離心鑄造軋輥的金屬型腔涂料掛涂工序主要采用滾掛涂料和手工噴涂?jī)煞N操作方式。滾掛涂料方式是向滾動(dòng)的金屬型中傾倒涂料進(jìn)行型腔覆蓋，如圖1。啟動(dòng)離心機(jī)旋轉(zhuǎn)，涂料隨溜槽進(jìn)入加熱過(guò)的金屬型內(nèi)腔，待型腔內(nèi)氣體排凈后，涂料固化，停止旋轉(zhuǎn)。手工噴涂方式顧名思義，即是操作人員持噴槍手動(dòng)對(duì)加熱過(guò)的金屬型內(nèi)腔進(jìn)行噴涂作業(yè)。

上述兩種方式的涂料層厚度控制困難，金屬腔兩端的涂料層薄厚不均，呈一定的軸線錐度，兩端涂料厚度層差值＞1 mm，這對(duì)軋輥輥身硬度均勻性及鑄坯表面光潔度帶來(lái)很大的負(fù)面影響。因此大量的軋輥生產(chǎn)廠家不斷尋求新的金屬型腔涂料掛涂工藝，其中邢臺(tái)機(jī)械軋輥公司自主研發(fā)了自動(dòng)噴涂料機(jī)設(shè)備。黃永渭等[1]利用離心噴涂方式制備的自動(dòng)噴涂料機(jī)已成功解決了涂料層對(duì)軋輥輥身質(zhì)量的影響。劉群山等[2]利用高速旋轉(zhuǎn)的離心噴頭，對(duì)預(yù)熱過(guò)的金屬鑄型內(nèi)腔進(jìn)行涂料反復(fù)堆積來(lái)形成涂層，使得厚度均勻。因此，遼寧恒通冶金裝備制造有限公司綜合自動(dòng)噴涂及離心金屬鑄型的優(yōu)點(diǎn)，采用自動(dòng)離心噴涂方式對(duì)金屬型腔進(jìn)行涂料覆蓋，即在鑄型旋轉(zhuǎn)時(shí)將自動(dòng)噴料槍伸入型腔內(nèi)前后移動(dòng)來(lái)進(jìn)行圓面均勻噴涂作業(yè)，避免了滾掛方式或手工噴涂方式中涂料層厚度不均、排氣緩慢、控制厚度困難等缺陷。綜合離心噴涂方式具有涂料層厚度均勻、水氣散發(fā)快、表面光潔度好和操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

1.   操作過(guò)程

1.1   材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

離心噴涂選用磷酸鋁涂料，其含有的偏磷酸鋁Al（PO3）3膠結(jié)性強(qiáng)、懸浮性好，因此適合涂料的離心噴涂作業(yè)。首先選用200目高鋁粉作為耐火骨料（化學(xué)成分見(jiàn)表1），磷酸（分析純）與氫氧化鋁粉混合作為粘結(jié)劑，水作為溶劑配制磷酸鋁涂料[3]。其中氫氧化鋁粉、磷酸、水按表2中要求的比例配制好，并加熱至沸騰15~19 min，后將相應(yīng)配比的高鋁粉與之混合，倒入噴涂機(jī)料罐中不斷攪拌18 h待用，設(shè)計(jì)涂料比重在1.4~1.9（使用波美比重計(jì)測(cè)量）。

離心噴涂用金屬型示意圖如圖2所示，尺寸規(guī)格為型腔直徑×型腔長(zhǎng)度，此金屬型對(duì)應(yīng)輥身規(guī)格為?600 mm×2400 mm的軋輥。為滿足軋輥澆鑄需要，設(shè)計(jì)金屬型內(nèi)腔噴涂料層厚度為3.0 mm，需涂料約60 kg。

1.2   離心噴涂作業(yè)

離心噴涂作業(yè)前需將圖2中金屬型預(yù)熱至220~300 ℃，且要求金屬型外表面與型腔內(nèi)壁溫度差≤10 ℃、型腔兩端溫度差≤5 ℃。自動(dòng)噴涂料機(jī)及金屬型轉(zhuǎn)速按表3進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

將金屬型放置在離心機(jī)托輪上，啟動(dòng)離心機(jī)，待達(dá)到要求轉(zhuǎn)速后開(kāi)啟自動(dòng)噴涂料機(jī)，噴涂料車的噴槍在金屬型腔內(nèi)進(jìn)行前后往復(fù)式噴涂作業(yè)，如圖3（a）中粗箭頭指示方向。噴涂過(guò)程中注意觀察噴槍是否有堵塞、涂料滴落現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)立即刮除，中間不用停止作業(yè)。待涂料全部噴完后，停止自動(dòng)噴料機(jī)及離心機(jī)，并檢查噴涂料層表面（圖4），仔細(xì)察看是否有涂料堆積、起皮、鼓包等缺陷。

1.3   噴涂料層厚度檢測(cè)

噴涂完畢后，在型腔內(nèi)涂料層軸向選擇四條間隔90°的母線，每條母線用工具鉆出等間距的?1 mm孔洞5處（深至金屬型腔壁），并使用游標(biāo)卡尺的深度尺進(jìn)行涂料層厚度測(cè)量，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

從表4中可以看出，金屬型腔內(nèi)均勻分散測(cè)量的20個(gè)涂料層厚度在3.0~3.2 mm之間，涂料層厚度最大差值為0.2 mm，平均厚度約3.14 mm。由此可知，涂料層厚度均勻性及最大厚度與涂料層設(shè)計(jì)厚度（3.0 mm）的差值≤0.2 mm。

1.4   離心噴涂后金屬型的使用

離心噴涂金屬型確認(rèn)合格后，將其運(yùn)回燃?xì)鉅t進(jìn)行保溫烘干，溫度控制在200 ℃，并保溫1~2 h。保溫結(jié)束后的金屬型即可用于軋輥輥身的鐵水澆鑄，軋輥輥身鐵水成分如表5。

將保溫烘干結(jié)束的金屬型吊運(yùn)至離心機(jī)托輪上，啟動(dòng)離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，澆入鐵水，澆注參數(shù)如表6。待鐵水完全凝固后停止離心機(jī)，繼續(xù)下一步軋輥鑄型合箱、澆注軋輥輥頸鐵水等工序，最后進(jìn)行軋輥鑄坯箱內(nèi)保溫。

2.   實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1   實(shí)驗(yàn)結(jié)果

工藝要求輥身直徑為?600 mm的軋輥鑄坯在保溫100 h后方可鑄型開(kāi)箱。軋輥輥身金屬型開(kāi)箱后觀察鑄坯表面質(zhì)量。圖5（a）為軋輥鑄坯整體圖片，圖5（b）為鑄坯輥身表面近景圖片，從圖中可以看出表面致密，且無(wú)粘鐵情況。軋輥鑄坯確認(rèn)無(wú)缺陷后進(jìn)行輥身車削加工，直徑方向加工去除10 mm后進(jìn)行肖氏硬度檢測(cè)及超聲波探傷，數(shù)據(jù)如表7。硬度檢測(cè)是在輥身軸向選擇間隔90°的4條母線，每條母線檢測(cè)均勻間隔5點(diǎn)的硬度；軋輥輥身超聲波探傷檢測(cè)執(zhí)行GB/T1504—2008標(biāo)準(zhǔn)。

由表7可以看出，此軋輥輥坯硬度范圍在77.9~81.4 HSD，平均硬度為79.43 HSD，硬度均勻性為3.5 HSD。同時(shí)按照鑄鐵軋輥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T1504—2008）中超聲波探傷檢測(cè)的要求，未發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷。

實(shí)驗(yàn)中制造的軋輥是為某大型鋼廠CSP軋機(jī)提供的?600 mm×2400 mm型熱軋工作輥，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求輥身硬度范圍為75~80 HSD、硬度均勻性≤5 HSD、探傷無(wú)缺陷，表明實(shí)驗(yàn)輥輥身各項(xiàng)檢測(cè)項(xiàng)目均符合客戶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2   理論分析

離心噴涂料方式覆蓋金屬型腔的優(yōu)點(diǎn)可以從涂料層形成過(guò)程來(lái)分析，但無(wú)論是滾掛涂料方式還是離心噴涂料方式，涂料層均會(huì)形成粘結(jié)區(qū)、聚水層區(qū)和表層區(qū)3個(gè)厚度區(qū)域，如圖6所示。兩種涂料的噴掛方式在3個(gè)厚度區(qū)域形成的時(shí)間段上有所差異，主要以滾掛方式與離心噴涂方式對(duì)磷酸鋁涂料層形成過(guò)程做分析。

2.2.1   滾掛方式

如圖1中所示，滾掛方式是一次性將涂料液全部?jī)A入滾動(dòng)的金屬型腔內(nèi)，因此三個(gè)區(qū)域幾乎同時(shí)形成。操作所使用的磷酸與氫氧化鋁混合粘結(jié)劑在配制過(guò)程中的基本反應(yīng)公式：

由公式知，磷酸鋁涂料含有大量的磷酸二氫鋁（Al（H2PO4）3）及反應(yīng)水分，當(dāng)涂料進(jìn)入200 ℃以上的金屬型內(nèi)腔時(shí)，直接接觸型腔內(nèi)壁的涂料中的磷酸二氫鋁與高鋁粉迅速受熱反應(yīng)，固化形成粘結(jié)區(qū)，同時(shí)大量的水分受熱向型腔中心的涂料層遷移；涂料層最內(nèi)側(cè)的表層區(qū)域也同時(shí)向型腔中心逸出水汽，并反應(yīng)固化，因此在涂料層粘結(jié)區(qū)與表層區(qū)之間就存在著具有一定厚度并含有大量水分的聚水層區(qū)。

滾掛方式是在涂料傾入金屬型前，在金屬型兩端先安裝好端蓋（如圖1），以防止涂料液外溢，因此在涂料傾入金屬型后，離涂料溜槽遠(yuǎn)端的涂料液受到金屬型端蓋的阻礙，形成回流，在此處的涂料層較另一端端蓋處涂料層厚。金屬型腔內(nèi)部的蒸發(fā)水汽也同樣受到金屬型端蓋的阻擋，并在金屬型旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下形成渦流，難以排出。隨著金屬型的旋轉(zhuǎn)，涂料層中的熱量逐漸散失，聚水層區(qū)水汽遷移更加困難，造成金屬型腔涂料覆蓋工序作業(yè)時(shí)間延長(zhǎng)。由于水汽的逸出困難，時(shí)而在涂料層表面上可觀察到涂料起泡、鼓包的現(xiàn)象存在，同時(shí)后續(xù)金屬型在燃?xì)鉅t保溫烘干中水汽仍在不斷逸出，耗時(shí)耗能。

2.2.2   離心噴涂方式

如圖3所示，離心噴涂方式是利用自動(dòng)噴涂料車將噴槍伸入滾動(dòng)的金屬型內(nèi)腔中，沿著金屬型軸向中心線進(jìn)行前后往復(fù)移動(dòng)噴涂的操作過(guò)程，且金屬型兩端無(wú)需安裝端蓋，因此型腔內(nèi)水汽較滾掛方式散發(fā)迅速。由于離心噴涂方式是以一定的壓力將涂料液在金屬型內(nèi)腔壁上層層堆積，因此涂料層中的3個(gè)區(qū)域也分為先后3個(gè)階段形成。

（1）最先形成的涂料粘結(jié)區(qū)：開(kāi)始離心噴涂前期，涂料直接與金屬型內(nèi)腔壁接觸，由于內(nèi)壁溫度高，涂料層中水分迅速?gòu)慕饘傩蛢啥松⑹?，由于此時(shí)涂料層較薄，金屬型的熱量也能向涂料層傳導(dǎo)更充分，所以此厚度區(qū)域內(nèi)磷酸二氫鋁與高鋁粉骨料的受熱反應(yīng)也更容易進(jìn)行，緊緊的粘覆在粗糙的金屬內(nèi)壁（Ra12.5）上，在涂料層3個(gè)區(qū)域中成型結(jié)合強(qiáng)度也是最高。

（2）涂料聚水層區(qū)：隨著涂料在粘結(jié)區(qū)之上的層層覆蓋、金屬型旋轉(zhuǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)，涂料層的溫度也隨厚度的增加而逐層下降，因此涂料層的水分散失、遷移也相對(duì)粘結(jié)區(qū)困難，水分含量的增加意味著涂料成型結(jié)合強(qiáng)度的下降，如果噴涂料車往復(fù)移動(dòng)速度過(guò)快，致使涂料層堆疊速度增加，就會(huì)導(dǎo)致水分快速在涂料層內(nèi)積累，因此離心噴涂過(guò)程中涂料的剝落、分層等問(wèn)題也多發(fā)生于此厚度區(qū)域內(nèi)。因而在離心噴涂中要控制好自動(dòng)噴涂料車的移動(dòng)速度，同時(shí)在噴涂后期配合提升50~80 r/min的小幅度金屬型轉(zhuǎn)速可使涂料層致密性更好。

（3）涂料表層區(qū)：噴涂料操作結(jié)束階段，涂料層表層直接與空氣接觸，隨著金屬型腔內(nèi)水汽全部散失殆盡，涂料層內(nèi)外濕度梯度變大，水汽迅速?gòu)耐苛蠈颖砻嫦蛲膺w移，表面干燥程度高，因此涂料層表層光潔度較好、成型結(jié)合強(qiáng)度高。由于鐵水澆入金屬型腔后直接與涂料層表層接觸，所以涂料層表層區(qū)的光潔度及其成型結(jié)合強(qiáng)度直接影響著軋輥鑄坯輥身的成型質(zhì)量，由表4知，離心噴涂方式涂料厚度均勻性非常高，均勻性≤0.2 mm，并且隨著涂料層厚度均勻性的提高，由表7可以看出輥身硬度均勻性也達(dá)到了3.5HSD，較客戶要求的輥身硬度均勻性（≤5HSD）降低了1.5HSD。

綜上所述，由于離心噴涂操作方式使磷酸鋁涂料層內(nèi)3個(gè)厚度區(qū)域的水氣排除更快、更徹底，因此涂料層的成型時(shí)間較滾掛方式更短，同時(shí)涂料結(jié)合強(qiáng)度也隨之增加，整個(gè)涂料內(nèi)外層整體質(zhì)量大幅提升。

3.   結(jié)束語(yǔ)

離心噴涂料方式是利用自動(dòng)噴涂料機(jī)層層噴涂金屬型內(nèi)腔，因此涂料層厚度均勻性得到極大保證，同時(shí)在自動(dòng)噴涂料車移動(dòng)速度設(shè)置合理的基礎(chǔ)上，金屬型腔中的水汽隨著噴涂作業(yè)過(guò)程一同散失，涂料層中的水分得到快速的遷移、逸出，可大量縮短軋輥金屬型腔涂料掛涂工序作業(yè)時(shí)長(zhǎng)及金屬型烘干時(shí)長(zhǎng)。因而離心噴涂料的優(yōu)勢(shì)為：

（1）較滾掛方式涂料層厚度均勻性更好；

（2）較滾掛方式及手工噴涂方式操作更加自動(dòng)化；

（3）優(yōu)化軋輥輥身硬度均勻性有著顯著影響；

（4）可大量縮短金屬型涂料掛涂工序的作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，并間接節(jié)約大量能耗。

參考文獻(xiàn)

[1]黃永渭, 賈偉, 郭亞政. 軋輥離心冷型自動(dòng)噴涂料機(jī)的研制//第七屆全國(guó)冶金軋輥學(xué)術(shù)交流年會(huì)論文集. 河北, 2004.

[2]劉群山, 胡云巖, 李增民, 等. 砂質(zhì)涂料離心噴涂的研究. 鑄造技術(shù), 2007,28(3):347doi: 10.3969/j.issn.1000-8365.2007.03.016

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文章來(lái)源——金屬世界