某公司為總公司燒結(jié)廠制作的
破碎機輥子，使用壽命短，不耐磨，使用3個月左右的時間就出現(xiàn)質(zhì)量問題，夾砂、裂紋、縮孔等鑄造缺陷較多，嚴(yán)重制約了燒結(jié)廠的正常生產(chǎn)，為了改變這一被動局面，我們確定開發(fā)研制長壽命耐磨破碎機輥子。
1、輥子的使用條件及結(jié)構(gòu)特點
破碎機的主要工作結(jié)構(gòu)是兩對輥子相向旋轉(zhuǎn)時，物料進入兩輥間，受到高擠壓力和摩擦力而得以破碎。破碎機輥子作為影響破碎機使用狀況的一個主要構(gòu)件，必須有良好的耐磨性和較強的韌性，以保證破碎機輥子服役過程中不斷裂和有較長的使用壽命；輥子結(jié)構(gòu)特點，最大直徑為4900 mm，總高度為700mm。
為得到所需的組織結(jié)構(gòu)以滿足破碎機輥子的使用要求，并盡量降低生產(chǎn)成本，確定輥子材質(zhì)選用高碳低合金鋼。在成分設(shè)計中，主要考慮了以下若干方面：碳是影響鑄鋼強度、硬度、韌塑性及淬透性的主要元素。碳含量過低，破碎輥的強度和硬度低。為得到具有一定硬度的珠光體和適量的碳化物，碳含量不能低。但若碳含量過高，則易形成網(wǎng)狀、粗大碳化物，會降低破碎輥的韌性。為此，選擇碳含量為0.8%～0.9%。鉻是主要合金元素，在改變組織和性能時的作用較強，且價格相對較低：鉻還可以固溶強化基體，同時又是較強的碳化物形成元素，與碳結(jié)合形成高硬度的顆粒狀碳化物，有利于提高鋼的硬度。選擇鉻含量為1.0%～1.5%。鉬能顯著提高鋼的淬透性，同時起固溶強化基體的作用，與鉻、錳等易導(dǎo)致回火脆性的元素配合使用，能降低或抑制回火脆性。釩是強碳化物形成元素，有較強的固溶強化和細(xì)化晶粒的作用，能提高鋼的回火穩(wěn)定性。鉬、釩是貴重元素，對鋼的成本影響很大。選擇鉬含量為0.2%～0.5%．釩<0.5%。稀土元素是很好的脫硫、除氣劑，能除去鋼中的有害雜質(zhì)，凈化鋼液，改善夾雜物的形態(tài)，細(xì)化晶粒，提高鋼的韌塑性，并能改善鋼的鑄造性能。
2、鑄造生產(chǎn)工藝
2.1模型、芯盒選擇
由于破碎機輥子是我公司為總公司燒結(jié)廠長期供應(yīng)的冶金備件，為了保證鑄件質(zhì)量，提高砂型緊實度，防止鑄件脹箱、縮孔，確定模型、芯盒采用實樣木模造型。模型結(jié)構(gòu)如圖2。為了方便制芯，將中間芯子分成兩部分，為防止偏芯，在下部芯子上設(shè)有芯座，芯座高度80 mm．底部芯頭高度設(shè)計為100 mm。
2.2型砂選擇
合理選用型砂，兼顧表面粗糙度與解決清砂難問題即與鋼液接觸的內(nèi)表面由于受鋼液的熱作用時間較長，在芯子表面采用耐高溫的鉻鐵礦砂，這種砂具有很高的耐火度，防止鑄件粘砂，保證鑄件光潔，但這種砂價格較高，為了節(jié)約成本，只可采用薄薄的一層，厚度約10 mm-15 mm．芯子內(nèi)層采用高溫下能自動分解，易潰散的低價人工粉碎的石灰石砂，以利于清砂；砂型型腔采用石英砂，刷鋯英粉涂料二次。
2.3澆冒口工藝
設(shè)置合理的澆胃口系統(tǒng)，需要精確計算出鑄件的熱節(jié)．在熱節(jié)處放置適當(dāng)?shù)拿翱冢诿翱谙略鲈O(shè)補貼，保證冒口形成順序凝固，獲得致密鑄件。根據(jù)計算和經(jīng)驗，制定初始工藝方案，并采用華鑄CAE鑄造仿真模擬軟件，按初始工藝對輥子進行仿真凝同模擬、分析和論證，掌握溫度場和流動場的變化規(guī)律，以此調(diào)整冒口和澆口的大小和數(shù)量，優(yōu)化鑄造工藝，保證鑄件的順序凝固和金屬液的有效補縮．保證獲得無縮孔、無縮松、組織致密的輥子鑄件。澆胃口工藝如圖3，鑄造仿真凝固模擬鑄造件無縮孔見圖4。采用腰形13號保溫暗胃口4個，高度500 mm，澆注系統(tǒng)采用底注快澆的方式。直澆口、橫澆口采用耐火磚專用澆口，直徑∮80 mm各一道，內(nèi)澆口采用∮60 mm耐火磚專用澆口四道。
2.4熔煉
鋼液的純凈度及澆注溫度直接影響輥子鑄件的質(zhì)量。S、P等有害元素含量越高，裂紋傾向性越大，鋼中夾雜物與偏析越嚴(yán)重，越易造成應(yīng)力集中。澆注溫度越高，凝固收縮越大，熱裂紋、縮孔、縮松、粘砂的產(chǎn)生機率也越大。加強工序質(zhì)量控制，采用變質(zhì)處理及鋼包底吹氬技術(shù)嚴(yán)格控制鋼液質(zhì)量，減少鋼液中氣體及有害元素含量，控制澆注溫度和澆注速度，增加鋼液的補縮能力，保證鑄件組織致密。冶煉時成分按中線控制，爐前脫氧，在包內(nèi)采用稀土硅進行孕育變質(zhì)處理，出鋼溫度控制在l 600℃~1 620℃。
2.5合箱澆注
合箱前做到五檢查：出氣孔是否暢通（冒口、芯頭、芯座）；尺寸形狀是否符合圖紙；澆冒口系統(tǒng)內(nèi)和型腔內(nèi)是否干凈；芯頭、芯座間隙是否填嚴(yán)，防止鋼液鉆人或跑火；合箱卡子緊好后，分型面是否合嚴(yán)，以防跑火。
放箱的地面要平整，劃出十字出氣道。澆口杯一定要用直徑為∮80 mm的耐火材料制的漏斗，不許用砂質(zhì)澆口杯。澆注時及時引火，并采取防跑火措施。
澆注：澆注原則，大流快澆。鋼包采用底注式澆包，不許用新砌的鋼包。鋼包必須保持干燥，烘包溫度要保證在700℃以上。鎮(zhèn)靜時間，鋼液在包內(nèi)鎮(zhèn)靜時間大于7 min，以便雜質(zhì)上浮。澆注溫度：l 510℃~1 530℃。用熱電偶測溫儀測溫。
2.6打箱、清理
根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，參照理論保溫曲線，確定澆注后保溫時間為冬季25 h-26 h，夏季26 h-28 h。由于該件為低合金高碳鋼，氣割冒口時裂紋傾向大，為防止氣割裂紋，采用熱割冒口，熱割溫度大于260℃，為了降低成本采用清砂后利用鑄件本體余熱進行熱割冒口，熱割后立即進退火窯進行保溫緩冷。
3、熱處理
熱處理工藝設(shè)計的出發(fā)點是保證獲得均勻一致的細(xì)珠光體組織和彌散分布的小顆粒狀碳化物，消除網(wǎng)狀碳化物，并要獲得細(xì)晶組織，防止晶粒長大。熱處理質(zhì)量的好壞對輥子的整體性能影響也較大，為了獲得合格的組織和性能，首先對試塊進行熱處理，然后總結(jié)實驗結(jié)果后，確定最佳熱處理工藝方案。采用890℃均勻化退火+ 740℃球化退火的預(yù)備熱處理和870℃正火+ 560℃高溫回火熱處理。既可保證技術(shù)要求的性能，又獲得了良好的顯微組織和細(xì)晶粒度，從而杜絕因粗大晶粒和嚴(yán)重網(wǎng)狀碳化物導(dǎo)致破碎機輥子斷裂的危害。
4、結(jié)果分析
采用高碳低合金鋼材質(zhì)，通過合金化特別是添加釩、稀土等微量元素，并結(jié)合采用合理的熔煉工藝，通過計算機工藝優(yōu)化，合理設(shè)置澆口，胃口，控制澆注溫度及采用合理的熱處理工藝，有效地細(xì)化了晶粒，強韌化基體及獲得顆粒形狀合理分布的高硬度碳化物組織，鑄造出優(yōu)質(zhì)合格的破碎機輥子鑄件。
5、結(jié)論
用以上工藝試制的第一批4件輥子已經(jīng)使用1年多，還正在使用。實踐證明，采用高碳低合金鋼材質(zhì)，經(jīng)過一系列工序質(zhì)量控制和工藝優(yōu)化，生產(chǎn)的破碎機輥子韌性好，抗沖擊，耐磨性能好，具有較長的使用壽命。
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