热等离子浇铸修复轧辊设备及方法与流程

本发明涉及冶金工程技术领域，尤其是涉及一种热等离子浇铸修复轧辊设备及方法。

背景技术：

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、磨损和温度变化的影响。轧辊包括芯部(也称辊芯，包括辊轴和辊颈)和同轴布设在芯部外侧的辊身外层(也称外层或工作层)。复合轧辊的辊身外层和芯部用不同材质制作，两种材质之间为冶金结合，辊身外层为工作层且其外表面为辊面，轧辊既能满足轧机对辊身耐磨性、抗热疲劳等性能的要求，同时又保证了芯部和辊颈的强韧性。

轧辊(如热轧辊)是轧钢过程中最主要的易损件，实际使用过程中，要承受复杂的冷热疲劳、热氧化和高温磨损等作用，使得轧辊辊面很容易磨损，尺寸超差时必须停机换辊。轧辊的使用寿命在很大程度上决定轧钢的生产效率和成本。为此，人们正在采取各种工艺手段对尺寸超差的轧辊进行修复，实现再次使用，降低成本。目前，最主要的修复方法是通过堆焊方式进行的。

本申请人发现现有技术中至少存在以下技术问题：

目前，所采用的堆焊修复轧辊的方法，主要存在以下六方面问题：

第一、焊接过程中始终要加热，还要进行多次热处理，耗电量非常大；

第二、现有堆焊修复工艺，焊丝为必备的大量消耗的材料，剩余的料头和加工时车削下的碎屑都变成了废品，无法利用；

第三、堆焊工艺虽然采用自动焊机，但大量的、长时间的、反复的堆焊工作造成劳动强度大，而且焊机使用时也需要专人监管；另外，高温、弧光的辐射，造成了工作环境恶劣，周边空气污染；

第四、由于堆焊过程中易产生气孔、夹杂和焊渣，焊层不均匀，不平整，因此要多堆焊10毫米以上，尺寸不够，就得重新堆焊，成功率低；

第五、采用堆焊修复速率很低，要花费很长时间，修复周期至少要2～3个月，造成废旧轧辊的大量库存和积压；

第六、由于修复周期长，轧辊离线时间长，设备利用率低；为保证生产，不得不投入大量的资金订购新轧辊，企业不堪重负。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供热等离子浇铸修复轧辊设备及方法，以解决现有技术中存在的修复轧辊费时费力、成本高、效率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种热等离子浇铸修复轧辊设备，包括物料输送连接的熔料系统和浇铸系统，为所述熔料系统提供热能使物料熔化的加热系统、与所述熔料系统、所述浇铸系统和所述加热系统均连接的辅助系统；所述加热系统为等离子加热系统；

还包括行走装置，所述熔料系统设置在所述行走装置上，从而使所述熔料系统能沿待修复轧辊轴向往复移动；

还包括升降装置，所述加热系统通过所述升降装置与所述行走装置活动连接，从而使所述加热系统能够相对于所述熔料系统在竖直方向升降。

通过采用等离子熔炼修复轧辊所用的物料，能快速将物料加热、熔化至液态，然后连续浇铸到轧辊上，除浇铸前需对轧辊加热外，无需再进行加热及热处理，节电25％以上；炉内气氛可控，能保证物料成分的纯净，可实现恒温浇铸，保证浇铸质量。

作为本发明的进一步改进，所述熔料系统包括熔炼炉，所述熔炼炉上部设置有加料口、下部设置有浇铸口，顶部设置有供所述加热系统进入的开孔，所述开孔旁侧开设有排气口，所述浇铸口上设置有导流管，所述导流管末端与所述浇铸系统衔接设置。

作为本发明的进一步改进，所述熔炼炉内腔底部设置有导电砖，所述导电砖下方铺设有金属导电板，所述金属导电板与所述辅助系统电连接，所述等离子加热系统为直流转移弧型等离子体枪(31)，所述熔炼炉底部设置有称重传感器。

作为本发明的进一步改进，所述浇铸系统包括转动装置、结晶器和固定支架，待修复轧辊安装在所述转动装置上，所述结晶器安装在所述固定支架上，所述结晶器表面为弧形结构，且该弧形与待修复轧辊为同心结构，待修复轧辊表面和所述结晶器表面之间形成工作层浇铸区，所述导流管末端在所述工作层浇铸区入口上方。

作为本发明的进一步改进，所述结晶器由多个沿待修复轧辊轴向并排设置的结晶单元组成，每个所述结晶单元结构相同，均包括结晶壳体和设置在所述结晶壳体内的至少一根冷却管线，所述结晶壳体靠近所述工作层浇铸区的表面采用紫铜材料制成。

作为本发明的进一步改进，所述结晶器靠近所述工作层浇铸区入口侧设置有导流部，还包括预先焊接于待修复轧辊圆周上的浇铸挡板和挡环，所述挡环的数量为两个分别位于轧辊两端，所述浇铸挡板和所述挡环采用与待修复轧辊相同材料制成，所述结晶器、待修复轧辊、所述浇铸挡板和所述挡环之间形成浇铸区。

作为本发明的进一步改进，所述升降装置包括操控支架、枪夹持器、涡轮和螺杆，所述操控支架竖直安装在所述行走装置上，所述螺杆沿所述操控支架长度方向设置，所述枪夹持器通过所述涡轮旋接在所述螺杆上，所述加热系统中的等离子体枪固定设置在所述枪夹持器上。

作为本发明的进一步改进，所述辅助系统包括水冷循环装置、压缩空气装置和配电自控装置，所述水冷循环装置与所述加热系统和所述浇铸系统均连接；所述压缩空气装置与所述加热系统连接；所述配电自控装置与所述熔料系统、所述浇铸系统、所述加热系统、所述行走装置和所述升降装置均电连接。

作为本发明的进一步改进，所述行走装置包括小车、行走轮和行走轨道，所述小车通过所述行走轮与所述行走轨道活动连接，所述熔料系统、所述升降装置均设置在所述小车上。

本发明提供的一种利用所述热等离子浇铸修复轧辊设备对待修复轧辊进行热等离子浇铸修复的方法，该方法包括以下步骤：

步骤a：熔料系统准备，打开加料口上法兰板向熔炼炉内添加待熔化物料，称重传感器计量装料量，装料完毕后封闭加料口上的法兰板；

步骤b：加热系统准备，通过升降装置控制等离子体枪通过熔炼炉顶部开孔插进熔炼炉内，调整好等离子体枪的高度后依次启动水冷循环装置、压缩空气装置，直至空气和冷却水压力、流量正常；控制配电自控装置为等离子体枪电源送电，空载调整至等离子体枪将要启动的参数，等待点弧；

步骤c：浇铸系统准备，浇铸前使待修复轧辊表面预热至300-400℃，结晶器安装到固定支架上，并使结晶器与浇铸挡板及两端的挡环顶紧，从而使工作层浇铸区间距符合修复的工作层要求，控制水冷循环装置向结晶器内通冷却水，转动装置和行走装置均通电后处于热备状态；

步骤d：物料熔炼，启动加热系统中的高频点火装置，使等离子体枪起弧形成非转移弧，待电弧稳定后控制等离子体枪与熔炼炉底部的金属导电板之间形成转移弧，高温等离子体开始熔化熔炼炉内的物料，当物料全部熔化成液态钢水后，降低等离子体枪的功率，使炉温保持在1450-1500℃，然后开始浇铸，过程如下：

步骤d-1：拔开导流管上的管塞，液态钢水流到待修复轧辊外圆与结晶器、浇铸挡板及两端的挡环之间的工作层浇铸区内，行走装置由轧辊一端向另一端移动，同时轧辊在转动装置的驱动下也开始逆时针旋转；

步骤d-2：进入到工作层浇铸区内的钢水在结晶器一侧，被结晶器降温，表面凝结；而在轧辊及浇铸挡板及两端的挡环之间的钢水，由于预热温度在300～400℃之间，被炽热的钢水将轧辊及浇铸挡板及两端的挡环表面熔化，熔融在一起，形成冶金结合层即工作层；

步骤d-3：行走装置不断地往复行走从而带动熔料系统内的钢水沿轧辊轴向往复浇铸形成条形工作层；在行走装置移动过程中，轧辊保持逆时针匀速旋转，直至轧辊旋转360度，实现工作层的全部浇铸；

步骤d-4：工作层浇铸完毕后，将管塞塞紧导流管口，等离子体枪停止向熔炼炉内物料加热，行走装置停止行走，转动装置停止旋转；待修复好的轧辊温度下降至400℃以下，结晶器停止工作。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明通过采用等离子熔炼修复轧辊所用的物料，能快速加热物料熔化成液态，节省能源和材料，降低了修复成本；减轻了劳动强度，提高了自动化程度，改善了工作环境；缩短了修复周期，减少了企业的负担，提高了设备及资金的利用率；可实现规模化、批量化、系列化、自动化修复。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明热等离子浇铸修复轧辊设备的结构示意图；

图2是本发明热等离子浇铸修复轧辊设备的系统示意图；

图3是本发明热等离子浇铸修复轧辊设备中浇铸挡板和挡环焊接在待修复轧辊上的结构示意图。

图中1、熔料系统；11、熔炼炉；111、耐火材料；112、炉体；12、加料口；13、浇铸口；14、开孔；15、排气口；16、导流管；17、导电砖；18、金属导电板；2、浇铸系统；21、结晶器；211、结晶壳体；212、冷却管线；22、工作层浇铸区；23、导流部；24、浇铸挡板；25、挡环；3、加热系统；31、等离子体枪；4、行走装置；41、小车；42、行走轮；43、行走轨道；5、升降装置；51、操控支架；52、枪夹持器；100、轧辊。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种热等离子浇铸修复轧辊设备，包括物料输送连接的熔料系统1和浇铸系统2，为熔料系统1提供热能使物料熔化的加热系统3、与熔料系统1、浇铸系统2和加热系统3均连接的辅助系统；加热系统3为等离子加热系统3；还包括行走装置4，熔料系统1设置在行走装置4上，从而使熔料系统1能沿待修复轧辊100轴向往复移动；还包括升降装置5，加热系统3通过升降装置5与行走装置4活动连接，从而使加热系统3能够相对于熔料系统1在竖直方向升降。

熔料系统1用于对待浇铸到轧辊表面的物料进行熔化，加热系统3用于对熔料系统1内的物料提供加热源，从而使得物料被加热熔化；物料被熔化成液态物料后由熔料系统1进入到浇铸系统2内在轧辊表面浇铸成形，在轧辊表面凝固成所需的工作层，从而实现轧辊的修复工作，由于轧辊具有一定长度，所以设置行走装置4，通过行走装置4带动熔料系统1沿轧辊100轴向移动，从而完成对整个轧辊表面的工作层浇铸修复工作；升降装置5能够控制加热系统3相对于熔料系统1的升降，从而实现加热系统3伸进熔料系统1内对物料进行加热或从熔料系统1里取出。

通过采用等离子熔炼修复轧辊所用的物料，能快速将物料加热、熔化至液态，然后连续浇铸到轧辊上，除浇铸前需对轧辊加热外，无需再进行加热及热处理，节电25％以上；炉内气氛可控，能保证物料成分的纯净，可实现恒温浇铸，保证浇铸质量。

作为可选的实施方式，熔料系统1包括熔炼炉11，熔炼炉11采用立式，整体为圆柱形，熔炼炉11上部侧面装有倾斜的加料口12，物料可由此送入炉中；熔炼炉11下部设置有浇铸口13，浇铸口13上设置有导流管16，导流管16末端与浇铸系统2衔接设置；炉内物料融化后沿导流管16流出；熔炼炉11的炉盖为弧形，与炉体112法兰连接，顶部开孔14，等离子体枪31由此开孔14插入炉内，开孔14旁侧还开有排气口15，废气从排气口15排出；

熔炼炉11内腔底部设置有导电砖17，导电砖17采用现有技术中的产品实现，为含有mg、al的具有耐火和导电性能的砖；导电砖17下方铺设有金属导电板18，金属导电板18与辅助系统的电源正极相连，等离子加热系统3为直流转移弧型，熔炼炉11底部设置有称重传感器，可称其重量。采用直流转移弧等离子体枪31作为加热源，配备大功率可调直流电源，配套冷却循环水和气体介质，采用高频点弧，实现炉内温度与加热功率的闭环控制。熔炼炉11的炉体112采用钢板焊接制成，内衬耐火材料111，该耐火材料111为耐火砖，且炉体112为夹套结构，夹套内填充有保温层；保温层采用珍珠棉或岩棉制成，当然保温层112还可以采用其他具有保温效果的材料制成，并不局限于上述列举的两种。本发明中，加热系统3由等离子体枪31、直流电源及点火装置组成，其中，等离子体枪31采用直流转移弧型，功率不小于300kw，枪体为不锈钢材料，使用寿命长，电极采用紫铜或耐高温合金材料，直流电源采用igbt逆变电源或可控硅整流，点火采用高频高压装置引燃等离子体。

浇铸系统2包括转动装置、结晶器21和固定支架，待修复轧辊100安装在转动装置上，结晶器21安装在固定支架上，结晶器21表面为弧形结构，且该弧形与待修复轧辊100为同心结构，待修复轧辊表面和结晶器21表面之间形成工作层浇铸区22，导流管16末端在工作层浇铸区22入口上方。转动装置作用是固定轧辊100，并在浇铸时控制轧辊旋转，转动装置可采用现有技术中的机床实现，转动装置可调整转速和转向；为了方便结晶器21的拆装，减小设备重量，结晶器21由多个沿待修复轧辊轴向并排设置的结晶单元组成，每个结晶单元结构相同，均包括结晶壳体211和设置在结晶壳体211内的至少一根冷却管线212，结晶壳体211靠近工作层浇铸区22的表面采用紫铜材料制成；通过在结晶器21内设有水道，浇铸时通水冷却，沿轴向有多个单元组成；浇铸面由紫铜或导热良好的金属材料加工，弧形与轧辊同心，为浇铸后应有的半径尺寸，通过以上结构设计，不仅减小结晶器21重量，方便拆装，而且由于结晶器21为单元结构设计，如果某个结晶单元损坏可仅更换该结晶单元即可，减低使用成本。水冷结晶器21与钢水的接触面采用导热性良好的紫铜材料，紫铜与钢水不相融，且表面光滑，有利于轧辊的成型和旋转。结晶器由多段组合而成，每段都具备水冷及调节固定支架。

固定支架固定结晶器21，转动装置夹持轧辊100，使轧辊100牢固地固定在机床上，机床主轴可无极调速；通过更换不同规格结晶器21以及调整固定支架的安装高度，调整结晶器21与轧辊100外圆的间距，使其符合浇铸尺寸，通过闭环控制实现浇铸速率与轧辊旋转速度的匹配，即通过熔炼炉11底部的称重传感器获知单位时间内物料输出量，根据工作层厚度以及轧辊长度，从而通过辅助系统中的plc系统控制转动装置的旋转速度，以实现物料的输出速度和轧辊转速的匹配。

由于工作层浇铸区宽度不大，一般为5cm，而液态的钢水由导流管16流入浇铸区时，如果流速过快易发生溢流或泄露，因此，本发明中，在结晶器21靠近工作层浇铸区22入口侧设置有导流部23。导流部23为斜面结构，从而增大浇铸区入口面积，不仅起到对钢水的导流作用，而且还可以防止钢水在浇铸过程中溢流问题。

为了防止浇铸时钢水注入到工作层浇铸区22内时，会立刻凝固，导致浇铸失控，本发明中如图3所示，还包括预先焊接于待修复轧辊100圆周上的浇铸挡板24和挡环25，挡环25的数量为两个，分别位于轧辊100两端，浇铸挡板24和挡环25采用与待修复轧辊100相同材料制成，结晶器21、待修复轧辊100、浇铸挡板24和挡环25之间形成初始浇铸区。在浇铸开始时，调整浇铸挡板到浇铸口附近，距结晶器上口150～200毫米处，避免热量过快的散失。初始浇铸区完成浇铸后即可进行连续浇铸。

作为可选的实施方式，升降装置5包括操控支架51、枪夹持器52、螺杆和涡轮，操控支架51竖直安装在行走装置4上，螺杆沿操控支架51长度方向设置，枪夹持器52通过涡轮旋接在螺杆上，加热系统3中的等离子体枪31固定设置在枪夹持器52上。

辅助系统包括水冷循环装置、压缩空气装置和配电自控装置，水冷循环装置与加热系统3和浇铸系统2均连接；压缩空气装置与加热系统3连接；配电自控装置与熔料系统1、浇铸系统2、加热系统3、行走装置4和升降装置5均电连接。

水冷循环装置包括依次连接的水箱、水泵、过滤器、软化设备及阀门、管线等，用于等离子体枪31电极及结晶器21的冷却。

压缩空气装置包括依次连接的空气压缩机、储气罐、干燥器、过滤器及阀门、管线等，作用是给等离子体枪31提供纯净、无油、无水的压缩空气，作为电离介质。

配电自控装置包括：整套系统的供、配电及操控设备。操控设备采用现有技术中的产品经编程实现，控制参数包括：等离子体枪31的启动运行、参数调节、工艺连锁及安全保护；浇铸时炉料温度、流率、行走装置的行走速度与轧辊旋转速度、轧辊温度及结晶器表面温度的闭环控制。

配电自控装置具体组成是：电源开关柜、动力配电柜、plc机柜、各类传感器及仪表。

行走装置4包括小车41、行走轮42和行走轨道43，小车41通过行走轮42与行走轨道43活动连接，熔料系统1、升降装置5均设置在小车41上。行走装置4类似于轨道车，熔炼炉11与操控支架51坐落并固定在小车41上，操控支架51固定等离子体枪31，可驱动和控制等离子体枪31上下运动，并固定连接有等离子体枪31的电缆、水、气管线；浇铸时行走装置4载着熔炼炉11，沿轧辊100轴向行走在浇铸区间往返移动，速度及范围可依情况设定、调节。

本发明提供的一种利用热等离子浇铸修复轧辊设备对待修复轧辊进行热等离子浇铸修复的方法，该方法包括以下步骤：

步骤a：熔料系统准备，打开加料口12上法兰板向熔炼炉11内添加待熔化物料，称重传感器计量装料量，装料完毕后封闭加料口12上的法兰板；

步骤b：加热系统准备，通过升降装置5控制等离子体枪31通过熔炼炉11顶部开孔14插进熔炼炉11内，调整好等离子体枪31的高度后依次启动水冷循环装置、压缩空气装置，直至空气和冷却水压力、流量正常；控制配电自控装置为等离子体枪31电源送电，空载调整至等离子体枪31将要启动的参数，等待点弧；

步骤c：浇铸系统准备，浇铸前使待修复轧辊表面预热至300-400℃，结晶器21安装到固定支架上，并调整好结晶器21与待修复轧辊100之间的距离，使结晶器21与浇铸挡板24及两端的挡环25顶紧，从而使工作层浇铸区22间距符合修复的工作层要求，控制水冷循环装置向结晶器21内通冷却水，转动装置和行走装置4均通电后处于热备状态；

步骤d：物料熔炼，启动加热系统3中的高频点火装置，使等离子体枪31起弧形成非转移弧，待电弧稳定后控制等离子体枪31与熔炼炉11底部的金属导电板18之间形成转移弧，高温等离子体开始熔化熔炼炉11内的物料，当物料全部熔化成液态钢水后，降低等离子体枪31的功率，使炉温保持在1450-1500℃，然后开始浇铸，过程如下：

步骤d-1：拔开导流管16上的管塞，液态钢水流到待修复轧辊外圆与结晶器21、浇铸挡板24及两端的挡环25之间的工作层浇铸区22内，行走装置4由轧辊一端向另一端移动，同时轧辊在转动装置的驱动下也开始逆时针旋转；

步骤d-2：进入到工作层浇铸区22内的钢水在结晶器一侧，被结晶器21降温，表面凝结；而在轧辊及浇铸挡板24及两端的挡环25一侧的钢水，由于预热温度在300～400℃之间，被炽热的钢水将轧辊及浇铸挡板24及两端的挡环25表面熔化，熔融在一起，形成冶金结合层即工作层；

步骤d-3：行走装置不断地往复行走从而带动熔料系统1内的钢水沿轧辊轴向往复浇铸形成条形工作层；在行走装置4移动过程中，轧辊保持逆时针匀速旋转，直至轧辊旋转360度，实现工作层的全部浇铸；

步骤d-4：工作层浇铸完毕后，将管塞塞紧导流管口，等离子体枪31停止向熔炼炉11内物料加热，行走装置4停止行走，转动装置停止旋转；待修复好的轧辊温度下降至400℃以下，结晶器21停止工作。

本发明与现有技术相比，增加了浇铸设备，主要是：等离子熔炼炉、行走装置、结晶器、控制系统和其它辅助设备。用于固定轧辊的转动装置、用于对轧辊进行粗磨的大型仿形磨床、为轧辊进行预热的热处理炉和检验检测及试验设备保持不变。

本发明的轧辊修复设备和方法，除个别地方需补焊外基本不用焊丝，改用与工作层成分相同的物料，直接在熔炼炉中熔融，料头和碎屑可重新回炉，再次利用，降低了修复成本和材料的消耗；通过等离子浇铸，减少了庞大工作量和劳动强度，提高了自动化程度，改善了工作环境，减少了污染；本发明浇铸温度比焊接温度低，温差小，产生内应力很小，中心偏差小，无夹杂和孔隙，外圆平整，尺寸可精确控制，无需多大余量，成功率高；本发明的浇铸工艺具有时间短的特点，仅需一天时间即可完成轧辊修复工作；本发明修复周期大大缩短，企业不必购买过量的新轧辊；旧轧辊可在较短时间内得以修复，加快了设备的周转，提高了利用率，减少了大量的库存和资金的占用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。