifugally—cast Bimetal Composite Ro YE Fuming ，JING Xuran ，GUO Minghai ～，LIU Junyou。，PANG Yusi (1．Nanjing Iron and Steel Group Corp．，Ltd．，Nanjing 2 1 0035，China； 2．Beijing Beikederui Metallurgy Engineering＆Technology Co．，Ltd．，Beijing 1 00083，China； 3．School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083，China；4．Xinxing Ductile Iron Pipes Co．，Ltd．，Handan 056000，China) Abstract：Based on relevant actual production practi ce，the centrifugal casting—forming process and heat treatment process for the bimetal composite roll are described．The superiorities of the said roll—casting process are analyzed．And the application resuh of the centrifugally—cast composite roll is compared with those of the rolls made with other manufacturing processes．As a result，it is concluded that the wear—resistant alloy composite roll as made with the bi—liquid metal composite centrifugal casting process has advantages of the two metals，and thus features lower alloy costs，and much longer service span． Key words：bimetal composite roll；crashing roll；centrifugal casting；casting process；heat treatment 四辊焦粒破碎机的破碎辊，作为影响破碎机使 用状况的一个主要构件，必须具备良好的耐磨性和 强韧性，以保证破碎辊在服役过程中不断裂并且有 较长的使用寿命。当破碎辊耐磨性较差时，辊面极 易发生不均匀磨损，出现沟槽，破碎的物料(焦炭) 粒度就会变大，不再符合技术要求，此时就需要更 换破碎辊。 随着新材料的不断开发，焦化行业对焦粒破碎 辊综合性能的要求越来越高。在高磨损环境下，不 叶富明(1967一)，男，工程师，主要从事四辊焦粒破 碎机复合辊的研究。 STEEL PIPE Feb．2014，Vo1．43，No．1 仅要考虑材料本身的机械性能，以满足使用条件下 的压力和温度要求，同时要求材料具有良好的抗磨 损性，以防止环境磨损造成的破坏。在实际生产中 为满足以上这些性能要求，大多数厂家采用添加 cr、Ni、Mo、V、Ti、Nb、W等贵重金属元素合金 化来提高其性能，如何在满足使用环境的要求下， 既能提高破碎辊的耐磨性、延长使用寿命，又能降 低生产成本，是破碎辊用户和生产商共同追求的目 标。最经济高效方法是：采用复合材料辊替代单一 贵金属材料辊。 目前，国内外冶金复合技术在管材方面的应用 较多，而且生产工艺已日趋完善，有些国家还达到 钢管2014年2月第43卷第1期 了专业化生产的水平，产品除满足本国需求外还大 量出口…；但在复合辊方面涉及的制造方法主要还 是镶装复合和堆焊等[2_3]。 镶装复合也称嵌套复合技术，两层金属仅是紧 紧贴覆，仍存在微观间隙，两层金属并没有真正意 义上的结合。在温度变化较大时，由于膨胀系数不 同，内外层间会发生轴向位移，工作过程中也会发 生周向滑动，甚至外层局部脱落，在离心力作用下 造成残余外层飞出，极易造成事故。 堆焊技术，可以生产规格较大的复合辊，但是 (a)外观 由于存在热影响区，层与层之间容易出现未焊合的 区域，影响界面强度，且该工艺的生产效率较低， 制作成本较高。 为了克服上述复合辊生产技术中存在的工艺复 杂、成本高、效果差、生产效率低等问题，采用离 心铸造技术来生产焦粒破碎机耐磨合金复合辊(图 1)，所用复合材料分别为碳钢(内层)和高铬铸铁(外 层)。通过改善过渡层的分布状态和增加过渡层的 厚度来提高耐磨层与基层的结合强度，以期达到提 高复合辊的使用寿命和节约成本的效果。 M'I 剖面 肼 ．． 。 · ． —— 刃 M_J (b)截面 (c)剖面 图1 耐磨合金复合辊示意 1离心铸造双金属复合辊的制备工艺 1．1工艺过程 (1)采用2台独立电炉分别熔炼两种不同的合 金材料。为防止结合层氧化和降低界面结合能形成 稳定的过渡层，外层金属液熔炼完成后，表面撒人 聚渣剂并扒渣，然后在铁液表面覆盖界面保护剂。 (2)将表面覆盖有保护剂并经计算称重或定量 后的外层金属液通过牛角槽通人管模内离心浇铸， 浇铸完成后对管模外壁进行喷水冷却。 (3)待外层金属液内表面温度冷却至外层金属 的固相线温度时，停止管模外壁喷水，同时将计算 称重或定量后的内层金属液通过牛角槽浇入管模内 离心铸造。 (4)内层金属液浇铸完成后继续通过外喷水或 空冷的方式冷却管模外壁，待内层金属液内表面的 温度达到800～1 000 oC时停止管模旋转(同时停止 水冷)，随后进行热处理和机械加工。 1．2材料选择 能稳定形成冶金熔合离心坯的关键技术在于内 外层金属的选取上，应选取各种物理性能参数(尤 叶富明等：离心铸造双金属复合辊的制备及应用 其是热膨胀系数，金属固态、液态收缩率等)相近 的两种金属，以减小他们之间的差异，控制好两者 在铸造过程中的温度梯度、收缩量，也为其随后的 热处理做好准备。比如球墨铸铁的线收缩率为0．8％， 而低铬白口铸铁则为2．1％，这两种金属的线收缩 率相差较大，就不适宜作为冶金熔合的内外层。另 外，需重视内外层金属的熔点或者凝固点，一般选 取高熔点金属作为外层金属，低熔点金属作为内层 金属，以利于形成顺序凝固方式，否则会出现内层 金属先凝固而结合层处的混合金属后凝固，导致结 合层处出现气孔、夹渣、缩孔、缩松等缺陷。 双金属复合辊内外层材质分别选择普通碳钢和 高铬铸铁，其化学成分见表1。 1．3浇铸工艺参数选择 1．3．1管模转速 管模转速是离心铸造的重要工艺参数。管模转 速过低，会在离心铸造时出现金属液“雨淋”现象， 也会使管坯内出现缩松、夹渣、内表面凹凸不平等 缺陷；管模转速太高，管坯易出现裂纹、偏析等缺 陷l4_，且会使机器出现大的振动，磨损加剧，功率 钢管2014年2月第43卷第1期 表l双金属复合辊化学成分(质量分数) ％ 消耗过大，也不利于安全生产。管模转速的选择原 则应是在保证管坯质量的前提下，选取最小的数值。 管模转速的选择主要应考虑以下3个方面的问 题：①保证金属液进入管模后，能迅速充满成型； ②保证获得良好的内部质量，避免出现缩孑L、缩 松、夹杂和气孑L等缺陷；③防止产生偏析、裂纹等 缺陷。管模转速 一般采用下式_5_进行计算： n=29．9、／ (1) 式中G——重力系数； ——内层半径，m。 在生产实际中，液态金属进入管模后，由于惯 性的影响，其转速(或角速度)实际上比管模小。此 外，液体金属的黏度越小，浇铸速度越快及管坯壁 厚越大，保证成型的转速也越大。为了获得组织致 密的铸件，可根据液态金属的重力系数G值来确 定管模的合适转速。因为铸件内表面上的G值为 最小，若已能满足质量要求，则在其他部位的质量 也能得到保证。对于铸钢，重力系数G最小取为 5 1 。根据生产条件可适当调整，但是转速过快容 易形成辊坯端部的壁厚不均，且不利于安全生产。 1．3．2浇铸速度 为保证金属液迅速充满型腔，不产生冷隔、浇 铸不足、卷气等缺陷，浇铸速度不宜过低。同时考 虑到金属液黏度值较小，流量较大时后续金属液会 在首层金属液上滑落，阻碍首层金属液达到与管模 一致的转速，导致产生金属液“雨淋”现象。根据实 际浇铸经验，对于外径为1 200 mm以上的辊选择 浇铸速度为10～20 kg／s。 1．3．3浇铸前管模涂层预热温度 为保证涂料均匀地涂挂在管模的内表面，管模 必须具有一定的预热温度。预热温度过低会造成涂 料流淌，在管模内壁形成“泪痕”，涂挂的不均匀性 更容易产生热裂；预热温度过高，管模容易发生弯 曲变形，不易于拔管甚至造成管模报废，且需消耗 煤气等更多的预热能源。根据实际经验，选择浇铸 前管模涂层预热温度为200 300℃。 1．3．4涂层厚度 涂层太薄，则管模内壁经不住金属液的高速冲 STEEL PIPE Feb．2014，Vo1．43，No．1 刷，且管模内壁长时间受热容易弯曲变形，造成使 用寿命降低甚至管模报废；涂层太厚不利于管坯成 型后的散热，生产效率低下，且造成涂料用量增 大，成本增加。根据实际经验，一般选择涂层厚度 为1．5 2．5 mm。 1．3．5浇铸温度 过高的浇铸温度会降低金属型寿命，也会影响 生产效率；过低的浇铸温度会造成冷隔、外重皮、 不成形等缺陷，因此必须严格控制浇铸温度。 采用钢的熔点近似公式_6]计算钢种熔点： T熔=1 539一∑△ ％ (2) 式中1 539——纯铁熔点， ； AT——钢中某元素含量增加l％时熔点降 低值，℃； ％——该元素质量分数。 考虑到厚壁管坯浇铸充型时间较长，钢包降温 较快，浇铸温度应高于该钢种熔点50～70 。 1．3．6间隔时间的掌握 当内层金属液浇铸较早时则会出现两种金属液 的混熔，浇铸较晚则出现分层。借助经实际校正后 的温度场模拟软件，得出不同边界条件(初始温度、 涂层厚度、浇铸温度、管模转速等)下外层金属液 内表面温度降到其凝固点的时间，作为两层金属液 在该条件下的浇铸间隔时间，列出一系列参数对应 表格以供浇铸时参考，其基本方法详见文献[7]。 对于直径较大、壁厚较厚的复合管坯，由于铸 型中的热输人量大，两次浇铸的金属容易实现冶金 结合。但对于直径小、壁厚较薄的复合管坯，由于 散热快、热输入量小，因此要实现整管的层间冶金 结合非常困难。需要采取一定的措施，在外层金属 液出炉时，向浇包内加入低熔点保护剂，浇铸时保 护剂始终覆盖在外层金属液的内表面，以防氧化， 在进行2次内层浇铸后，第1层内壁上形成的氧化 铁等氧化物被还原成较轻的氧化铝等，保护剂氧化 时产生的热量以及其他余热，将内表面的夹渣二 次熔化，并充分利用离心力的作用，将这些较轻 的杂质浮出于最内层表面，很容易实现层间的冶金 结合。 的工艺过程更简便，材料用量更节省，制造成本更 低，综合性能更高，安全性有保障。 (6)与堆焊工艺相比，离心铸造双金属复合辊 的使用寿命更长。堆焊辊的使用寿命一般只有2～3 个月(破碎焦炭时)，而离心铸造复合辊的使用寿命 为l2个月以上，并减少了停机更换作业时间和人 工费用。 3结论 采用双金属液复合离心铸造工艺和阶梯式热处 理工艺制造的耐磨合金复合辊，兼具两种金属材料 的优点，外层高铬铸铁具有较高的硬度，内层普通 碳钢具有较好的韧性。相对于镶装和堆焊工艺，离 心铸造工艺简化了工艺步骤，降低了生产成本，并 可大幅度提高复合辊的使用寿命，可为生产企业和 用户带来可观的经济效益。 4参考文献 [1]吴凤梧．国外双金属管生产发展现状[J]．钢管，1988， 17(3)：87—89． [2]朱警雷，黄继华，张华，等．硬质合金复合辊环复合工 ●信息 艺的研究进展[J]．粉末冶金技术，2008，26(1)：60— 64． [3]武宏，李文杰．立磨堆焊复合磨辊的开发应用[J]_水泥， 2013(1)：67—68． [4]刘天佑．钢材质量检验[M]．北京：冶金工业出版社， 2004． [5]张伯明．离心铸造[M]．北京：机械工业出版社，1999： 52-55． 『6]中国机械工程学会铸造专业学会．铸造手册：第二卷铸 钢『M]．北京：机械工业出版社，1991：527． 『7]郭明海．厚壁离心管坯轴向裂纹分析及其工艺参数的优 化『D]．西安：西安交通大学，2006． 『8]韩静涛，苗长江，范英俊，等．一种具有冶金结合的金 属复合无缝管的制造方法：中国，200610113270[P]． 2007—04-1 1． 『9]王黎晖，鲍善勤，黄晓斌，等．碱回收锅炉用双金属无 缝钢管的制备方法：中国，200910222747[P]．2011— 05-04． 『10]庞于思，王黎晖．一种具有冶金结合层的双金属复合 无缝管的制造方法：中国，201110232028[PI．2011— 12—14 (收稿日期：2013-07—18) 渤海装备巨龙钢管有限公司成功中标浙江金丽温输气管道工程 渤海装备巨龙钢管有限公司继2013年5月圆满完成浙江省甬台温输气管道工程1．6万t钢管供货之后，又成功中标浙江 省另一重点工程——金丽温输气管道项目，再获1．6万t 813 mm直缝埋弧焊管订单。 金丽温输气管道工程是浙江省天然气管网的重要组成部分，起自浙江省金华首站，途经浙江省金华市、丽水市、温州 市，止于温州末站。管道输送介质为净化天然气，设计年输气量45亿m ，总长度220 km，设计压力6．3 MPa。 (渤海装备华油钢管有限公司 闵祥玲) 中信泰富特钢集团湖北新冶钢有限公司①219 mm CPE顶管机组建成投产 2014年1月28日，中信泰富特钢集团湖北新冶钢有限公司(简称新冶钢公司)O219 mm CPE顶管机组建成投产。 新冶钢公司O219 mm CPE顶管机组项目于2013年7月获批，9月21日动工建设，2014年1月22 Et热负荷试车，从 原生产线0273 mm Assel轧管机组主体设备拆除到0219 mm CPE顶管机组热负荷试车仅用123天。 O219 mm CPE顶管机组的轧制方式不同于新冶钢公司现有的Assel轧管机组，其具有的纵轧、大延伸、高速、高精度 等优点，适合于生产薄壁无缝钢管。该机组的产品规格范围为060 219 mmx4～16 mmx6 000 13 500 mm，主要品种为石油 专用管、高压锅炉管、液压支柱管、机械加工用管等。该机组的建成投产，将填补新冶钢公司薄壁无缝钢管生产的空白。 叶富明等：离心铸造双金属复合辊的制备及应用 (湖北新冶钢有限公司 朱友松) 钢管2014年2月第43卷第1期