離心噴涂方式在軋輥制造中的應用

供稿|李爽 / LI Shuang

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兩種操作方式。滾掛涂料方式是向滾動的金屬型中傾倒涂料進行型腔覆蓋，如圖1。啟動離心機旋轉，涂料隨溜槽進入加熱過的金屬型內腔，待型腔內氣體排凈后，涂料固化，停止旋轉。手工噴涂方式顧名思義，即是操作人員持噴槍手動對加熱過的金屬型內腔進行噴涂作業(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，這對軋輥輥身硬度均勻性及鑄坯表面光潔度帶來很大的負面影響。因此大量的軋輥生產廠家不斷尋求新的金屬型腔涂料掛涂工藝，其中邢臺機械軋輥公司自主研發(fā)了自動噴涂料機設備。黃永渭等[1]利用離心噴涂方式制備的自動噴涂料機已成功解決了涂料層對軋輥輥身質量的影響。劉群山等[2]利用高速旋轉的離心噴頭，對預熱過的金屬鑄型內腔進行涂料反復堆積來形成涂層，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噴涂及離心金屬鑄型的優(yōu)點，采用自動離心噴涂方式對金屬型腔進行涂料覆蓋，即在鑄型旋轉時將自動噴料槍伸入型腔內前后移動來進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便等特點。

操作過程

材料及實驗設備

離心噴涂選用磷酸鋁涂料，其含有的偏磷酸鋁Al(PO3)3膠結性強、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(化學成分見表1)，磷酸(分析純)與氫氧化鋁粉混合作為粘結劑，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，后將相應配比的高鋁粉與之混合，倒入噴涂機料罐中不斷攪拌18 h待用，設計涂料比重在1.4～1.9(使用波美比重計測量)。

圖1 滾掛方式覆蓋涂料層

表1 耐火骨料高鋁粉化學成分(質量分數(shù)，%)

表2 磷酸鋁涂料配比(質量分數(shù)，%)

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×型腔長度，此金屬型對應輥身規(guī)格為φ600 mm×2400 mm的軋輥。為滿足軋輥澆鑄需要，設計金屬型內腔噴涂料層厚度為3.0 mm，需涂料約60 kg。

圖2 離心噴涂用金屬型示意圖(單位：mm)

離心噴涂作業(yè)

離心噴涂作業(yè)前需將圖2中金屬型預熱至220～300 ℃，且要求金屬型外表面與型腔內壁溫度差≤10 ℃、型腔兩端溫度差≤5 ℃。自動噴涂料機及金屬型轉速按表3進行參數(shù)設置。

表3 噴涂料機設置參數(shù)及金屬型轉速

將金屬型放置在離心機托輪上，啟動離心機，待達到要求轉速后開啟自動噴涂料機，噴涂料車的噴槍在金屬型腔內進行前后往復式噴涂作業(yè)，如圖3(a)中粗箭頭指示方向。噴涂過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，停止自動噴料機及離心機，并檢查噴涂料層表面(圖4)，仔細察看是否有涂料堆積、起皮、鼓包等缺陷。

噴涂料層厚度檢測

噴涂完畢后，在型腔內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φ1 mm孔洞5處(深至金屬型腔壁)，并使用游標卡尺的深度尺進行涂料層厚度測量，數(shù)據(jù)見表4。

從表4中可以看出，金屬型腔內均勻分散測量的20個涂料層厚度在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計厚度(3.0 mm)的差值≤0.2 mm。

離心噴涂后金屬型的使用

離心噴涂金屬型確認合格后，將其運回燃氣爐進行保溫烘干，溫度控制在200 ℃，并保溫1～2 h。保溫結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。

圖3 自動噴涂機離心噴涂作業(yè)過程

圖4 離心噴涂完畢后金屬型腔內部

表4 涂料層厚度數(shù)據(jù)

表5 軋輥輥身鐵水成分(質量分數(shù)，%)

將保溫烘干結束的金屬型吊運至離心機托輪上，啟動離心機轉動，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，繼續(xù)下一步軋輥鑄型合箱、澆注軋輥輥頸鐵水等工序，最后進行軋輥鑄坯箱內保溫。

表6 鐵水澆注操作參數(shù)

實驗結果與分析

實驗結果

工藝要求輥身直徑為φ600 mm的軋輥鑄坯在保溫100 h后方可鑄型開箱。軋輥輥身金屬型開箱后觀察鑄坯表面質量。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，且無粘鐵情況。軋輥鑄坯確認無缺陷后進行輥身車削加工，直徑方向加工去除10 mm后進行肖氏硬度檢測及超聲波探傷，數(shù)據(jù)如表7。硬度檢測是在輥身軸向選擇間隔90°的4條母線，每條母線檢測均勻間隔5點的硬度；軋輥輥身超聲波探傷檢測執(zhí)行GB/T1504—2008標準。

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。同時按照鑄鐵軋輥國家標準(GB/T1504—2008)中超聲波探傷檢測的要求，未發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷。

圖5 開箱后軋輥鑄坯及其輥身覆蓋涂料

表7 機械加工后軋輥鑄坯輥身硬度檢測

實驗中制造的軋輥是為某大型鋼廠CSP軋機提供的φ600 mm×2400 mm型熱軋工作輥，技術標準要求輥身硬度范圍為75～80 HSD、硬度均勻性≤5 HSD、探傷無缺陷，表明實驗輥輥身各項檢測項目均符合客戶的技術標準要求。

理論分析

離心噴涂料方式覆蓋金屬型腔的優(yōu)點可以從涂料層形成過程來分析，但無論是滾掛涂料方式還是離心噴涂料方式，涂料層均會形成粘結區(qū)、聚水層區(qū)和表層區(qū)3個厚度區(qū)域，如圖6所示。兩種涂料的噴掛方式在3個厚度區(qū)域形成的時間段上有所差異，主要以滾掛方式與離心噴涂方式對磷酸鋁涂料層形成過程做分析。

滾掛方式

如圖1中所示，滾掛方式是一次性將涂料液全部傾入滾動的金屬型腔內，因此三個區(qū)域幾乎同時形成。操作所使用的磷酸與氫氧化鋁混合粘結劑在配制過程中的基本反應公式：

圖6 涂料層形成的3個厚度區(qū)域

由公式知，磷酸鋁涂料含有大量的磷酸二氫鋁(Al(H2PO4)3)及反應水分，當涂料進入200 ℃以上的金屬型內腔時，直接接觸型腔內壁的涂料中的磷酸二氫鋁與高鋁粉迅速受熱反應，固化形成粘結區(qū)，同時大量的水分受熱向型腔中心的涂料層遷移；涂料層最內側的表層區(qū)域也同時向型腔中心逸出水汽，并反應固化，因此在涂料層粘結區(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，并在金屬型旋轉的帶動下形成渦流，難以排出。隨著金屬型的旋轉，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)時間延長。由于水汽的逸出困難，時而在涂料層表面上可觀察到涂料起泡、鼓包的現(xiàn)象存在，同時后續(xù)金屬型在燃氣爐保溫烘干中水汽仍在不斷逸出，耗時耗能。

離心噴涂方式

如圖3所示，離心噴涂方式是利用自動噴涂料車將噴槍伸入滾動的金屬型內腔中，沿著金屬型軸向中心線進行前后往復移動噴涂的操作過程，且金屬型兩端無需安裝端蓋，因此型腔內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腔壁上層層堆積，因此涂料層中的3個區(qū)域也分為先后3個階段形成。

(1)最先形成的涂料粘結區(qū)：開始離心噴涂前期，涂料直接與金屬型內腔壁接觸，由于內壁溫度高，涂料層中水分迅速從金屬型兩端散失，由于此時涂料層較薄，金屬型的熱量也能向涂料層傳導更充分，所以此厚度區(qū)域內磷酸二氫鋁與高鋁粉骨料的受熱反應也更容易進行，緊緊的粘覆在粗糙的金屬內壁(Ra12.5)上，在涂料層3個區(qū)域中成型結合強度也是最高。

(2)涂料聚水層區(qū)：隨著涂料在粘結區(qū)之上的層層覆蓋、金屬型旋轉時間的延長，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、遷移也相對粘結區(qū)困難，水分含量的增加意味著涂料成型結合強度的下降，如果噴涂料車往復移動速度過快，致使涂料層堆疊速度增加，就會導致水分快速在涂料層內積累，因此離心噴涂過程中涂料的剝落、分層等問題也多發(fā)生于此厚度區(qū)域內。因而在離心噴涂中要控制好自動噴涂料車的移動速度，同時在噴涂后期配合提升50～80 r/min的小幅度金屬型轉速可使涂料層致密性更好。

(3)涂料表層區(qū)：噴涂料操作結束階段，涂料層表層直接與空氣接觸，隨著金屬型腔內水汽全部散失殆盡，涂料層內外濕度梯度變大，水汽迅速從涂料層表面向外遷移，表面干燥程度高，因此涂料層表層光潔度較好、成型結合強度高。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合強度直接影響著軋輥鑄坯輥身的成型質量，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3個厚度區(qū)域的水氣排除更快、更徹底，因此涂料層的成型時間較滾掛方式更短，同時涂料結合強度也隨之增加，整個涂料內外層整體質量大幅提升。

結束語

離心噴涂料方式是利用自動噴涂料機層層噴涂金屬型內腔，因此涂料層厚度均勻性得到極大保證，同時在自動噴涂料車移動速度設置合理的基礎上，金屬型腔中的水汽隨著噴涂作業(yè)過程一同散失，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)時長及金屬型烘干時長。因而離心噴涂料的優(yōu)勢為：(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)時長，并間接節(jié)約大量能耗。