一种冷却辊及其装配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种冷却辊及其装配方法，所述冷却辊包括辊套和辊芯，辊套设置于辊芯的外周，辊套与辊芯过盈装配；辊套内径与辊芯外径之间的过盈比例为2～3.5

【技术实现步骤摘要】
一种冷却辊及其装配方法


[0001]本专利技术属于冷却辊制备
，特别涉及一种冷却辊及其装配方法。

技术介绍

[0002]非晶纳米晶合金是近年来迅速发展起来的一类软磁材料，与传统的电工钢、铁氧体等软磁材料相比具有更高的磁导率、更低的交流损耗，已经广泛应用于变压器、电感器、互感器、电机定子等磁性元器件中的铁心。
[0003]非晶纳米晶合金带材一般采用平面流技术制造，其技术原理是：使一定成分的合金液在高速旋转的冷却辊的外圆周表面快速凝固、形成具有非晶态结构的连续薄带。其方法是：将一定配比的原料用冶炼炉熔化成合金液；然后，将合金液浇入底部带有狭缝喷嘴的喷嘴包中；喷嘴包中的合金液从喷嘴中流出，铺展在喷嘴下方的高速旋转的铜合金冷却辊外圆周表面，并在冷却辊表面与喷嘴底面之间形成一定尺寸的熔潭，合金液迅速地被抽出并快速冷却，同时喷嘴缝中的合金液持续补充到熔潭中，从而形成具有非晶结构的连续薄带。薄带紧贴冷却辊外表面随冷却辊高速旋转，并在冷却辊外圆周表面的适当位置由高压气体或机械装置剥离，最后由卷取装置将薄带卷绕成卷。
[0004]其中的冷却辊是实现合金液快速凝固的核心部件，如附图1所示，它一般由圆环形辊套和圆柱形辊芯两个部件过盈装配而成，并在辊套内表面与辊芯外圆周表面之间形成一个薄环形通道，在该通道中通入高速流动的冷却水，通过强制对流方式带走由辊套外表面向辊套内表面传导的热量。其中辊套通常采用兼有高导热率和高强度的铜合金制造，例如CuBe、CuNiSi、CuCrZr等，辊套的直径一般在400mm～2000mm之间，辊套厚度一般在5～30mm之间。辊套的制造及装配工艺一般包括：铜合金冶炼、铸造、多次锻造或轧制及退火、固溶处理、时效处理、机加工、过盈装配、安装使用。当辊套受热变形时，辊套外表面形成鼓形的辊面，如图4所示，鼓形的辊面使辊面与喷嘴底面的距离(辊嘴间距)变得不均匀，带材宽度中间区域的间距明显小于两侧，使得带材宽度中间区域的合金液流量小于两侧，造成所生产带材的横向厚度不均匀，形成中间薄、两侧厚的“凹芯”板型，严重降低叠片系数。在制带过程中，辊面上的某一点在进入熔潭位置、接触到高温状态的合金液时，会由于受到热冲击使局部温度瞬间升高到约300℃以上，而当该点离开熔潭后，由于热量迅速地向辊套内部传导，其温度又急剧降低，因此在周期性的热冲击作用下，辊面温度也呈周期性变化，如附图5所示(图中虚线为辊面平衡温度)。在辊面刚刚接触合金液时，辊面材料急剧受热而膨胀，此时内应力为压应力，随后，热量向辊套内部传递，辊套1迅速冷却而收缩，此时为拉应力，辊套表面上某一点在一个旋转周期内的内应力变化示意图如图6所示。现有技术中冷却辊装配方法如图7所示，先对辊套进行时效处理，然后对时效处理后的辊套进行机加工；将机加工后的辊套进行预热，将预热后的辊套与辊芯进行热装最后安装使用。在此过程中，辊套的预热和时效处理是分开进行的。
[0005]在非晶合金带材制造过程中，随着冷却辊的高速旋转，辊套外圆周表面受到合金液的周期性热冲击作用，造成了辊套热凸度不均匀和热应力使辊面产生热疲劳两大问题。
然而，现有技术大多数并未充分考虑这些问题。例如，由于辊面热凸度不均匀，导致辊嘴间距的不均匀，容易使所制造带材出现凹芯板型，现有技术大多将喷嘴底面加工成弧面，与辊面热凸度相抵消；但这种方法无法补偿时刻变化着的辊面热凸度。又如，为了减轻辊面热疲劳，现有技术总是设法提高辊套材料的机械强度，但改善幅度非常有限。虽然也有人考虑到上述问题、并给出了一些解决方案，但又带来了其他问题，并且适用范围有限。
[0006]中国技术专利CN2452652Y公开了一种非晶喷带设备用弧形喷嘴，将喷嘴底面加工成弧形，与辊面热凸度基本抵消，使得带材宽度方向的辊嘴间距基本一致，从而改善带材板型。然而，这种方法一方面增加了喷嘴加工量、容易造成喷嘴加工缺陷，另一方面用于辊面热凸度是随制带时间和工艺条件而不断变化的，因而预先加工出的喷嘴底面弧度并不能很好地补偿时刻变化着的辊面热凸度。
[0007]美国专利US4537239公开了一种非晶合金带材制造用CuBe2合金辊套的制造方法，采用预应力技术来避免辊面热凸度问题。其辊套直径为15吋(约380mm)，辊套初始厚度约为1/4吋(6.35mm)。其辊套与辊芯之间的半径过盈量为0.076cm(过盈比例约为3.94
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)。然后，将辊套加热到316℃均温一定时间，继而将辊芯套入辊套内部。待辊套冷却后，辊套的收缩将使其紧紧地箍在辊芯上，实现过盈装配，并在辊套内部产生75000psi(约为517MPa)的拉伸预应力。由于辊套被内应力预先拉伸，因此在冷却辊使用时，辊套受热只减小了其内应力，而不再产生热膨胀，消除了热凸度问题。同时，由于辊套内部始终呈拉应力状态，不存在交替的内应力，因此避免了辊面热疲劳，延缓了辊面恶化。然而，这种方法存在诸多不足：其一，经简单计算可知，在该技术方案中，辊套被加热到目标温度后，其相对膨胀量约为5
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，而设计过盈量高达近4
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，这就造成室温状态辊芯的外径与高温状态辊套的内径之间的裕量仅有约0.4mm左右，如果进一步考虑到辊芯与辊套的不圆度、尺寸偏差及温度不均匀导致的热膨胀差异等因素，将辊芯套入辊套内部的难度很大，对辊芯及辊套的机加工精度及热装设备的定位精度等要求都极为严苛。其二，辊套在装配之前已经完成固溶处理和时效处理，时效强化作用使得辊套的力学性能(强度或硬度)已经处于最佳状态。因此，辊套装配之前的辊套预热必须严格控制温度和均温时间，否则，辊套会在预热时继续时效，反而使辊套的力学性能恶化(称为过时效)。为了确保辊套不产生过时效的副作用，该技术方案只能应用于辊套很薄很小、所需均温时间短的场合。而目前已经大量采用更厚、更大的辊套，辊套厚度上限已达25mm、辊套直径接近2000mm，这种大尺寸辊套在装配之前加热到温后所需的均温时间长达5小时以上，如果仍然采用该专利的技术方案，那么辊套在300℃以上的长时间保温必然会使辊套产生过时效现象，使得原本优良的力学性能丧失。其三，在该专利的技术方案中，通过过盈装配对辊套所施加的预应力达517MPa，已接近辊套材料屈服强度的50％。为了制造非晶合金厚带或对冷却速率有更高要求的非晶纳米晶带材，需要采用具有更高导热率的辊套材质。而金属材料的力学性能往往与导热率呈反向变化，更高导热率的辊套材料具有更低的强度或硬度。例如，具有较高导热率的低Be铜合金辊套材料的抗拉强度只有约600～800MPa。如果仍然采用该专利的技术方案来装配更高导热率的辊套，那么辊套内部的预应力就会过于接近辊套材料的抗拉强度，在辊套内部存在夹杂、疏松等宏观或微观缺陷时，存在辊套被拉断(爆裂)的风险。换言之，该专利的技术方案只适用于CuBe2材料的辊套，而不适用于更高导热率材质的辊套。
[0008]中国专利技术专利申请CN111804733A和CN112247478A分别公开了一种金属薄带铸轧
用铜合金辊套的装配方法，其辊套与辊芯的设计过盈比例为1.8
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种冷却辊，包括辊套和辊芯，所述辊套设置于辊芯的外周，所述辊套与辊芯过盈装配；其特征在于：辊套内径与辊芯外径之间的过盈比例为2～3.5
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。2.根据权利要求1所述的一种冷却辊，其特征在于:所述辊套材料包括铜合金，辊套在与辊芯过盈装配后，内部形成的预应力为辊套材料抗拉强度的20～50％。3.根据权利要求1所述的一种冷却辊，其特征在于：所述冷却辊还包括支撑条；所述支撑条分布于辊套内表面或辊芯外圆周表面，所述支撑条沿辊芯轴向设置，所述支撑条的高度、宽度以及相邻支撑条之间的间距均不固定。4.根据权利要求3所述的一种冷却辊，其特征在于：所述支撑条的高度小于等于10mm，所述支撑条圆周方向宽度为5～30mm，相邻支撑条之间的圆周方向间距为5～50mm。5.一种冷却辊的装配方法，其特征在于：所述装配方法包括以下步骤：将辊套进行时效处理，时效处理和预热同步进行；将...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文智，史杨，李百松，刘国栋，李志刚，
申请(专利权)人：安泰科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：