HT350 材質焦爐爐門框的生產

2022-06-06 06:23:12馬建松郭小軍魏月明

中國金屬通報 2022年4期

馬建松，郭小軍，魏月明

本次生產的爐門框長7.5m、寬0.9m、厚0.15m ～0.3m、重3.5t，內部為中空型，材質HT350，考慮該材質的特點，鑄造難度較大，因此在試驗生產前我們對各工藝環節進行了細致的分析討論，制定了各項預案。

1 造型工藝設計

（1）縮尺確認：模具的縮尺與鑄件的線收縮有關，灰鑄鐵的線收縮是指凝固后期、鑄件內形成完整、連續固相骨架后所發生的固態收縮。它不僅關系到鑄件的尺寸大小、鑄件變形，而且也會影響鑄件內應力，甚至冷裂等鑄造缺陷的產生，灰鑄鐵的線收縮（砂型鑄造）一般在0.5%～1.3%之間，鑒于我們生產的HT350 牌號碳當量較低，根據產品最終成分我們選用1.2%的縮尺。

（2）擋渣網確認：過濾器選擇泡沫陶瓷過濾器，因其獨特的三維連通曲孔網狀骨架結構，使其具有80%～90%的開口氣孔率，可高效的濾出金屬液中的大塊夾雜物和大部分小至數十微米的微小懸浮夾雜物。我公司選用孔徑為10ppi 的過濾器，根據灰鑄鐵2.0kg/cm2～4.0kg/cm2的過濾能力，計算出有效過濾面積S=1000cm2。

（3）澆注系統設計：根據產品的結構尺寸、重量、過濾網截面積，我們設計了雙包澆注的技術方案，采用擋渣澆注系統，以此解決該種材質易出渣的問題。

（4）補縮冒口設計：在產品一端壁厚較厚的位置，設計補縮冒口，通過后續冒口的發熱、補縮作用保證產品的質量。

2 成分選擇

C：降低含碳量必然減少了石墨的析出量，從而減少了石墨對金屬機體的影響，含碳量的降低促進了初生奧氏體的析出，從而使鑄鐵的強度明顯提高。本次我們選擇的碳范圍為2.75%～2.95%。

Si：硅是促進石墨化的元素，有一個固溶強化作用，隨著鐵水中硅量的適當增加，收縮傾向是減少的，對改善工藝性能是有益的。

硅的固溶強化效果與孕育方式有關，不能采取大劑量的孕育方式，否則硅量過高機體中會產生很多的鐵素體，而鐵素體得到固溶強化也沒有珠光體性能高，在孕育的環節大劑量的孕育是不可取的，而應該是適量孕育。因此我們采用孕育量0.4%，終硅1.7%～1.9%的最終方案。

Mn：在0.1%～1.0%的范圍內，錳低反而性能高，錳高反而性能降低，但錳不能降低過低，否則鐵水流動性差，收縮也嚴重。因此最終我們控制在0.8%～0.9%之間。

P：鐵水中的磷對微觀收縮影響很大，由于磷容易偏析并在晶界處形成低熔點的磷共晶，磷共晶的熔點比鐵碳硅熔點低200℃，共晶凝固結束后在晶界處仍然存在低熔點的液態合金，導致形成微觀縮松，鑒于此，我們將磷含量的上限定為0.075%。

S：灰鑄鐵中的硫過低是有害的，石墨的形態差，石墨容易長成有害的粗大片狀石墨，由于鐵水中的碳原子更容易在粗大的片狀石墨上富集，使大量的石墨晶核無法長成片狀石墨，使凝固后期的鐵水得不到有效的石墨化而產生嚴重的收縮，孕育后的效果也不好。當硫含量低于0.05%時，一定要進行增硫處理，否則孕育效果差。

雖然硫是阻礙石墨化的元素，但是我們正是利用這一點，在鐵水的成核能力很好，孕育做的很好的情況下，正是硫阻礙石墨長成粗大片狀，從而給了其他的石墨晶核成長成片狀石墨的機會，達到了使石墨細化，數量增多，分布均勻的目的。

但灰鑄鐵中的硫過高也是有害的，畢竟硫是阻礙石墨化元素，硫量過高，會增加白口。

加硫能提高灰鑄鐵的性能是由于硫使得石墨形態得到細化，并同時細化共晶團，隨著硫量提高，石墨長度變短，端部變鈍，形態變得彎曲，因此提高了鑄鐵的性能。我們最終選擇的硫的范圍為0.06%～0.08%之間。

3 爐料配比確認

全廢鋼熔煉：電爐熔煉采用全廢鋼增碳工藝是提高材質性能的重要措施，由于增碳促進了石墨晶核，使石墨得到細化，石墨的分布更均勻，均勻分布的、得到適當細化了的石墨對提高灰鑄鐵的強度顯然是非常有利的，同時也使得鐵水的收縮傾向減少，因此先進的廢鋼增碳工藝熔煉的鐵水要比不用增碳劑而大量使用生鐵熔煉的鐵水收縮傾向減小，材質性能高。

從技術角度說，多用生鐵是不科學的，一是強度性能受到影響，這一點許多人都能接受，也有這方面的經驗。但是如果說多用生鐵和多用廢鋼相比，鐵水的收縮傾向反而更大，相信許多人是不會認同這個觀點的。

多用生鐵為什么會性能降低，而且收縮增大呢？

生鐵中有許多粗大的過共晶石墨，這種粗大的石墨具有遺傳性，如果熔煉溫度低，粗大石墨不容易消除，粗大的石墨組織更容易遺傳，粗大石墨使得鐵水中的碳原子容易往粗大的石墨上富集，使凝固過程中本應該在其他部位產生的石墨化析出的作用削弱，因此使鐵水凝固過程中的局部收縮傾向增大，粗大的石墨又必然降低了材質的性能。

但是鑒于全廢鋼熔煉會嚴重增加電耗，延長熔煉時間，綜合考量，我們選擇的爐料配比為生鐵20% ～30%，廢鋼70%～80%。

增碳劑選用：對于電爐熔煉，推薦采用全廢鋼工藝，這就必須解決增碳技術，增碳劑就成為增碳技術中最重要的環節，增碳質量的好壞決定了鐵水質量的好壞，增碳工藝能否獲得好的石墨化效果，減少鐵水的收縮傾向，提高材質性能，主要取決于增碳劑。

增碳劑一定要選擇經過高溫石墨化處理的增碳劑，只有經過高溫石墨化處理，碳原子才能從原來的無序排列狀態過渡到片狀石墨的有序排列狀態，片狀石墨才能成為石墨形核的最好核心，促進石墨化。經高溫石墨化處理，增碳劑中的氮、氫元素含量才能降低，防止鑄件產生氣孔。

如果選用的增碳劑沒有經過高溫石墨化處理，石墨的形核能力就大大降低，石墨化能力減弱，即使達到同樣的碳量，但結果確是完全不同的。好的增碳劑的一個重要指標是S 小于0.03%。

4 熔煉參數確認

熔煉溫度選擇：對于電爐熔煉而言，鐵水溫度過熱到1500 以上是非常有害的，1500℃以上高溫時間過長，鐵液中的碳燒損嚴重，晶核數量減少，導致鐵水收縮傾向增大，白口傾向嚴重。

電爐熔煉灰鑄鐵不推薦鐵水溫度高于1500℃以上，即使大量采用生鐵熔化，為了消除生鐵的石墨遺傳，鐵水溫度短時間達到1500℃以上后，應快速降溫到1500℃以下出爐。對于不馬上出爐，需要保溫的鐵水，應當降到1400℃左右保溫。本次熔煉我們選擇的高溫溫度為1500℃以下。

澆注溫度確定：高溫出爐，低溫澆注是片面的，高溫出爐，鐵水出爐溫度高，鐵水質量好，這樣的鐵水凝固后，鐵水可得到改善及細化，同時由于鐵水過熱度大，鐵水粘度低，從而用足夠的鎮靜時間，容易使氣體逸出和熔渣上浮，有利用提高鑄件質量。但出爐溫度過高，鐵水還需停留一段時間降溫，這個過程使孕育效果大幅度衰退，也是非常有害的，因此我們根據產品的澆注溫度，處理鐵水量、澆包情況，最終選擇1470℃～1480℃的出爐溫度。

5 孕育與澆注

孕育處理就是在鐵液進入型腔前，把孕育劑加入到鐵液中，其目的在于促進石墨化，減少白口傾向；改善鑄鐵的力學性能和其他性能；改善斷面敏感性；改善石墨形態及分布，減少過冷石墨和共生鐵素體的形成，獲得中等大小的A 型石墨，適當增加共晶團數量。

每種孕育劑都有其最佳加入比例，孕育劑加入不足，鑄件容易出現白口或麻口組織，孕育劑加入量過多，鑄件石墨粗大，為避免孕育衰退，孕育處理后鐵水應盡快澆注，通常限制在10分鐘以內，對于厚大鑄件，孕育量應該增加20%～50%。但過多的孕育劑不會帶來更大的孕育效果，反而浪費孕育劑，降低鐵液溫度，增加鑄件收縮及氣孔和夾渣缺陷。一般建議，孕育帶進鐵液的硅的質量分數不大于0.3%。

由于國內熔化的鐵液氧化程度較大，故使用孕育劑量大都超過此值。灰鑄鐵要求的牌號越高，選擇的鐵液碳當量越低，需要加入的孕育劑量越大。

稀土元素能夠中和灰鑄鐵中許多雜質元素，凈化鐵液，尤其是與硫產生強烈的反應，形成石墨成核的核心，顯著的影響材料的性能。因此稀土元素在鑄鐵中的作用是有益的，尤其是對用高碳當量的鐵液生產比較厚大的鑄件時，加入稀土元素有利用細化石墨，提高材質性能。

故最終我們選擇少量稀土元素配合適量含鋇長效孕育劑的孕育方式。