冶炼离心轧辊铸造设备的制造工艺与设计

摘要：在轧钢生产的过程中，轧辊是一个必不可少的消耗设备，对轧机的工作效率、轧材的质量等都有较大的影响。离心复合铸铁辊作为轧钢生产过程中的一个主要设备，在推广应用的过程中，有效的提高了轧钢的生产效率，但是仍然有一定的问题存在。基于此文章对冶炼离心轧辊铸造设备的制造工艺和设计进行探讨。

关键词：冶炼离心轧辊；设备制造；工艺与设计

中图分类号：TG249 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）08-0016-03

1 案例简介

离心铸造是一种综合性比较强的铸造方法，每年我国使用离心铸造的方法生产的铸件在323万吨以上，在铸件生产中有着非常重要的地位。某钢铁公司由于增加新的生产线，对D390离心轧辊的需求量增加，需要增加规格更大的离心铸造设备生产离心轧辊，设计人员要通过设计来得到离心轧辊铸造设备。

2 离心轧辊铸造的优缺点和作业原理

2.1 离心轧辊铸造的优缺点

离心轧辊铸造主要是使用旋转来产生离心力，有着其他铸造工艺不具备的优点，具体如下：（1）一些部件不需要浇冒口，有效的提升了金属液的使用效率；（2）不需要使用砂芯就可以铸造出环形和空筒形的铸件，同时也可以生产出长度和直径不同的铸管，具有良好的生产效率，生产成本也不高；（3）在离心力的作用下，金属液凝固后，质地细腻；（4）可以浇筑出不同的双金属铸件。不过在使用过程中也有一定的局限性，比如离心铸早需要结构相对复杂的铸造件，价格比较贵，离心铸造设备的投资要比较高。所以对离心轧辊铸造设备进行自行设计是很有必要的。

2.2 离心轧辊铸造的作业原理

离心铸造指的是将金属液浇入到正在旋转的铸型中，在受到离心力时，会凝固成所需的固件，属于一种比较特殊的铸造形式，根据铸造方法的不同，可以将离心铸造分成立式离心铸造和水平离心铸造两种。在生产离心式轧辊的时候，一般使用水平离心铸造的方法进行生产，在制作的过程中，会先将离心设备上放入铸型中，在托轮的带动下铸型会进行旋转，在铸型的转速达到规定的转速后，将铁液浇入，在离心力的作用下，铁液会变成铁壳，然后在规定的时间内，降低铸型的转动速度直至停止，对上下型腔和吊下铸型进行组合，将铁液向内进行浇筑，最后完成离心轧辊的浇筑。如图1所示。

图1 离心轧辊铸造设备的作业原理

3 新型轧辊产品的规格

此钢铁公司设计的离心轧辊铸造设备可以生产的轧辊的规格如表1所示，按照轧辊最高设计规格为D755*425为基础，对理论进行计算。

4 设计离心轧辊设备的方法

离心铸造设备在设计的过程中，主要需要设计动力驱动系统、浇注系统、防护系统、托轮组等。

4.1 设计离心轧辊设备的托轮组

在离心式轧辊铸造设备中，托论组的主要是用来对铸型进行支撑和驱动，共有从动托轮和主动托轮两个部分构成。在设计时，需要考虑以下几个方面的内容。（1）选用合理的托轮材料。由于在铸型生产的过程中，托轮会和铸型产生比较强烈的滚动摩擦。因此，选用的托轮材料要有良好的韧性、抗冲击性和耐磨性，本设备使用42GrMo来进行托轮的制作。（2）选取合理的托轮宽度和直径。在离心轧辊铸造设备作业的过程中，输出速率受托轮直径的影响比较大，另外，托轮的宽度会对铸型旋转的平稳性造成较大的影响，根据相关的经验参数以及轧辊的具体规格，将托辊的大小确定为D655*125。（3）确定托轮组的平衡精度。由于对托轮组各个零件进行加工的过程中，会有一定的误差存在，在快速旋转的过程中，会有比较大的偏心力，对托论组的旋转平衡造成较大的影响，所以要确定托轮组的平衡精准度，经研究决定本离心轧辊主要设备托轮的平衡精准度为G6.3级。（4）计算主动轴和从动轴的强度。利用带轮或者接手，可以使电机向主动轴输出133kw的功率，将主动轴工作的转速确定为994r/min，电动机向主动轴的外力偶矩Tmax为：

使用40Cr进行主动轴和从动轴的制作，根据强度对轴的最小直径进行计算得到：

在公式中，轴的许用扭转强度[t]=46MPa。由于键槽会削弱轴径，需要将轴径提高5μ，将安全系数确定为s=1.5，轴的最低直径D=105mm。

4.2 设计动力驱动系统

在设计动力驱动系统的时候，主要需要设计控制电路，计算电机功率。在铸造D755*D425的离心轧辊时，经计算得出铸型的转动速度为n=490r/min，铸型的转矩为T=2253N.m，经计算电机的功率为128.54KW。根据标准化，经电机的功率确定为133kw，为了保证在生产过程中，离心速度处于最佳状态，使用直流变频调速式电机进行制造，并将自动减速设备安装到电机上，将电机的转动速度控制在0～1450r/min。

4.3 设计防护系统

为了防止轧辊制造设备在工作的过程中，钢液和铸型在高速旋转的状态下飞溅出来，对人造成伤害，要求设备在完全封闭的环境下进行作业。因此需要设计防护系统。一般情况下防护系统主要是由两个钢材质的防护罩构成，施工轨道的方法进行移动，在生产的过程中，可以先打开防护罩，然后将铸型放入，最后合上防护罩，将浇筑完成。

4.4 支撑脚的设计

为了保证铸型旋转的平稳性，要根据铸型的直径确定被动托轮和主动托轮之间的间距，要使托轮中心线和铸型中心线之间的夹角为90°～120°之间，当夹角过低时，对驱动电动机的功率要求不高，不过会因为铸型的圆度导致径向圆跳动过大，如果夹角过大，铸型圆度会使径向圆跳动较小，运行相对来说也比较稳定，不过随着两托轮对铸型的夹持力不断提高，电动机转动的功率也会随之证据，经研究决定，此次设计使用的夹角度数为120°。

4.5 选择合理的主动轴电机的连接方法

在铸造离心轧辊的时候，在将铁液浇注到高速旋转的铸型时，如果使用皮带轮进行连接，铁模的转动速度很容易因为皮带打滑而降低，金属液会因为离心力过低，从铸型中遗漏出来，引发事故。所以，最好使用联轴器对大型离心铸造设备进行连接，通过对不同联轴器的性能进行对比，齿式联轴器可以符合离心铸造工艺的基本要求，根据相关的参数联轴器可以使用GICL7型鼓形齿式联轴器，联轴器的需用转速为2685r/min，公称转矩10000N.m。需用径向的位移为4.8mm。

4.6 设计轴承座和轴承

以往多是使用精准度比较高、间隙比较小的轴承对离心机的轴承进行更换，但是在实际应用的过程中，效果并不理想。经过试验发现，使用游隙在0.21mm左右的轴承具有使用年限长，振动小的优点。在对轴承座进行设计时，使用水冷式轴承座。使用空腔结构取代轴承座的内腔结构，在设备运行的过程中，可以使用循环水将多余的热量带走，有良好的降温效果，延长了轴承的使用时间。

4.7 设计浇注系统

在对浇注系统进行设计的时候，要根据下面几个方面的要求进行设计：（1）为了便于操作人员进行观测和操作，设备浇注系统和铸型之间要可以互相移动。（2）规格不同的轧辊设置的浇注中心的高度也是不同的，要保证浇筑杯调节的快捷性和方便性，根据工艺的具体要求，将系统设计成轨道式移动小车浇注系统，具有非常良好的使用效果。

5 离心轧辊铸造设备实际运用

离心轧辊设备在投入使用后，检测证明离心铸造设备生产的贝氏体离心轧辊基体组织中贝氏体的含量在61μ以上，离心轧辊的工作层没有出现比较明显的合金偏析情况。设备在投入使用半年后，离心铸造设备在产生贝氏体离心轧辊的时候，振动幅度比较平稳，没有出现一些比较大的铸造缺陷，检查贝氏体离心轧辊工作层也没有出现剥落、夹渣、掉块的情况，设备符合使用的基本要求。

6 结语

经过实践证明，使用新制作的离心轧辊铸造设备符合离心轧辊生产的轧辊符合基本的工艺要求，设备在工作的过程中也比较稳定。通过自行设计和制作离心轧辊铸造设备，有效的节约了企业的资金，同时也为轧辊铸造设备的设计和制作提供了宝贵的经验，值得被推广应用。

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作者简介：金勇（1981―），男，云南景谷人，十四冶建设集团有限公司机械工程师，研究方向：冶炼机电设备制造安装。