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耐热铸铁渣灌生产工艺分析

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摘要:介绍了大型渣罐铸件的结构及采用铸钢材料制造时出现的问题,详细阐述了耐热铸铁渣罐的生产工艺:(1)3箱造型,渣灌口朝下,4个支撑脚朝上;(2)采用22t拔塞式定量浇口杯,半封闭、侧底注式浇注系统;(3)在渣灌4个支撑脚各放置尺寸为160mm×160mm的方形冒口;(4)采用Q10生铁、球墨铸铁回炉料和优质打包废钢;(5)采用RE-Ca-Ba孕育剂和高Ca-Ba孕育剂进行孕育处理。对其各项指标的检验结果以及客户使用验证的结果表明:采用该成分生产的耐热铸铁渣灌不仅具有良好的力学性能和组织,还具有导热性好、抗高温抗氧化性强和耐热疲劳好的特点,使用寿命大大优于铸钢渣罐。

关键词:耐热铸铁;渣灌;化学成分;使用寿命

钢厂所用大型渣罐铸件质量为19500kg,外径为3380mm,高度为2550mm,灌身主要壁厚为100~105mm,铸件结构如图1所示,采用铸钢整体铸造而成。由于钢渣的温度一般在920~1340℃,在使用中渣罐氧化严重,特别是渣罐底部因钢渣反复的急冷急热,渣罐内壁就会出现龟裂;当裂纹较多、较深时,因钢渣粘附渣罐,使渣罐倒不完渣,导致渣罐失效报废。针对渣灌使用工况条件,笔者公司经过研究,决定采用耐热铸铁生产大型渣灌,耐热铸铁导热率是45~53W/m•K,而铸钢的导热率是25W/m•K,可见,耐热铸铁的导热率为铸钢的导热率的2倍。笔者从化学成分的设定、铸造工艺方案的制定、熔炼工艺方案的制定和试棒的检验结果及客户使用验证等方面,介绍大型耐热铸铁渣灌的研制过程。

1化学成分的确定

1.1C

C在基体组织中以片状晶体石墨存在,石墨的导热率是60W/m•K,而钢材的导热率是25W/m•K,由此可见,提高w(C)量,可以增加石墨数量,有利于提高罐身的导热率,使罐身在急冷急热过程中温度差减少。

1.2Si

Si有促进石墨化的作用,FeSi加入铁液中,有强烈的孕育作用。因为罐身含有合金元素Cr、Mo的碳化物,加入FeSi可以强化孕育,有利于减少Cr、Mo的碳化物,使Cr、Mo尽量多的溶入基体组织中,而且Si在铁液中具有抗氧化性。

1.3Cr、Mo

Cr可以提高基体组织的电极电位,使铸铁提高耐腐蚀性;而更为重要的是,Cr形成的Cr2O3,是致密的钝化膜,这层钝化膜均匀地包覆在铸件的表面,阻止了O原子向铸铁内部的渗入,使罐身在高温下具有很强的抗氧化性。Mo的作用和Cr类似,但Mo形成的Mo2O3钝化膜比Cr2O3钝化膜更牢固,高温抗氧化性更强,而且Mo2O3钝化膜能耐含S离子、Cl离子气体或液体的腐蚀。

1.4P

P在铸铁中容易形成低熔点的三元磷共晶,降低耐热铸铁的热强性,是需要严格控制的有害元素。

1.5微量RE元素

RE的化学性质极为活泼,可以和一些有害元素形成化合物,降低或消除有害元素的影响,使耐热铸铁有更好的使用寿命。

1.6S

首先,硫化物可以作为石墨晶核,其次,S增加C原子的选择性吸附,使石墨成片状,而片状石墨有更好的导热性,但w(S)量过高会增加脆性,所以将w(S)量控制在0.08%~0.10%。综上分析,渣灌的化学成分设计为:w(C)3.4%~3.6%,w(Si)2.2%~2.3%,w(Mn)0.80%~1.0%,w(Cr)0.7%~0.8%,w(Mo)0.35%~0.50%,w(P)<0.03%,w(S)0.08%~0.10%,w(RE)0.02%~0.03%。

2铸件的生产工艺

2.1铸造工艺方案的制定

采用实样模具,3箱造型,渣灌口朝下,4个支撑脚朝上,耳轴材料牌号为S355J2G3,预制砂芯后,落砂时预埋在砂型内。浇注时,采用22t拔塞式定量浇口杯,半封闭、侧底注式浇注系统[1-5],为了保证快速充型,设定充型时间为90~110s。因此,直浇道选用φ130mm的陶瓷管,横浇道为半圆形,尺寸为80/100mm×160mm,内浇道尺寸为60mm×12mm,共16个均布,在渣灌4个支撑脚各放置尺寸为160mm×160mm的方形冒口,铸造工艺如图2所示。

2.2熔炼工艺方案的制定

2.2.1原材料采用Q10生铁,化学成分为:w(C)4.43%,w(Si)1.07%,w(Mn)0.15%,w(P)0.025%,w(S)0.020%;回炉料为笔者公司球墨铸铁冒口及废品等,化学成分为:w(C)3.65%,w(Si)2.35%,w(Mn)0.31%,w(P)0.020%,w(S)0.015%;优质打包废钢,化学成分为:w(C)0.10%,w(Si)0.20%,w(Mn)0.50%,w(P)0.030%,w(S)0.020%;铁合金为75SiFe、Cr-Fe,Mo-Fe、Mn-Fe、FeS;孕育剂为RE-Ca-Ba孕育剂[w(RE)3.5%~4.5%]和高Ca-Ba孕育剂;固定C为99%的增碳剂。

2.2.2熔炼设备及过程控制采用30t中频熔炼炉熔炼铁液,炉料配比为10%~20%生铁+40%~50%球墨铸铁回炉料+30%~50%优质打包废钢+增碳剂,同时在熔化过程加入所需的铁合金。采用光谱分析仪检测原铁液化学成分,并符合以下要求:w(C)3.4%~3.6%,w(Si)1.80%~1.95%,w(Mn)0.80%~1.0%,w(Cr)0.7%~0.8%,w(Mo)0.35%~0.50%,w(P)<0.03%,w(S)0.08%~0.10%。在铁液温度为1450~1460℃时用25t浇包出铁,并进行孕育处理[6-9]。出铁量达到总量的1/2时,先加入0.4%的RE-Ca-Ba孕育剂,再加入0.2%的高Ca-Ba孕育剂进行孕育处理,同时,在浇口杯内放置0.1%的高Ca-Ba孕育剂。在扒渣时,使用高效除渣剂将铁液表面的渣子清除干净。

3铸件试棒检验及结果

3.1试棒检验

参照GB/T9439-2010《灰铸铁件》的要求,在铸件渣灌口外侧放置φ50mm的附铸试棒,开箱后对附铸试棒进行化学成分、金相组织和力学性能的检验。采用高频红外C-S分析仪和722N可见光光度计检验化学成分;用φ10mm×15mm试样和XJG-05大型显微镜观察组织;在WA-600KE型电液式万能试验机上检验力学性能;采用锤击布氏硬度计检测6处本体硬度。

3.2检验结果

#1渣灌的化学成分为:w(C)3.52%,w(Si)2.26%,w(Mn)0.96%,w(Cr)0.81%,w(Mo)0.39%,w(P)0.026%,w(S)0.094%,w(RE)0.024%。#1渣灌的金相组织为:石墨形态以A+C型石墨为主(如图3所示),腐蚀后的基体组织为85%珠光体+14%铁素体+1%碳化物,如图4所示。#1渣灌的力学性能为:抗拉强度168MPa,硬度219HB,本体平均硬度206HB。采用上述工艺方案,又生产3件渣灌,小批量生产渣灌附铸试棒的检验结果如表1所示,客户使用18个月后反馈其使用寿命明显优于采用铸钢生产的渣灌。

4结论

(1)采用上述化学成分生产的渣灌,其性能指标等同于灰铸铁牌号HT225的要求。(2)通过多次孕育、强化孕育处理,即使在高CE和高w(Cr)量时,也能确保渣灌具有好的强度,而且具有较少的碳化物。(3)加入Cr和Mo分别形成Cr2O3和Mo2O3。Cr2O3和Mo2O3都是致密的钝化膜,这层钝化膜均匀的包覆在铸件的表面,阻止了O原子向铸铁内部的渗入,使罐身在高温下有了很强的抗氧化性,从而延长渣灌的使用寿命。(4)采用耐热铸铁制造的渣灌,具有导热性好、抗高温抗氧化性强和耐热疲劳好的特点,使用寿命大大优于采用铸钢渣罐。

参考文献

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[2]郝政晔,郑翠华,高伟宏,等.6V5缸盖的生产工艺[J].现代铸铁,2018,(02):76-78

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[9]钱立,王峰,吕姗姗.灰铸铁的石墨分布形态及其控制[J].现代铸铁,2016,(02):38-41.

作者:柯志敏 单位:广东中天创展球铁有限公司

耐热铸铁渣灌生产工艺分析责任编辑:张雨    阅读:人次