（机械工程专业论文）轧辊铸造专用离心浇注机的研制开发.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 近年来市场对离心铸造轧辊的需求快速增长。离心机是生产离心轧辊的主要设备， 要求具有良好的自动控制性能，准确的停机时间，有效的减振防振能力。本研究在继承 原有离心机合理设计的前提下，依据理论计算和维修经验，重新改进、设计、制造、安 装和调试了一台新的大型轧辊铸造专用离心浇注机。 离心机的设计涉及到土建、电气自动化、机械设计、流体力学等各专业知识，在本 次研发中由不同技术人员分别承担相应工作，本人担任整个设计的组长，并主要承担处 理减振和提高重力倍数方面的综合优化的任务，同时提出将红外测温应用于轧辊铸造温 度监测。本文对轧辊专用离心机的整体研发设计思想进行了介绍，重点阐述了如何通过 基础设计、底板设计、轴承选择、润滑脂选择、托轮的选择来降低振动；通过对主电机、 控制系统及其附件的设计选型提高重力系数；红外测温仪的选择安装及使用效果分析三 个方面。本研究首创离心机水冷轴承座的设计，为今后解决大吨位高速离心机轴承冷却 问题提供了良好借鉴，综合性的优化设计使离心机减振效果达到了预期目标。本设计增 加了温度监测系统，改变了以往依靠人工判断轧辊温度的方法，在温度精确监测的基础 上实现了离心机的自动控制。 关键词：轧辊专用离心机；减振：重力系数；红外测温 轧辊铸造专用离心浇注机的研制开发 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h es p e c i a lp u r p o s ec e n t r i f u g a lc a s t e ri n r o l lc a s t i n g a b s t r a c t t h em a r k e td e m a n d sf o rc e n t r i f u g a lc a s t i n gr o l lh a v eb e e nr a p i d l yg r o w i n gi nr e c e n ty e a r s c e n t r i f u g ei st h em a i ne q u i p m e n ti np r o d u c i n gc e n t r i f u g a lr o l l s ，s og o o da u t o m a t i cc o n t r o l p e r f o r m a n c e ，d o w n t i m ea n da c c u r a t ea n de f f e c t i v ea n t i v i b r a t i o nc a p a c i t ya r ev e r yi m p o r t a n t i nr e s p o n s et ot h i sr e a l i t yr e q u i r e s ，t h i sr e s e a r c hi n h e r i t st h er a t i o n a ld e s i g no fc e n t r i f u g e ，a n d w eh a v ei m p r o v e d ，d e s i g n e d ，m a n u f a c t u r e da n di n s t a l l e dan e wl a r g e - s c a l es p e c i a lc e n t r i f u g a l c a s t i n gm a c h i n eu s e di nr o l lc a s t i n gw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa n dp r a c t i c a le x p e r i e n c e t h ed e s i g no ft h ec e n t r i f u g e c a s t i n gm a c h i n er e f e r s t oc i v i l e n g i n e e r i n g ，e l e c t r i c a l a u t o m a t i z a t i o n ，m e c h a n i c a ld e s i g n ，f l u i dd y n a m i c sa n ds oo n i nt h ep a p e r ，d i f f e r e n te n g i n e e r s h a v eu n d e r t a k ec o r r e s p o n d i n gw o r kr e s p e c t i v e l y ，a n dih a v ea c ta sad i r e c t o r ，a tt h es a m et i m e ih a v ef i n i s h e dt h eo p t i m u md e s i g no fv i b r a t i o nr e d u c t i o na n dg r a v i t ym o d u l u se n h a n c e m e n t ， a n dt h ei n f r a r e dt e m p e r a t u r ed e t e c t o ri sa p p l i e dt om o n i t o r i n gt h er o l lc a s t i n g t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ed e s i g ni d e a so ft h ec e n t r i f u g a lc a s t e ri nr o l lc a s t i n g ，a n dm a i n l yd i s c u s s e st h r e e a s p e c t s f i r s t l y ，h o wt h eb o a r d f o u n d a t i o n ，b e a r i n g ，g r e a s e ，s u p p o r t i n gr o l l e ra r ec h o s et o r e d u c ev i b r a t i o n s e c o n d l y ，h o wt h eg r a v i t ym o d u l u si sa d v a n c e da c c o r d i n gt ot h er i g h t c h o i c ea n dd e s i g no ft h em a j o re l e c t r i cm o t o r ，c o n t r o ls y s t e ma n di t sa c c e s s o r i e s f i n a l l y ， w h i c hi n f r a r e dt e m p e r a t u r et e s ti su s e dt ot h em a c h i n ea n di t se f f e c ti sa n a l y z e d t h ed e s i g n t h a tt h ew a t e r - c o o l i n gb e a t i n gi su s e di nt h ec e n t r i f u g ec a s t i n gm a c h i n ei sf i r s t l yp r e s e n t ，a n d i tp r o v i d e sag o o dr e f e r e n c et os o l v et h ec o o l i n gp r o b l e mo ft h el a r g eh i g h s p e e dc e n t r i f u g e b e a r i n g s t h ee f f e c to fv i b r a t i o nr e d u c t i o ng e t st h ee x p e c t e de f f e c tt h r o u g ht h eo p t i m u m d e s i g n t h et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e mi su s e dt or e p l a c et h ea r t i f i c i a lm e a n st oj u d g et h e t e m p e r a t u r eo fr o l l ，a n dt h e nw ea c h i e v et h ea u t o m a t i co p e r a t i o no ft h ec e n t r i f u g e k e yw o r d s ：t h es p e c i a lp u r p o s ec e n t r i f u g a lc a s t e ri nr o l lc a s t i n g ； v i b r a t i o n r e d u c t i o n ；g r a v i t ym o d u l u s ；i n f r a r e dt e m p e r a t u r et e s t i i 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：一2 q q 里年12 月上日 日期：2q q 2 年! 至月上日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 轧辊是轧钢厂轧钢机上的重要零件，利用一对或一组轧辊滚动时产生的压力来轧碾 钢材。它主要承受轧制时的动静载荷、磨损和温度变化。随着轧钢技术的发展，轧机速 度和自动化程度不断提高，对轧辊质量特别是轧辊的耐磨性、强度及韧性等提出了更高 的要求。 轧辊种类按成型方法可分为铸造轧辊和锻造轧辊。上世纪5 0 年代用于轧钢的轧辊 主要采用的制造方法是锻造，此后由于锻造成本高，加上铸造技术的不断提高，铸钢轧 辊得到发展，几乎包含了所有锻造可生产的材质。7 0 年代高强度铸铁的出现，铸铁轧辊 又迅速替代铸钢轧辊，锻钢轧辊所剩无几。 轧辊按工艺方法的不同可分为整体轧辊、复合轧辊和组合轧辊。轧辊整体铸造是金 属型铸造，使用球墨铸铁制造铸型，并在重力下将熔融金属浇入铸型获得铸件的工艺方 法。由于一副金属型可以浇注几百次，故金属型铸造又称为永久型铸造“3 。 复合铸造是指采用不同浇注方法使轧辊外层和芯部获得不同材质，这种复合材质轧 辊辊面硬度高、耐磨、耐热裂性能好，而辊心韧性好、强度高、抗断裂性能好，既符合 轧钢要求，又节约贵重合金原料。冶金复合铸造轧辊主要有半冲洗复合铸造、溢流( 全 冲洗法) 复合铸造、离心复合铸造三种。离心复合铸造为轧辊主要生产方法。 在国外，1 9 3 2 年德国就己经研制出离心复合铸铁轧辊，但直到近二三十年才大量生 产和使用。日、美、英、法、德、瑞典和比利时等国都在6 0 年代或7 0 年代初开始安装 离心浇注机，大规模生产离心复合轧辊，发展十分迅速。目前，国外宽带钢、钢管、万 能型钢和线材等轧机上普遍使用离心复合轧辊。日本大部分中厚板轧机工作辊也用离心 方法浇注。日本淀川制钢所早在1 9 7 5 年就己生产出净重6 0 t 的离心复合铸铁轧辊，用 作厚板轧机工作辊。 在国内，太钢轧辊厂和北京钢铁研究院于1 9 7 4 年开始离心复合冶金轧辊的研究， 1 9 8 0 年通过鉴定圈。从1 9 8 0 年以来，国内众多科研单位高等院校和企业开展了离心铸 造复合轧辊的研究，获得了满意的效果。我国自己生产的离心复合轧辊，在武钢、宝钢 和上钢二厂等地取代进口轧辊，使用寿命达到并超过国外进口轧辊，部分还出口国外口1 。 鞍钢重机轧辊厂1 9 8 7 年开始研究生产离心复合冶金轧辊。 轧辊专用离心机主要有卧式、立式及倾斜式三种，欧洲多是立式，有少数卧式；美 国多是卧式，也有部分立式；日本主要是倾斜式，少数卧式。我国在8 0 年代中期以前 以卧式为主，近几年立式发展较快。值得注意的是，近年来角度可变式离心机的研制也 引起了轧辊界的重视，它是以适当的角度同时浇入外层和辊芯材料，这种离心机由于结 轧辊铸造专用离心浇注机的研制开发 构的特点，可使模具自动找正，使重心偏移量最小，降低了对模具和机械制造精度的要 求。 各种离心铸造复合轧辊制造方法的优缺点随着技术的进步也在变化。北京钢铁设计 研究总院和北京轧辊厂合作研制悬垂式离心机，这项工作从1 9 7 6 年6 月份开始，在同 年年底完成小型模拟试验，证明这种机构原理是可行的，并且用模拟试验机浇出可浇 8 0 的微型复合铸铁轧辊。1 9 7 9 年l o 月成功设计制造最大辊径为4 2 0 m m 的线材轧机离 心浇注机。这种离心机将传统的下部传动改为上部摩擦传动，使所需的地坑深度大大降 低，使立式离心法的缺点得以改善。所以各种方法都可能会不断完善，重要的是结合自 己的特点来选择工艺，发展我国独特的离心铸造复合轧辊技术。 鞍钢重机轧辊厂1 9 7 5 年经冶金部批准与东北大学( 原东北工学院) 联合设计6 5 0 立式离心机，1 9 7 6 年1 1 月完成，但未能实施制造。1 9 8 7 年与鞍钢集团公司设计院联合 设计中4 0 0 线材立式离心机( 现已报废拆除) 和6 5 0 卧式离心机( 即l # 离心机) ，并 于1 9 8 8 年投入使用。1 9 9 3 年由于轧辊规格不断加大，又与鞍钢集团公司设计院联合设 计8 0 0 卧式离心机( 即2 # 离心机) ，2 0 0 2 年由于中板和宽厚板轧辊生产的需要，与鞍 钢重型机械设计研究院( 原鞍钢机械制造总公司设计院) 联合设计11 0 0 卧式离心机( 即 3 # 离心机) 。至此鞍钢重机轧辊厂离心机涵盖了直径4 5 0 - - - 1 l o o m m ，重量1 5 一- - 4 5 吨 的轧辊生产。 现有离心机基本技术参数如下： 2 # 离心机设备精度差、振动大、设备运行不平稳，导致离心机作业故障频繁。离心 设备能力的瓶颈，制约了生产规模的扩大。用于生产中等型号轧辊的2 # 离心机在设计时， 选用轴承的极限转数为6 7 0 转分钟。因此在进行各方面的设计时，均参照于此参数校 核，升转空间较小，制约了生产。 从设备负荷来看，鞍钢重机轧辊厂各类离, o s l 辊定货基本占全年轧辊定货量的6 0 。 离, o s l 辊生产由于轧辊直径与辊身长度限制，仅有2 # 离心机适合热轧类离心轧辊生产， 集中度达8 0 ，即1 2 0 0 0 吨年，约1 5 0 0 支年，日产4 - 5 支。离心机生产单支轧辊各工 序时间总计约为3 小时，即日工作时间1 2 1 5 小时，在工作状态下，浇注1 支轧辊后， 大连理工大学专业学位硕士学位论文 由于辐射热和轴承摩擦热的作用，2 # 离心机轴承座内部的温度达到6 0 以上，对于轴承 的工作状况已经产生了不良影响，若长期工作，将导致轴承的损坏。所以离心机最多可 连续生产2 支轧辊，中间停机2 小时。由于单机超负荷作业，经常因故障耽误生产。 从设计方面来看，存在诸多设计缺陷。基础的设计存在缺陷，当托轮的转数达到6 5 0 转时，由于冷型( 5 2 0 转分钟以上) 的转动频率接近基础的固有振动频率的0 7 5 - 1 2 5 倍，将产生共振，使得设备的振动加剧，直接导致模具的激烈振动，使生产无法进行。 现鞍钢重机轧辊厂选用的瓦轴轴承极限转数可达8 5 0 转分钟，日本轴承的极限转数为 9 0 0 转分钟，但实际的工作转数却只是限制在7 0 0 转分钟以下。 鞍钢重机轧辊厂拟研制生产镍铬钼加强型轧辊、高速钢材质轧辊工艺技术方案已经 通过了论证，相关的工具、工装已基本设计完成，要求离心机重力倍数要达至u 9 0 g 、轧 辊浇注要有智能化控制装备、离心机振动要小。 目前外层铁水无温度监控装置，轧辊生产中，离心机停机时间全凭操作者的生产经 验，用肉眼观察旋转铁模内金属层的颜色变化来判断铁水温度决定，由于外部条件变化 经常作出错误的判断。特别是在试制新品种轧辊时，试制轧辊的成分、尺寸发生变化，又 无经验可鉴，更容易导致失败很大程度制约了科研产品开发工作的进行。 要开发生产具有高性能离心轧辊，加快产品质量档次的提高，做大高技术含量产品， 减少因设备振动带来的产品质量缺陷，稳定离心产品质量生产，轧辊厂新上一台具有设 备精度精良、转速高、振动小、运行平稳、智能监控与检测装置配置齐全的离心铸造机 势在必行。 本研究在继承原有离心机合理设计的前提下，依据理论计算和二十多年的维修经 验，重新改良、设计、制造、安装、调试投产了一台新的大型轧辊铸造专用离心浇注机。 离心机的设计包含土建、电器自动化控制、机械设计与传动、流体力学等各专业，所以 在设计制造中成立了土建工程组、机械设计组、电器自动化设计组，各分组负责相关设 计计算，本人是整个设计的总组长，并主要负责设计中减振和重力系数提高方面综合优 化，同时将红外测温应用于轧辊铸造温度监测。 轧辊铸造专用离心浇注机的研制开发 1轧辊发展趋势及离心轧辊概述 1 1 轧辊需求分析 随着国民实力的不断提高，钢铁工业得到了飞速发展。我国钢铁产量从“九五”到 “十五，五年多时间由2 亿吨钢发展到4 亿多吨钢，钢材品种也由传统条类钢为主， 转为以板带为主。热轧板带轧机由传统3 4 连轧，向短流程c s p 连铸连轧、1 2 半连轧 方向发展。高技术、高质量、低能耗已成为国家新时期投资发展的重点。通过“十五 的发展，我国钢铁企业完成了老设备的更新改造，添置了一批具有国际一流的，综合了 近年来国际轧制新工艺、新技术的轧钢生产线。集在线磨削p c 、c v c 、c v c + 以及液压弯 辊等板型控制技术于一体。 作为钢铁工业发展的主导产品板带钢生产线，完成了由老式连轧向新式短流程、高 精度、高质量、自动化控制转化，完成了轧机改造。从1 9 7 8 年我国第一套热连轧机组 在武钢投产开始，截至到2 0 0 8 年底，全国热连轧生产线已建、在建及拟建的共有9 0 条， 其中已建成投产有6 5 条、正在建设的有2 0 条、还在筹建的有5 条；中板及厚板轧机组 发展类似于热连轧机组，全国共有生产线7 0 条，已建成5 1 条、在建1 9 条。 随着钢铁工业的迅速发展，作为轧钢生产的主要部件和消耗件轧辊，不仅需求 量急剧上升，市场对轧辊质量的要求也发生了巨大变化，高质量高性能的离心轧辊需求 快速增长，表1 1 为离心轧辊中板带轧辊2 0 0 8 年国内市场消耗量。 表1 12 0 0 8 年国内板带轧辊市场消耗量 t a b 1 1t h ed o m e s t i c sc o n s u m p t i o no fr o l l sf o rp l a t e s t r i pm i l li n2 0 0 8 表1 2 为离心轧辊中板带轧辊2 0 0 8 年国外市场消耗量。 大连理工人学专业学位硕士学位论文 表i22 0 0 8 年国外板带轧辊市场消耗量 t a bi2t h eo v e r s e a sc o n s u m p t i o l lo fr o l l sf o rp l a t e s t r i pm i l li n2 0 0 8 轧机类别产量( 万吨) 工作：g 复t ) 台单耗 重撼( 吨) 中厚扳轧机8 4 2 505 04 2 1 2 5 台计2 2 2 3 9 5 国内轧辊企业经过5 0 年的努力奋斗，产品品种和质量有了较大提高和改观。铸铁 轧辊从4 老三样”，球无限冷硬、球半冷硬和冷硬铸铁轧辊派生出了多种适合不同轧机使 用要求的产品材质从低镍、中镍发展到高镍铬、高铬、高钒、高钼和高钨等几十种轧 辊牌号，基体组织也由珠光体发展到贝氏体、下贝氏体针状组织等“1 。铸造轧辊的制造 方法也由单一的静态浇注发展到了全冲洗浇注、无流浇注、离心浇注和机械复合等多种 形式。离心铸造复合轧辊制造技术，铸造半钢、石墨钢生产技术针状组织球墨铸铁轧 辊生产技术，复合铸钢轧辊制造技术，深淬硬层c r 3 、c r 5 锻钢轧辊制造技术，碳化钨 硬质含金轧辊制造技术。已经被广泛用于轧辊生产中。1 。小型型钢、连续棒材、高速线 材、无缝钢管、窄带钢、中宽带钢等轧机使用的轧辊，国内轧辊制造企业都能供应，且 满足使用要求“。中厚板轧机虽然发展相对较慢，轧辊材料的升级对中厚扳生产厂显得 还不是十分迫切，但粗轧机架也由原来单高镍铬向高铬铁、改进型高铬铁、高铬钢方 向发展了。精轧机架由原来单一高镍向高铬铁、改进型高铬铁方向发展5 。轧辊材质的 发展趋势见表1 3 。 2 0 0 8 年全年国内生产冶金轧辊3 8 3 6 3 6 吨，其中铸铁轧辊2 8 0 3 6 6 吨，占总产量7 3 1 ， 见图i 1 ，2 0 0 8 年各类轧辊产量如图12 所示。其中离心轧辊产量1 7 2 7 2 51 吨，占轧辊 总产量4 5 。鞍钢重机轧辊厂生产离心轧辊1 5 3 4 4 吨，市场占有率80 9 6 。 图l1 各类轧辊产量 f i g i1 o u t p u lo f d i f f c t e n tr o l l 轧辊铸造专用离心浇注机的研制开发 图1 22 0 0 8 年各类轧辊产量 f i g i2 o u t p u t o f d i f f e r + h ir o l l i n2 0 0 9 表13热连轧机组和中厚扳机组轧辊材质发展趋势 t a t , 1 ，e v o l u t i o n o f m a t e r i a l s f o r h o tr o la n t lp l a t + m i l lr o l l 热连轧机热连轧机热连轧机热连轧机中厚板轧机中厚板轧机中厚扳轧机 租轧机f 卜f 3f 4 一f 7 支撑辊粗轧机精轧机支撑辊 低合金钢半钢高镍铬低合金钢高镍铬高镍铬c n 台金钢 石墨钢 半钢 高铬铸铁 改进：高镍 合金锅高铬铁高镍铁晰金铜 高铬铸铁 溅：政等镍m 黼剃 高铬钢 徽! 改嚣镰陆台锎蝴黜i 勰m 台盘铜 半高速铜 高速钢 苎掌型高镶 c r 冶金钥 铬3 高速钢 ：i 钢改 高速铁c n 合金钢 大缝理j = 大学专业学俄颈上学位论文 l _ 2 离心铸造轧辊概述 l2l 离心铸造技术工作原理 离心铸造是将熔化的铁液通过流槽流入旋转的金属型内，在离心力的作用下布满金 届型最厉凝固成铸件的一种特殊铸造方法”：。 盂；篙 圈l3 离心铸造拄术t 作原理图 f i g l3 t h es c h e m a t i c d i a g r a m o f c e n t d f u g a lc a s t l a 8 l2 2 离心铸造轧辊的特点 离心轧辊外层为高合金铸铁或铸钢，鞑芯为灰铸铁、球铁或铸钢。这种结构使内外 层功能得到分丌，外层耐麟、抗热裂，芯部传递轧制力。( 如三层复合中间层缓解冲击 力或防i e 台金渗透) 。整体铝造( 包括整体锻造和整体铸造) 其芯部与外层合金相同， 轧辊的淬硬深度难于控制，易 ；现应力分川，不合理整体麻力偏高，拯易出现因制造原 囚导致的轧辊断裂事故或耐磨性不足。此外轧钢工艺对轧辊材质的要求不断提高， 昂贵的合金材料使用比再呈不断加大趋辨，轧辊材料成本越来越大，复合制造成了降低 制造成本的重要途径。冈此，与常规冲洗法和一次铸造浊生产轧辊相比离心铸造复合轧 辊具有性能好，成本低等特点。 蔺鬻 rj侧媳列眦要萧圈溺鬻涵瓣一盖糌逝逮 轧辊铸遗专用离心浇注机的研制开发 图1q次浇铸成型法乖常规冲洗法生产轧辊示意嘲 f i gi 4 o f l c c o f fm o u l d i n g m e t h o da n d g e n e r a l f l u s h i n g m e t h o d ( 1 ) 金属液收得牢明显提高 下表列出了生产重5 7 4 0 k g ，辊身尺寸为f6 4 5 m m x l 4 2 0 n n 的高合金无限冷硬铸铁轧 辊时，离心法和冲洗法两种工艺的铸造出品率。对高铬铸铁轧鞋，出品率相差更为悬殊， 一般为7 0 9 6 与2 0 ，u r 见离心法显著提高金属液收得率，减少金属液用量，降低成本。 农l4离心法和冲洗法铸造轧辊的出品率对比“ t a b l4 轧辊品种 外层铁水量k g 辊芯铁水量k g铸遗山品率 冲洗复台轧辊70 0 0 ( 2 ) 节约大量合金材料 幽瓣 嚼堪蔼域萌霞蕊匿蘑 叫谰憎蚴一酬即篓逝鳓匦碰 大连理工大学专业学位硕七学位论文 离心铸造复合轧辊，其外层是高合金材质，以保证轧辊的使用性能，辊芯选用廉价 的灰铸铁球状或铸钢，而辊芯所占重量明显大于辊身，因此用离心铸造法生产复合轧辊 可节省大量昂贵合金材料，显著降低轧辊生产成本n 3 。 ( 3 ) 轧辊表面质量明显改善 用常规方法生产轧辊，因外层金属液用量多，凝固慢，造成组织粗大、砂眼、夹砂 和疏松等铸造缺陷多。而离心铸造生产复合轧辊，外层厚度容易控制，金属液用量少， 凝固速度快，加之离心力的作用，外层在动态下凝固，气体和非金属夹杂物也易于从液 态金属中排出，因此离心铸造复合轧辊外属组织细小、致密、铸造缺陷少1 。 ( 4 ) 轧辊强度明显提高 用常规方法生产复合轧辊，特别是生产高合金铸铁轧辊时，因外层金属液中合金含 量较高，浇铸后外层的合金向芯部扩散，而许多合金元素( c r ，m o ，v ，t i 等) 是强白口化 元素，随着芯部材料合金含量的增加，石墨化受阻，碳化物增多，韧性和强度明显降低， 导致轧辊易发生断裂。而离心铸造生产复合轧辊，可以有效地控制芯部金属液中合金含 量，据文献报道，当工作层使用含1 3 一- 2 5 c r 的铸铁时，辊芯中的铬含量为0 5 - - 0 8 ， 同常规法生产的复合轧辊相比，离心铸造复合轧辊的强度可提高5 0 - - 8 0 。 ( 5 ) 轧辊使用效果显著改善 离心复合轧辊与常规方法生产的轧辊相比，具有硬度均匀，径问硬度落差小等特点， 因而使用寿命明显提高。据文献报道，离心复合辊比常规法辊轧钢量增加4 3 ，使用次 数增加4 0 心1 。 此外，离心铸造生产轧辊还具有生产效率高、操作简便和产品质量易于控制等特点。 正因为离心铸造法具有上述特点，所以离心铸造复合轧辊己引起了国内外铸造界与轧钢 工作者的高度重视，目前它己获得了广泛应用n 叫。 1 2 3 离心复合铸造的种类 离心复合铸造分为立式离心；卧式离心；倾斜式离心。各种离心复合铸造方法的特 点见表1 5 。 ( 1 ) 立式离心 立式离心事先把底箱、金属型、冒口等型具组装到一起，共同放置到立式离心机上， 外层浇铸和填芯操作可控制好，但该对所有工具的制造精度要求极高，设备投资较大， 离心机关键部件必须进口，另外，该方法生产的轧辊上、下工作层厚度不同，且辊身越 长上下差越大，一个2 0 0 0 m m 辊身上下厚度差在2 0 m m 左右，转速越低偏差越大，因此该 方法适合生产短辊身或对上下厚度差要求不严格的产品。 ( 2 ) 卧式离心 轧辊铸造专用离心浇注机的研制开发 卧式离心机设备简单，投资少见效快，产品外层厚度均匀，但外层浇铸后必须进行 二次合箱，才能进行填芯浇铸，另外上注式填芯易将外层局部冲偏，该方法普遍在日本 和中国国内轧辊厂采用。 ( 3 ) 倾斜式离心 源于日本，其方法介于卧式立式之间，所有工装先组装到一起，在水平1 5 度状态 下浇注外层，上下厚度差与卧式相近，旋转状态下填芯与立式相近，然后整体立起来将 铸型填满，从理论上该方法最完美，但设备制造难度非常大，投资最高，除日本个别厂 外，一直未得到推广。 表1 5 离心铸造复合轧辊 t a b 。1 5 c e n t r i f u g a lc a s t i n gr o l l 总之，用立式离心机生产轧辊，当辊身太长时，外层厚度不均匀，而用卧式离心机 生产小直径轧辊时，要选用很高的转速，轧辊容易开裂。因此生产辊身短，直径小的轧 辊，用立式离心机生产质量较好，而生产辊身长的轧辊时，用卧式离心机生产质量较好。 倾斜式离心机兼有两者的优点。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 新制卧式离心浇注机设计任务 2 1工艺流程 2 1 1 卧式离心轧辊铸造工艺流程叭1 图2 1卧式离心轧辊铸造工艺流程 f i g 2 1p r o c e s sf l o wo fh o r i z o n t a lc a s tc e n t r i f u g er o l l s 在工艺流程中“造型和涂料”与“浇注外层铁水”工序使用离心机。 2 1 2 卧式离心浇注机操作工艺 ( 1 ) 冷型喷涂料 离心冷型上涂料前应在井式加热炉内按工艺进行预热。 涂料前，清净冷型内表面的脏物，将胶面木制端盖与冷型配合好，打紧打全销子， 防止跑涂料。 冷型温度在2 1 0 一2 4 0 时，可进行上涂料。冷型在8 0 - - 1 2 0 r m i n 转动下灌入涂 料，经短时间烫料后，升速至4 0 0 5 0 0r m i n ，当涂料不冒水蒸气后即可停止转动。 涂完料后，去掉木制端盖，并修整冷型两端部涂料。 冷型两端部涂料修完后，将砂型端盖装配到冷型两端面，打紧、打全销子后再进 窑干燥。 ( 2 ) 外层铁水浇注 轧辊铸造专用离心浇注机的研制开发 冷型从井式炉中吊出后，应检查是否有损坏之处，如果损坏需用相同材料修补， 然后用煤火烘干。 将离心冷型吊放在离心机之前，要清净辊道上的脏物。放到离心机上后要检查端 盖和销子的紧固情况，清净冷型内掉落的物，盖上安全罩，打紧打全卡子。 将横浇道放在浇注小平车上，推动小平车将横浇道置于冷型内，用尺找正左右、 前后、上下位置。横浇道向下倾斜2 。5 。，位置找好后，将横浇道和小平车固定住。 浇注前每隔2 m i n - 5 m i n 起动一次离心机，使冷型低速转动6 0 。- - - 9 0 。，以防托轮 局部过热。 浇注前冷型表面轴向温度偏差应小于2 0 。 外层铁水达到浇注温度时开始浇注，浇注时，车要调正，流要平稳，并尽可能降 低压头，要一次浇成，不得缓流。 外层铁水浇完后，应立即从冷型两端向自由表面加入防氧化玻璃渣( 加入量执行 有关铸造工艺卡) 。加入的玻璃渣粒度要小于3 衄，使用前应确保干燥无杂质。 达到规定转动时间时，停止转动。 2 2新制离心机的基本技术参数要求 2 2 1 离心机主要技术参数 我厂研制生产镍铬钼加强型、高铬钢、高速钢材质轧辊工艺技术方案已经成熟，相 关的工具、工装已基本设计完成，根据工艺要求，制定了新制离心机的技术参数设计指 标如下： 设备最大负荷：2 5 吨。 金属型的轨道直径：。= 1 4 0 0 咖 幽= 11 4 0 m m 金属型外径直径：。= 1 5 0 0 m m山= 1 2 4 0 m m 金属型的长度：l 聃。= 3 4 0 0 m ml 慷，。= 1 8 0 0 m m 轨道间距( 托轮轴向外边距) ：1 5 5 0 m m ( 兼顾现有模具继续使用) 以11 4 0 模具为准，冷型轨道转数：。= 6 3 0 转分n _ ；。= 0 转分 设备从o 转分升至6 3 0 转分( 均指模具转数) 控制时间要求：小于1 2 0 秒 设备从6 3 0 转分降至0 转分控制时间要求：小于9 0 秒。转数调整为无级调数，可 任意控制。 离心机托轮振动：空载( 带冷型) 速度振动位移：l m m s 重载( 冷型带铁水) 速度振动位移： l o g 设备重。鉴于2 # 离心 机的教训，基础重应选择较大。结合重机轧辊厂现场实际，设计的基础除满足生产工 艺要求，生产操作运行要求，设备安装要求外，还要科学合理，节约施工费用。基础 简图如下： 1 0 5 0 0 4 0 0 0 图3 1 基础底面积 f i g 3 1b a s ea r e ao ff o u n d a t i o n 一 l 一 ml 一t 一i - - 可7 一可广一 _ ： y 。! ； v i l - 3 0 4 1 盘 旷 鬻缨纂 - - 1 ”i r 7 一 u i 一， c i s g 凝= l ， 一- 一 - 5 9 t ! 嚣两 厂 1 i ” ，： 图3 2 基础剖面图 f i g 3 2 f o u n d a t i o np r o f i l e 轧辊铸造专用离心浇注机的研制开发 ( 3 ) 计算基础总重量 按图计算基础重：3 6 3m a 2 4 t m 3 = 8 7 1 2 t 底板重：3 0 t 共计：8 7 1 2 t + 3 0 t = 9 0 1 2 t ( 4 ) 地基土容许承载力校核 地基土在重荷载作用下，土的抗剪强度会相应减小，并随振动加速度的增大而减小。 根据设计经验，常采用降低地基容许承载力的方法来控制动沉降。即地基土的强度验算 应满足公式要求：p a f f 式中p 基础底面的静压力，包括基础自重、基础上的回填土重、机器自重和传 至基础上的其他荷载； 厂修正后地基土的容许承载力，地基容许承载力【厂】为1 5 1 0 5 n m 2 口，地基土承载力的动力折减系数，对汽轮机、电机、风机和离心机基础可取 o 8 。 尸= 离心机总重+ 基础重+ 底板重= 6 1 + 8 7 1 2 + 3 0 = 9 6 2 2 t 厂= 1 5 x 1 0 5x ss 为基础底面积，考虑垫层( 按基础外延3 2 0 m m ) ： s = s l + s 2 + 1 0 7 6 7 m 2f = 1 6 1 5 x1 0 7n = 1 6 4 8 t 口，f = 1 3 1 8 4 t 地基土容许承载力校核符合要求。 ( 5 ) 载荷重心与基础底面形心的偏心值 在确定基础底部尺寸时应力不发生偏心，即离心机的扰力作用中心、离心机重心， 基础的质量中心和基础底面的几何形心位在同一条直线上，这对避免不均匀沉降和减少 振动都是十分必要的。如偏心不可避免，则偏心值和平行偏心方向基底边长的比值，应 符和不大于3 的标准。 如图所示，坐标原点取在基础底板中心处，即离心机重心、扰力作用中心、基础底 面的几何形心位在同一条直线上。计算基础质量中心坐标x 、y 时，重心y 重合在同一条 线上。计算x 时结果为：0 3 6 m 。 0 3 6 m 1 4 5 m = 2 4 8 符和不大于3 的标准。 ( 6 ) 地基动力特征参数选择【1 3 1 天然地基的基本动力特征参数可由现场试验确定，当无条件进行试验并有经验时， 按g b 5 0 0 4 0 - 9 6 动力机器基础设计规范进行确定。重机轧辊厂采用第二种方式。 基础的地基土类别应按下表选取承载力标准值 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表3 2 地基土类别表 t a b 3 2c a t e g o r yo ff o u n d a t i o ns o i l 安装新制离心机的现场地基土类别为三类土，土的名称粘性土，地基土承载力标准 值1 3 0 以1 8 0 。 天然地基的抗压刚度系数值确定 基础底面积大于2 0 m 2 ，按下表选取 表3 3 天然地基的抗压刚度系数c ：值( k n m 2 ) t a b 3 3 c o m p r e s s i v er e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to fn a t u r a lf o u n d a t i o n 地基承载力的标准值 土的名称 六( k e a ) 粘性土粉土砂土 3 0 06 6 0 0 05 9 0 0 05 2 0 0 0 2 5 05 5 0 0 04 9 0 0 0 4 4 0 0 0 2 0 04 5 0 0 04 0 0 0 03 6 0 0 0 1 5 03 5 0 0 03 1 0 0 02 8 0 0 0 1 0 0 2 5 0 0 0 2 2 0 0 0 1 8 0 0 0 8 0 1 8 0 0 01 6 0 0 0 轧辊铸造专用离心浇注机的研制开发 根据地基土承载力标准值1 3 0 五1 8 0 ，则c ：值应为3 5 0 0 0 ( k n m 2 ) 。 天然地基的抗弯、抗剪、抗扭刚度系数值确定 巳= 2 1 5 c z 2 7 5 2 5 0 e = 0 7 0 c z 2 2 4 5 0 0 c = 1 0 5 c z2 3 6 7 5 0 式中g 一天然地基抗弯刚度系数( k n m 3 ) ： q 一天然地基抗剪刚度系数( k n m 3 ) ； q 一天然地基抗扭刚度系数( k n m 3 ) ； 天然地基的抗压、抗弯、抗剪、抗扭刚度值确定 k ：= c ：a k 矿= c 矿i k ，= c x a k 。= c , i z 式中：k ，天然地基抗压刚度( k n m ) ； k 口天然地基抗弯刚度( 肼聊) ； e 天然地基抗剪刚度( k n m ) ) ； 心天然地基抗扭刚度( 刎所) ； ，基础底面通过其形心轴的惯性矩( m 4 ) ； t 基础底面通过其形心轴的极惯性矩( m 4 ) 。 刚度提高系数的确定 当基础采用埋置、地基承载力标准值小于3 5 0 k p a ，且基础四周回填土与地基土的 密度比不小于0 8 5 时，其抗压刚度可乘以提高系数口，抗弯、抗剪、抗扭刚度可分别 乘以提高系数口砷。提高系数口：和口，伊可按下列公式计算： q = ( 1 + 0 4 8 b ) 2 口，。= ( 1 + 1 2 8 b ) 2 8 b2 击划5 6 式中：a ：基础埋深作用对地基抗压刚度的提高系数； 大连理工大学专业学位硕士学位论文 口。基础埋深作用对地基抗剪、抗弯、抗扭刚度的提高系数： 瓦基础埋深化，当瓯大于o 6 时，应取0 6 ； 鹿基础埋置深度( 垅) 。 振动线位移值折减系数的确定 地基动力参数，除冲击机器和热模锻压力机基础外，计算天然地基大块式基础和振 动线位移时，应将计算所得的竖向振动线位移值乘以折减系数0 7 ，水平向振动线位移 值乘以折减系数0 8 5 。 ( 7 ) 基础的动力计算【1 3 】 离心机基础动力计算可参照汽轮机组和电机基础参数。当采用大块式基础时，其动 力计算与构造要求，按规范规定可采用活塞式压缩机基础简化计算。 在进行低转速离心机基础的动力计算时，其扰力，允许振动线位移及当量荷载， 可按下表采用。 表3 4 基础动力计算参数表 t a b 3 4c a l c u l a t i o ni n d e xt a b l eo nf o u n d a t i o nf o r c e 机器工作转速p m i n ) 5 0 05 0 0 7 5 0) 7 5 0 计算横向振动线位移的扰力只( k n )0 1 0 吩0 1 5 唿0 2 0w g 允许振动线位移 4 】( 朋所) 0 1 6o 1 20 0 8 当量荷载 竖向矗 4 w g i8 w g i ( 横向m ，2 w g i2 w g i 注：表中当量荷载中，已包括材料的疲劳影响系数2 0 。唿为模型重( 。 新制离心机转速9 0 0 转分，则只( 埘) = o 2 0 w g = 4 9 k n 【么】( 所m ) = 0 0 8 m m 对于操作层设在厂房底层的大块式基础，在水平扰力作用下，可采用下列简化 计算公式验算基础顶面的水平振动线位移 4 卵乩2 c 乏+ 警功 h = h o + + h 2 ( o n l j = j l 缈“ 式中 a x 在水平扰力作用下，基础顶面的水平向振动线位移( m ) 轧辊铸造专用离心浇注机的研制开发 风水平扰力作用线至基础底面的距离( m ) 五频率比允可按下表采用 表3 5 频率比五表 t a b 3 5 f r e q u e n c yr a t i o 天 注：三为基础在水平扰力作用方向的地板边长。 代入数瓶“2 ( 丢+ 警动= 0 0 1 4 6 删 m 聊) 允许振动线位移符合设计要求。 振动频率比值验证 离心机基础应力求避免与机器发生共振，保证基础的自振频率与机器的工作频率的 比值大于1 2 5 或小于0 7 5 乜u 。常用的实体式、大块式基础的构造接近理想刚体，因此计 算时仅考虑地基的变形，即认为地基的刚度便是基组的刚度。刚度k 可以表示为k = c z - s ， s 为基底面积。因此基组固有频率为： c o = 厮= 2 0 6 7 ( h z ) 离心机工作频率由托轮转速换算成铸型转速得8 。5 6 h z ，基础的自振频率与机器的 工作频率的比值2 4 l ，符合设计要求。 3 2底板的设计 底板在设备中虽然只用于连结离心机和基础，但它的结构和安装方式对离心机振动 影响较大。从振动形式上可产生不对中振动和机械松动振动。 3 2 1 同轴度误差振动问题 同轴度误差指的是相互联接轴的中心线不重合，即存在装配同轴度误差。如果轴的 中心线平行但不重合，叫做平行同轴度误差；如果两条中心线相交于一点，叫做轴线角 度同轴度误差。大多数同轴度误差是平行和轴线角度的组合【1 4 1 。 ( 1 ) 同轴度误差主要原因 大连理