способ центробежной отливки массивных биметаллических валков со сплошным сечением

Формула изобретения

Способ центробежной отливки массивных биметаллических валков со сплошным сечением, включающий нанесение на внутреннюю поверхность изложницы теплоизоляционного покрытия, заливку наружного слоя из легированного чугуна во вращающуюся вокруг горизонтальной оси форму, подачу флюса на свободную поверхность наружного слоя, остановку формы и перевод ее в вертикальное положение после затвердевания наружного слоя, заливку внутреннего слоя из серого или высокопрочного чугуна, отличающийся тем, что теплоизоляционное покрытие из цирконовой краски наносят толщиной 0,5-2,9% от толщины наружного слоя валка, флюс подают на свободную поверхность наружного слоя в количестве 2,5-3,5 кг/м², а заливку чугуна внутреннего слоя осуществляют при охлаждении свободной поверхности чугуна наружного слоя до температуры на 15-180°С ниже его температуры солидуса, в количестве 40-70% от массы отливки валка и при температуре чугуна внутреннего слоя, превышающей его температуру ликвидуса на 110-300°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству, в частности к технологии изготовления чугунных сортопрокатных и трубных валков массой более 1 т.

При их изготовлении возникают дефекты в виде расслоений в граничной области двух разнородных металлов, а также появляется неравномерность в распределении твердости (до 10 ед. по Шору) по сечению рабочего слоя валков, что намного снижает их эксплуатационную стойкость.

Известен способ центробежного литья прокатных валков с шейками (SU 1156835 А, B22D 13/00, 23.05.1985), при котором металл внутреннего слоя валка заливается в форму двумя порциями: первая порция составляет 10-15% от массы внутреннего слоя и ее заливают при охлаждении наружного слоя на 20-49°С ниже солидуса после увеличения частоты вращения формы в 1,1-1,15 раза больше номинальной, вторая порция, составляющая 45-50% массы внутреннего слоя, заливается после уменьшения частоты вращения до величины 0,05-0,20 от номинальной и перевода формы в наклонное под углом 30-45° состояние, а заливку оставшейся части внутреннего слоя производят после перевода формы в вертикальное положение и ее останова.

Недостатком указанного способа является прерывистость заливки внутреннего слоя в различные периоды времени, что ведет к усиленному окислению внутренней поверхности залитого металла в интервале между заливками, окислению струи металла и появлению неметаллических включений в виде окислов и резкому падению температуры металла в ковше, что также сопряжено с появлением в отливке неслитин и др. видов дефектов.

Известен способ центробежной отливки тонкостенных длинномерных заготовок (SU 1316747 AI, B22D, 15.06.1987), в котором наряду с заливкой жидкого металла во вращающуюся форму с заданной скоростью используется теплоизоляционное покрытие в виде цирконовой краски с термическим сопротивлением 0,01-0,02 м²К/Вт. Применительно к стальной отливке с толщиной стенки 10 мм рекомендуемая толщина слоя краски составляет 2 мм.

И если при изготовлении тонкостенных заготовок такая толщина краски может быть использована при сравнительно низкой прочности к истиранию 0,4 кг/мм по сравнению с требуемой 1,0-2,0 кг/мм по ГОСТ 10772-78, то при изготовлении массивных заготовок, заливаемых во вращающуюся форму под напором мощной струи металла и высоких скоростей заливки, такой слой краски смывается.

Наиболее близким к заявляемому является способ центробежной отливки биметаллических чугунных заготовок (RU 2117548 C1, B22D 13/00, 19/16, 20.08.1998), отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность изложницы наносят слой теплоизоляции толщиной 3,0-7,0% от толщины наружного слоя металла и флюс в количестве 1,5-2,5% от массы чугуна наружного слоя, а заливку второго металла производят при установлении температуры наружного слоя на 50-100°С ниже температуры его затвердевания.

Недостатком представленного способа является наличие толстого слоя теплоизоляции при изготовлении массивных заготовок, например 7 мм покрытия при толщине наружного слоя 100 мм, что вызывает появление пригара, бугристости на поверхности отливок, смывание покрытия при заливке металла, ухудшение структуры и свойств рабочего слоя валка из-за высокого теплового сопротивления теплоизоляционного покрытия. Наряду с этим повышаются припуски на механообработку бочки валка.

Введение флюса в зависимости от массы наружного слоя чугуна в количестве 1,5-2,5% способствует повышенному его расходу и поэтому загрязнению граничной области между двумя разнородными металлами частицами флюса, снижению прочностных характеристик в этой области и появлению расслоений.

Возникновение брака отливок от чрезмерного количества флюса связано с тем, что его рекомендуемое по прототипу количество зависит от массы чугуна наружного слоя, а не размеров площади его внутренней (свободной) поверхности, которую необходимо защитить от окисления и теплопотерь.

В связи с этим возникает противоречие в рекомендациях прототипа по количественному вводу флюса, т.к. с повышением массы наружного слоя валка масса флюса увеличивается, хотя при этом она должна уменьшаться из-за уменьшения площади внутренней поверхности наружного слоя.

Заливка второго металла при температуре наружного слоя на 50-100°С ниже температуры его затвердевания не является определяющим фактором, если не принято во внимание соотношение масс отливки и внутреннего слоя металла, а также его температуры заливки.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в устранении указанных недостатков, повышении качества отливок и уменьшении спада твердости по сечению рабочего слоя сортопрокатных валков, обеспечении гарантированной прочности в зоне соприкосновения двух разнородных металлов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе центробежной отливки массивных биметаллических валков со сплошным сечением, включающем нанесение на внутреннюю поверхность изложницы теплоизоляционного покрытия, заливку наружного слоя из легированного чугуна во вращающуюся вокруг горизонтальной оси форму, подачу флюса на свободную поверхность наружного слоя, остановку формы и перевод ее в вертикальное положение после затвердевания наружного слоя, заливку внутреннего слоя из серого или высокопрочного чугуна, теплоизоляционное покрытие из цирконовой краски наносят толщиной 0,5-2,9% от толщины наружного слоя валка, флюс подают в количестве 2,5-3,5 кг на квадратный метр свободной поверхности наружного слоя, а заливку чугуна внутреннего слоя осуществляют при охлаждении свободной поверхности чугуна наружного слоя до температуры на 15-180°С ниже его температуры солидуса, в количестве 40-70% от массы отливки валка и при температуре чугуна внутреннего слоя, превышающей его температуру ликвидуса на 110-300°С.

Применение цирконовой краски, наносимой на внутреннюю поверхность изложницы толщиной 0,5...2,9% от толщины наружного слоя отливки, обеспечивает необходимую прочность к истиранию, а также необходимое термическое сопротивление при интенсивном охлаждении рабочего слоя валков, что способствует измельчению структуры, повышению твердости и уменьшению ее спада по сечению отливки.

В связи с этим пригар и бугристость на поверхности отливки исчезают и припуски на механообработку поверхности отливок по сравнению с песчаным покрытием толщиной слоя 7 мм значительно (в 3-5 раз) сокращаются.

При введении цирконовой краски на внутреннюю поверхность изложницы толщиной меньше 0,5% от толщины рабочего слоя валка на поверхности отливки наблюдаются поверхностные трещины, а при введении более 2,9% уменьшается прочность краски к истиранию и происходит ее смывание при заливке металла и как следствие появление трещин в отливке из-за неравномерного теплоотвода.

Повышение прочности соединения наружного и внутреннего слоев валка зависит от теплопотерь с внутренней поверхности наружного слоя, состояния его окисленности, температурных условий, а также от количества тепла, вносимого массой внутреннего слоя.

При литье массивных заготовок с толщиной стенки выше 30 мм все эти факторы во многом зависят от защиты внутренней поверхности заготовки теплоизолирующими веществами, вводимыми на его поверхность различными способами.

В качестве такого вещества предлагается флюс, который вводится во вращающуюся форму в количестве 2,5-3,5 кг на квадратный метр внутренней поверхности наружного слоя отливки.

При снижении количества флюса менее 2,5 кг на квадратный метр внутренней поверхности наружного слоя появляются окислы и наблюдается встречный фронт кристаллизации, что ведет к несвариванию слоев.

При повышении количества флюса сверх 3,5 кг на квадратный метр внутренней поверхности наружного слоя возникают загрязнения от его частиц в граничной области соприкосновения двух металлов.

Прочному соединению двух разнородных металлов способствует подплавление зоны металла свободной поверхности наружного слоя глубиной 8-10 мм с учетом дальнейшего всплывания частичек флюса и неметаллических включений в прибыльную часть отливки с вводом металла внутреннего слоя.

Эффективность этого процесса определяется разностью температур между заливкой внутреннего слоя и температурой его солидуса, а также массой заливаемого металла в соответствии с равенством:

Q=M·c(t_зал-t_лик ) Дж,

где Q - количество теплоты, выделяемое металлом внутреннего слоя, Дж;

М - масса расплавленного чугуна, кг;

с - удельная теплоемкость чугуна, Дж/кг·°С.

Опыты показали, что необходимое подплавление зоны свободной поверхности наружного слоя происходит при величине массы внутреннего слоя в количестве 40-70% от массы отливки валка и при температуре чугуна внутреннего слоя, превышающей его температуру ликвидуса на 110-300°С.

При уменьшении температуры заливки внутреннего слоя ниже 110°С его температуры ликвидуса наблюдается несваривание слоев, а при увеличении выше 300°С происходит размывание металла наружного слоя и переход карбидообразующих элементов во внутренний слой, что приводит к повышению твердости и затруднениям при механической обработки шеек валка.

Необходимая масса внутреннего слоя в количестве 40-70% от массы отливки валка повышает эффективность прочного соединения двух металлов.

При содержании жидкого чугуна внутреннего слоя массой менее 40% от массы отливки валка происходит несваривание слоев, а при более 70% наблюдается переход карбидообразующих элементов во внутренний слой жидкого чугуна и повышение его твердости с появлением трещин.

Заливку чугуна внутреннего слоя осуществляют при охлаждении чугуна наружного слоя до температуры на 15-180°С ниже его температуры солидуса, что позволяет расплавить дефектный слой на свободной поверхности затвердевшего наружного металла толщиной 8-10 мм и обеспечить прочное сваривание двух металлов с различным химическим составом.

При значении температуры свободной поверхности наружного слоя ниже 15°С температуры его солидуса наблюдается переход карбидообразующих элементов во внутренний слой и появление трещин, а выше 180°С происходит несваривание слоев.

В таблице отражено качество массивных биметаллических валков со сплошным сечением, полученных по предложенному способу.

Качество массивных биметаллических валков в зависимости от основных технологических характеристик
№ п/п	Отношение толщин слоя краски к наружному слою валка, %	Количество флюса, кг/м2	Понижение температуры свободной поверхности наружного слоя валка по отношению к солидусу, °С	Отношение массы металлов внутреннего слоя к наружному, %	Превышение температуры металла внутреннего слоя над ликвидусом, °С	Характеристика качества металла валка
1	0,4	2,5	15	60	120	Поверхностные трещины
	3,0	3,5	180	70	300	Трещины
2	0,5	2,4	15	40	120	Несваривание слоев
	2,9	3,6	180	70	300	Загрязнения в зоне сваривания
3	0,5	2,5	15	40	100	Несваривание слоев
	2,9	3,5	180	70	310	Повышение твердости внутреннего слоя
4	0,5	2,5	15	30	110	Несваривание слоев
	2,9	3,5	180	80	300	Трещины
5	0,5	2,5	10	50	110	Трещины
	2,9	3,5	190	70	300	Несваривание слоев
6	0,5	2,5	15	40	110	Прочное сваривание и минимальный спад твердости (2 ед. HSD) по сечению рабочего слоя
	1,6	3,0	80	50	200
	2,9	3,5	180	70	300

Пример осуществления предлагаемого способа

Способ опробован в производственных условиях ЗАО «Магнитогорский ремонтный комплекс» при отливке сортопрокатного биметаллического валка диаметром и длиной бочки 450×900 мм, предназначенного для сортопрокатного стана «300» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат». Наружный (рабочий) слой валка отливали из чугуна следующего состава, %: С=3,15, Si=0,70; Mn=0,80; Cr=1,51; Ni=4,20; S=0,015; P=0,05.

Внутренний слой валка имел следующий химический состав, %: С=3,20; Si=2,15; Mn=0,75; Cr=0,21; Ni=0,61; Mg=0,04; S=0,02; P=0,04.

В процессе плавки с помощью термографического анализа с использованием компьютерного устройства «ЛИТИС» определяли температуру ликвидуса и солидуса наружного и внутреннего слоев. По данным указанного анализа температура ликвидуса и солидуса наружного слоя составляет соответственно 1225°С и 1130°С, а температура ликвидуса и солидуса внутреннего слоя - соответственно 1230°С и 1150°С.

Масса заготовки валка составляла 1950 кг, масса рабочего слоя - 1100 кг (толщина слоя 100 мм). Масса внутреннего чугуна - 850 кг (45% от массы металла исходной заготовки).

Перед заливкой наружного слоя валка изложнице придавали вращение с частотой 600 об/мин.

На внутреннюю поверхность вращающейся изложницы наносили слой теплоизоляционного покрытия из цирконовой краски толщиной 1,6 мм, что составляло 1,6% от толщины наружного слоя чугуна.

Во вращающуюся изложницу заливали чугун наружного слоя толщиной 100 мм при температуре 1360°С.

После заливки металла продолжительностью 55 с в форму вводили порошкообразный флюс, который под действием центробежной силы как более легкий с удельным весом 1,5 кг/см ³ всплывал на внутреннюю поверхность и защищал зеркало металла от теплопотерь, обеспечивая одностороннюю кристаллизацию рабочего слоя.

В процессе кристаллизации наружного слоя чугуна производили замер температуры ее внутренней поверхности с помощью оптического пирометра IMPAC-1S-140, с точностью 0,3%, установленного на штативе и направленного на зеркало металла через отверстие в передней крышке изложницы,

После затвердевания наружного слоя изложница переносится из центробежной машины в кессон и устанавливается в вертикальное положение, а к ней подводится заливочная воронка.

По достижении на кривой охлаждения температуры внутренней поверхности наружного слоя 1100°С, т.е. на 30°С ниже его температуры солидуса, производили заливку внутреннего слоя металла.

Заливка внутреннего слоя металла производилась при температуре 1490°С, что на 265°С превышает его температуру ликвидуса. Продолжительность заливки составила 40 с.

После выдержки отливки в форме в течение 20 часов ее извлекли из формы и направили на очистку, термическую и механическую обработку.

Оценка качества металла биметаллического валка производилась с помощью металлографических исследований на образцах кольцевой пробы с применением оптической, электронной и эмиссионной микроскопии.

Твердость на глубине рабочего слоя определяли на сегментах кольцевой пробы, вырезанных с дальнего от заливки торца бочки в соответствии с ГОСТ 9013-59.

Для оценки прочности соединения наружного и внутреннего слоев и выявления дефектов в этой зоне применяли дефектоскоп УД 9812.

Измерение содержания аустенитной фазы и мартенсита проводили с помощью ферритометра "Feritscop МР-30".

По всем показателям качество валка соответствовало техническим условиям на поставку.

Спад твердости по сечению рабочего слоя валка на глубине 100 мм составлял 2 ед. по HSD, т.е. оказался минимальным по сравнению с традиционной технологией изготовления в стационарную форму (8-10 ед. по HSD).

Прочность соединения двух металлов по показаниям металлографического анализа проб и 100% ультразвукового контроля полностью удовлетворяла техническим условиям.

Таким образом, предложенный способ центробежной отливки массивных биметаллических валков со сплошным сечением позволяет обеспечить в промышленных условиях прочное соединение двух разнородных по химическому составу металлов и равномерное распределение твердости металла с минимальным спадом по сечению рабочего слоя, что является залогом успешной эксплуатации валков на прокатных станах.