CN101773989A - 短流程熔炼、水玻璃砂造型生产球墨铸铁件的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及球墨铸铁工艺，具体地说是一种短流程熔炼、水玻璃砂造型生产球墨铸铁件的工艺。该方法是利用高炉铁水直接入中频炉调质，严格控制炉前球化处理；采用特殊孕育剂随浇注铁水流二次孕育工艺技术，以普通天然砂做造型材料，低浓度水玻璃为粘结剂，化工厂CO₂气冷冻硬化造型工艺技术，型砂再生处理循环使用等关键技术，生产较大重量优质球墨铸铁件。本发明解决了传统球墨铸铁生产工艺将铸造生铁块装入冲天炉或电炉二次重熔后进行调质再浇铸，存在的浪费大量电能、焦炭及石灰石等造渣材料，在熔化当中排放大量固体、气体废物，重污染、高能耗、低效益的问题。

Description

短流程熔炼、水玻璃砂造型生产球墨铸铁件的工艺

技术领域

本发明涉及球墨铸铁工艺，具体地说是一种短流程熔炼、水玻璃砂造型生产球墨铸铁件的工艺。

背景技术

传统球墨铸铁生产工艺，是将铸造生铁块装入冲天炉或电炉二次重熔后进行调质再浇铸，此环节不仅浪费大量电能、焦炭及石灰石等造渣材料，而且在熔化当中，又排放大量固体、气体废物污染环境，是一种重污染、高能耗、低效益的生产工艺。

发明内容

本发明旨在解决现有球墨铸铁工艺存在的上述问题，而提供一种能够实现优质、节能、降污、减排、增效的短流程熔炼、水玻璃砂造型生产球墨铸铁件的工艺。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种短流程熔炼、水玻璃砂造型生产球墨铸铁件的工艺，按如下步骤进行：

A、模具及砂芯制备：

a、模型材质为铝合金；表面精度为CT₁-CT₃级；粗糙度≤1.6μm；砂芯为树脂芯；铸件浇注凝固时，长度方向收缩率为1.0％，宽度方向收缩率为0.8％；

b、芯盒材质为木质，表面精度为CT₁-CT₃级，粗糙度为Ra≤1.6μm，型腔尺寸按模型放收缩量；

c、砂芯为长芯头，一侧带径向和轴向定位块；

B、浇注：

封闭式浇注：系统横截面积∑F内∶∑F横∶∑F直＝1∶1.3∶1.5；

C、造型：

a、原料：面砂为天然石英砂，SiO₂含量＞80％，粒度0.1～0.35mm，含泥量＜0.5％；背砂为破碎处理回用的旧砂；粘结剂为波美度40、模数2.2～2.4、密度1.4～1.52g/cm³的水玻璃；

b、配制面砂：按重量百分比计，天然石英砂∶水玻璃＝100∶8，辗轮式混砂机混合1～2分钟；配制背砂：按重量百分比计，旧砂∶水玻璃＝100∶5.7～6.0，辗轮式混砂机混合1-2分钟；

c、造型：将带底托板模型刷好脱模剂，放上专用砂箱、浇道，将模型清理干净后，用面砂将模型及浇道覆盖30～50mm厚，用手掩实，然后填背砂，方形砂箱吃砂量较大处，放旧砂块，将砂箱填满背砂，用手工将型砂捣实，再将浇冒口部位培高压实，修好型面，用￠8～10mm平尖气针，每100mm扎排气孔一个，取出浇冒口，然后向排气孔内吹CO₂气冷冻硬化，硬化几秒后用气孔针扎砂型，感觉硬度合适停止吹气，将浇冒口边缘尖角修成圆角，清理沙箱四周掉砂，准备翻箱脱模；

d、脱模刷涂料：翻箱脱模后，将冒口根尖角修整，分型面修刮，将型腔吹净，用碳粉涂料刷遍型腔，表面烘干即可下芯合箱；

D、制芯：

以含泥量≤0.2％、粒度50～100目的天然石英擦洗烘干砂为芯砂，添加固化剂后放入混砂机混砂并加入低氮呋喃树脂粘结剂，边混边出砂；出砂直接装入刷好脱模剂、卡牢的芯盒内，用手掩实，用￠4～25mm气针扎排气孔，硬化后脱芯，在砂芯中心部开好排气道或在制芯时直接将芯做出中空型，修好外表缺陷，刷涂料烘干；

E、熔炼：

a、熔炼设备：中频感应电炉；

b、原料配比：高炉铁水59％，废钢5％，回炉铁35％，余量为增碳剂和硅铁；高炉铁水为Q10球墨铁水，成分控制范围：C 4.3～4.5％，Si 0.7～0.9％，Mn≤0.2％，P≤0.06％，S≤0.025％，Cr≤0.1％，Ti≤0.08％；

c、加料顺序：增碳剂——→回炉铁——→高炉铁水——→废钢——→硅铁；

d、升温调质：当铁水温度达到1350°后停炉，加入除渣剂取样分析，然后覆盖保温剂待检或低功率送电升温；

e、铁水用炉前光谱仪分析结合碳硅热分析合格后，铁水温度升至1520～1540°后出炉球化处理；

F、球化处理：

a、原料：球化剂FeSiMg₈RE₃，粒度10-30mm；一次孕育剂FeSi75，粒度6-10mm；铁屑；除渣剂；

b、配比：按铁水处理量，加入占铁水重量1.2～1.4％的球化剂，1％的一次孕育剂；铁屑3～5kg/包，除渣剂0.5kg/包；

c、设备：1吨底带堤坝的球化包，每包铁水处理量为500kg；

d、球化顺序：球化剂加入反应坑底——→加入一次孕育剂——→加铁屑——→除渣剂，反应坑正对出铁流里侧，先快、后慢出铁，球化反应过后即刻扒渣取样分析；

G、浇注：

通过三角试片和光谱分析仪检测铁水球化及化学成分合格，即浇注，浇注温度1370-1410°；浇注时随浇注流加入占铁水重量0.06～0.15％二次孕育剂，采用低温快浇，每箱一件，每包铁水浇注时间控制在10分钟以内。

与现有技术相比，本发明的突出效果是：

①通过对原材料的严格控制，高炉铁水——中频感应炉双联短流程熔炼中交叉调质，原铁液成分优化控制，采用特殊孕育技术、旧砂处理回用、面背砂结合使用、天然砂水玻璃CO₂冷冻硬化造型技术等，可成功生产薄壁大体积的球墨铸铁件。

②高炉铁水短流程熔炼工艺，节省二次重熔电能损失，节电250-300KWh/吨铁水，避免金属烧损5％，降低生产成本200元左右/吨铸件，减少因二次重熔排废渣、废气问题，起到了节能、降耗、减排的有益作用。

③采用天然石英砂水玻璃CO₂冷冻硬化造型，充分利用廉价资源，造型成本仅为树脂砂型成本的25％。尤其是采用天然砂水玻璃CO₂冷冻硬化造型，解决了传统工艺采用树脂砂，在浇注过程中，由于不完全燃烧和热解易释放出二恶英、呋喃和苯并芘等有机污染物造成环境污染的问题。

具体实施方式

下面以生产丹佛斯DN450阀体(过滤器)为例，详述本发明所述短流程熔炼、水玻璃砂造型生产球墨铸铁件的工艺。

丹佛斯DN450阀体铸件技术条件及质量标准要求：

①铸件材质牌号：FGS400-15

②机械性能：布氏硬度130＜HBS＜180(定位置)；抗拉强度σ_b≥400MPa；延伸率δ＞15％；铸件边缘、尖角处不能出现影响机加工的组织。

③微观组织要求：球化等级1～3级，铁素体＞80％，渗碳体＜1.5％。

④表面无质量缺陷。

⑤化学成分：见下表。

元素	C	Si	Mn	P	S	Ti	Cr	Mg	Re
										含量％	3.6～4.0	2.3～2.8	≤0.35	≤0.06	≤0.035	≤0.06	≤0.08	0.03～0.06	0.02～0.04

工艺步骤：

1、模具及砂芯制备：

①模型采用铝合金材料，数控机床精加工制做而成，表面精度为CT₁～CT₃级，粗糙度≤1.6μm，根据经验，因铸件为桶体类薄壁件，采用树脂砂芯，铸件浇注凝固时，因各方向收缩受阻状况不同，规定长度方向收缩率为1.0％，宽度方向收缩率为0.8％，加工余量按图纸原设计要求。

②芯盒采用木质材料，制作表面精度为CT₁～CT₃级，粗糙度为Ra≤1.6μm，型腔尺寸按模型放收缩量、加工余量并符合图纸要求。

③砂芯采用长芯头，一侧带径向和轴向定位块，以防浇注时发生水平位移和轴向位移。

2、浇注工艺：

采用封闭式浇注：系统横截面积∑F内∶∑F横∶∑F直＝1∶1.3∶1.5；其中∑F内₁＝9.6cm²，∑F内₂＝7.0cm²，∑F横＝21.6cm²，∑F直＝24.9cm²。

3、造型方法：

①采用CO₂气硬化水玻璃砂型：面砂为天然石英砂，SiO₂含量＞80％，粒度0.1～0.35mm，含泥量＜0.5％；背砂采用破碎处理回用的旧砂；粘结剂为波美度40°，模数为2.2～2.4，密度为1.4～1.52g/cm³的水玻璃；CO₂气冷冻硬化。

②配制面砂：按重量百分比计，天然石英砂∶水玻璃＝100∶8，辗轮式混砂机混合1～2分钟；配制背砂：旧砂∶水玻璃＝100∶5.7～6.0，辗轮式混砂机混合1～2分钟。

③造型：将带底托板模型刷好脱模剂，放上专用砂箱，浇道等，将模型清理干净后，用面砂将模型及浇道覆盖30～50mm厚，用手掩实，然后填背砂，用方形砂箱吃砂量较大处，放旧砂块，以利节省型砂和增强透气性，将砂箱填满型砂，用手工将型砂捣实，再将浇冒口部位培高压实，修好型面，用￠8～10mm平尖气针，每100mm扎排气孔一个，取出浇冒口，然后向排气孔内吹CO₂气硬化，硬化几秒后用气孔针扎砂型，感觉硬度合适停止吹气，将浇冒口边缘尖角修成圆角，清理沙箱四周掉砂，准备翻箱脱模。

④脱模刷涂料：翻箱脱模后，将冒口根尖角修整，分型面修刮，防止合箱时压掉砂子，将型腔吹净，用自制碳粉涂料刷遍型腔，原则为匀、薄、平，表面烘干，即可下芯合箱。

上述步骤中，旧砂处理回用方法是：将拆箱后旧砂，采用加水汽化冷却堆放，型砂温度降至室温时，硬砂块基本破碎，然后再利用振动落砂破碎将小部分未破碎砂块继续处理，最后将旧砂存入砂库备用。实际操作简单、实用，但也依据了水玻璃砂原有特性。水玻璃砂CO₂硬化机理，实际是脱水物理硬化过程，从反应式

看出，加水汽化冷却破碎法，是增强了逆向反应速度。

对于表面精度要求不高的铸件可采用单一的旧砂造型，使型砂循环使用；对要求表面精度高的铸件或复杂铸件，采用新砂盖面，但两种砂均需刷涂料，涂料一定要本着“薄、匀、平、光”的原则精心操作。

造型砂填砂紧实时，贴膜面处尽量拍紧实，以利型腔内表面平光，中间层型砂紧实度可适当放小，以利型砂透气或增强型砂退让性，最上层也要拍实，以防翻砂箱后踏箱，型腔变形。

水玻璃粘结剂配比不能过大，以防硬化后过硬不易破碎，尽可能使用低浓度的水玻璃，但这种砂型生产周期必须缩短，最好在12小时以内，最长不超过24小时。

4、制芯方法：

以含泥量≤0.2％、粒度50～100目的天然石英擦洗烘干砂为芯砂，添加固化剂后放入混砂机混砂并加入低氮呋喃树脂粘结剂，边混边出砂；出砂直接装入刷好脱模剂、卡牢的芯盒内，用手掩实，用￠4～25mm气针扎排气孔，硬化后脱芯，在砂芯中心部开好排气道或在制芯时直接将芯做出中空型，修好外表缺陷，刷涂料烘干。

5、熔炼：

①熔炼设备：2T中频感应电炉、天车电子秤。

②配比：高炉铁水59％，废钢5％，回炉铁35％，增碳剂0.08％，硅铁0.92％。高炉铁水用Q10球墨铁水，成分控制范围：C 4.3～4.5％，Si 0.7～0.9％，Mn≤0.2％，P≤0.06％，S≤0.025％，Cr≤0.1％，Ti≤0.08％。

废钢要求为优质碳素钢，严禁使用合金、镀锌、镀铬等废钢；回炉料中也不得混入合金铸铁。其目的是为了电炉熔炼时，防止促进珠光体元素、强行成碳化物元素，强促进碳化物形成元素超量时，造成铸件珠光体量超标，并防止出现一次碳化物。

③加料顺序：增碳剂——→回炉铁——→高炉铁水——→废钢——→硅铁。

④升温调质：当铁水温度达到1350°后停炉，加入除渣剂取样分析，然后覆盖保温剂待检或低功率送电升温。

⑤铁水用炉前光谱仪分析结合碳硅热分析合格后，铁水温度升至1520～1540°后出炉球化处理。

6、球化处理：

①原料：球化剂FeSiMg₈RE₃，粒度10～30mm；一次孕育剂FeSi75，粒度6～10mm；铁屑(机加工少锈无油)；除渣剂。

②配比(按铁水处理量)：球化剂1.2～1.4％，一次孕育剂1％，铁屑3～5kg/包，除渣剂0.5kg/包。

③设备：1吨底带堤坝的球化包，每包铁水处理量为500kg。

④球化顺序：将球化剂加入反应坑底——→加入一次孕育剂——→加铁屑——→除渣剂，反应坑正对出铁流里侧，先快，后慢出铁，球化反应过后即刻扒渣取样分析。

本发明上述熔炼及球化处理工艺中，特别优化原铁液成分控制，最佳铁液成分范围定为(％)：C 3.5～3.9，Si 2.3～2.8，Mn≤0.3，S≤0.025，P≤0.06，Ti≤0.06，Cr≤0.1，Mg 0.03～0.05，Re 0.025～0.045。要得到合格铁液成分，对高炉铁水及回炉铁成分的控制是主要关键，必须有准确的的检验数据，配比反复准确计算，准确称量后加入，利用光谱分析，准确控制出炉前、球化后铁液成分，不合格必须返回重新熔炼，直到调整到工艺范围。

较好的孕育处理手段可以消除Mg促进碳化物形成作用，能使铁液得到充分均匀的孕育，但孕育剂粒度小，溶解快，孕育不充分；过大又会出现溶解不完全，造成铸件夹渣，经试验。合适块度6～15mm，加入量为0.9～1.1％，并按含硅量严格准确计算，准确称量后加入。

因铁水出炉球化处理反应完后，扒渣到铁液运到浇注现场，需5分左右时间，此时一次孕育效果会衰退50％以上，而随浇注流二次孕育，能消除包内及浇注凝固前的衰退，并有效地防止大件薄壁区碳化物的产生，采用Si、Ba、Ca孕育剂，Si 65～70％，Ca2～2.5％，Ba 4～6％，粒度0.1～0.7mm，利用移动式风送漏斗法加入0.06～0.15％，比用硅铁孕育剂更显著增加球墨数量，强烈形核，强补充球化，延长孕育周期。

7、浇注：

通过三角试片和光谱分析仪检测铁水球化及化学成分合格，即浇注，浇注温度1370～1410°，最低不低于1350℃，浇注时随浇注流加入0.06～0.15％二次孕育剂，浇注采用低温快浇，每箱一件，浇注时间19秒左右，每包铁水浇注时间控制在10分钟以内。

按本实施例所述工艺生产的各种规格的阀体(过滤器)铸件，经抽取检测，其物理化学分析数据如下表：

化学分析结果

物理分析结果

生产日期编号	球化等级(级)	铁素体％	珠光体％	渗碳体％	延伸率％	抗拉	硬度HBS
								080505AB200AA	三	85	15	1	17	485	165
080509AA100AA	二	80	20	1.5	19.5	495	175
								080507BA100BB	二	90	10	＜1	18.5	490	170
080506BA200BB	二	85	15	1	17.5	485	170
								080502CC100CC	三	85	15	1	17.5	485	175

Claims (1)

1.一种短流程熔炼、水玻璃砂造型生产球墨铸铁件的工艺，按如下步骤进行：

A、模具及砂芯制备：

a、模型材质为铝合金；表面精度为CT₁-CT₃级；粗糙度≤1.6μm；砂芯为树脂芯；铸件浇注凝固时，长度方向收缩率为1.0％，宽度方向收缩率为0.8％；

b、芯盒材质为木质，表面精度为CT₁-CT₃级，粗糙度为Ra≤1.6μm，型腔尺寸按模型放收缩量；

c、砂芯为长芯头，一侧带径向和轴向定位块；

B、浇注：

封闭式浇注：系统横截面积ΣF内∶ΣF横∶ΣF直＝1∶1.3∶1.5；

C、造型：

a、原料：面砂为天然石英砂，SiO₂含量＞80％，粒度0.1～0.35mm，含泥量＜0.5％；背砂为破碎处理回用的旧砂；粘结剂为波美度40、模数2.2～2.4、密度1.4～1.52g/cm³的水玻璃；

b、配制面砂：按重量百分比计，天然石英砂∶水玻璃＝100∶8，辗轮式混砂机混合1～2分钟；配制背砂：按重量百分比计，旧砂∶水玻璃＝100∶5.7～6.0，辗轮式混砂机混合1-2分钟；

c、造型：将带底托板模型刷好脱模剂，放上专用砂箱、浇道，将模型清理干净后，用面砂将模型及浇道覆盖30～50mm厚，用手掩实，然后填背砂，方形砂箱吃砂量较大处，放旧砂块，将砂箱填满背砂，用手工将型砂捣实，再将浇冒口部位培高压实，修好型面，用￠8～10mm平尖气针，每100mm扎排气孔一个，取出浇冒口，然后向排气孔内吹CO₂气冷冻硬化，硬化几秒后用气孔针扎砂型，感觉硬度合适停止吹气，将浇冒口边缘尖角修成圆角，清理沙箱四周掉砂，准备翻箱脱模；

d、脱模刷涂料：翻箱脱模后，将冒口根尖角修整，分型面修刮，将型腔吹净，用碳粉涂料刷遍型腔，表面烘干即可下芯合箱；

D、制芯：

以含泥量≤0.2％、粒度50～100目的天然石英擦洗烘干砂为芯砂，添加固化剂后放入混砂机混砂并加入低氮呋喃树脂粘结剂，边混边出砂；出砂直接装入刷好脱模剂、卡牢的芯盒内，用手掩实，用￠4～25mm气针扎排气孔，硬化后脱芯，在砂芯中心部开好排气道或在制芯时直接将芯做出中空型，修好外表缺陷，刷涂料烘干；

E、熔炼：

a、熔炼设备：中频感应电炉；

b、原料配比：高炉铁水59％，废钢5％，回炉铁35％，余量为增碳剂和硅铁；高炉铁水为Q10球墨铁水，成分控制范围：C 4.3～4.5％，Si 0.7～0.9％，Mn≤0.2％，P≤0.06％，S≤0.025％，Cr≤0.1％，Ti≤0.08％；

c、加料顺序：增碳剂→回炉铁→高炉铁水→钢→硅铁；

d、升温调质：当铁水温度达到1350°后停炉，加入除渣剂取样分析，然后覆盖保温剂待检或低功率送电升温；

e、铁水用炉前光谱仪分析结合碳硅热分析合格后，铁水温度升至1520～1540°后出炉球化处理；

F、球化处理：

a、原料：球化剂FeSiMg₈RE₃，粒度10-30mm；一次孕育剂FeSi75，粒度6-10mm；铁屑；除渣剂；

b、配比：按铁水处理量，加入占铁水重量1.2～1.4％的球化剂，1％的一次孕育剂；铁屑3～5kg/包，除渣剂0.5kg/包；

c、设备：1吨底带堤坝的球化包，每包铁水处理量为500kg；

d、球化顺序：球化剂加入反应坑底→加入一次孕育剂→加铁屑→除渣剂，反应坑正对出铁流里侧，先快、后慢出铁，球化反应过后即刻扒渣取样分析；

G、浇注：

通过三角试片和光谱分析仪检测铁水球化及化学成分合格，即浇注，浇注温度1370-1410°；浇注时随浇注流加入占铁水重量0.06～0.15％二次孕育剂，采用低温快浇，每箱一件，每包铁水浇注时间控制在10分钟以内。