CN104057065A

CN104057065A - 一种加筋复合高硅铁基合金电极板及其制造方法

Info

Publication number: CN104057065A
Application number: CN201410279514.5A
Authority: CN
Inventors: 赵爱民; 曾尚武; 丁箫楠; 印珠凯; 米振莉; 武会宾; 赵征志
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2014-06-20
Publication date: 2014-09-24

Abstract

一种加筋复合高硅铁基合金电极板及其制造方法，应用于不锈钢板酸洗池中，属于耐蚀铸件复合铸造的领域。电极板外层的化学成分质量百分比为：碳0.5～1.0％、硅16.5～20.0％、锰0.3～0.8％、硫、磷<0.03％、RE：0.01～0.05％、其余为Fe和不可避免的杂质的组成；心部用不锈钢做筋。制造方法如下：采用实型铸造，在酸性感应电炉或电弧炉中进行熔炼，出炉前在铁水包中加入稀土硅铁合金，浇注温度为1280～1320℃，浇注后，采用高温退火工艺，铸件热装入炉，均匀加热到750～800℃，保温24～48小时炉冷到100℃以下出炉。加筋复合高硅铁基合金电极板耐蚀性高、力学性能高、导电性好，满足冷轧不锈钢板酸洗池的制作要求。

Description

一种加筋复合高硅铁基合金电极板及其制造方法

技术领域

本发明涉及优良的加筋复合高硅铁基合金电极板和制造方法，特别是通过使用加强筋，改善了其力学性能，属于耐蚀铸件复合铸造领域。

技术背景

伴随工业的发展，对可以用于暴露在强腐蚀环境的设备上的材料需求越来越高。高硅铸铁就是根据这种需求开发的材料之一。硅的质量分数在10％～18％之间的Fe-Si-C铸造合金称为高硅铸铁。高硅铸铁硬而脆，力学性能较低，但腐蚀性能好。是一种具有优良耐酸性能的铸造合金，它具有耐蚀性好、成本低、生产工序简单、节用(无)镍铬等贵重金属等优点,特别适用于制作承受静载荷的与各种强腐蚀介质(如各种温度和浓度的硝酸、硫酸、铬酸、有机酸和一系列盐溶液)接触的部件。高硅耐蚀铸铁件可用于化工、石油、化纤、冶金、国防等工业所需的耐蚀铸件，还可用于制造外加电流阴极保护用的辅助阳极铸件，不适于制造承受较大冲击载荷，交变负荷或温度突变的零部件。但是，高硅铸铁由于它的固有特性所决定，又存在着强度和冲击韧性低、硬度高、脆性大、导热系数小以及膨胀系数大等缺点。以致在铸造生产及应用时，很容易产生缩松、缩孔和裂纹等缺陷，不能经受剧烈的温度变化及承受高压，机械加工比较困难。从而在一定程度上限制了这种材料的推广和应用。

目前高硅铸铁件的生产主要在中小件的生产中，对大件的生产受到成形性和缺陷以及加工性能的影响，研究的很少，特别是复合铸件的研究还属于空白。

冷轧不锈钢板酸洗池用电极板的外形尺寸较大，其长度达到2.5m，宽0.4m，0.04m，属大平板铸件，铸造成形的难度较大，且整体成形力学性能较差。

发明内容

本发明目的是为了解决冷轧不锈钢板酸洗池用电极板的外形尺寸较大、铸造成形的难度较大，且整体成形力学性能较差的问题，

一种加筋复合高硅铁基合金电极板，提高合金的力学性能，主要原因是使用加强筋提高了合金的力学性能，从而解决了高硅铸铁的缺点，对其应用有重大的意义。

一种加筋复合高硅铁基合金电极板，其特征在于将铸造成形的方法将直径为8～10mm的不锈钢或低碳钢丝构成的钢筋网镶铸在高硅铁基合金中，形成类似于钢筋混凝土结构的加筋复合高硅铁基合金，其不锈钢或低碳钢的体积分数为5～25％，高硅铁基合金的体积分数为75～95％，采用这种加筋复合高硅铁基合金制作不锈钢酸洗用电极板即为加筋复合高硅铁基合金电极板。

上述加筋复合高硅铁基合金电极板采用焊接或机械拼接方法将直径8～10mm不锈钢或低碳钢线材制作成的钢丝网，采用这种钢丝网作为加强筋，钢丝网中每根不锈钢或低碳钢线材之间的距离为30～50mm。钢丝网预埋在实型铸造的泡沫塑料模样中，将熔炼好的液态高硅铁基合金浇入带钢丝网的泡沫塑料铸型中，泡沫塑料模样汽化，钢筋网保留在铸型中，凝固成形后形成一种类似于钢筋混凝土的结构的加筋复合高硅铁基合金电极板。

在发泡制模过程中，将预先除锈和除油的不锈钢筋网固定泡沫塑料模样中，钢筋网在电极板厚度方向位于中心，距离型腔的两个侧壁的距离相等。

加筋复合高硅铁基合金电极板外层的化学成分质量百分比为：碳0.5～1.0％、硅16.5～20.0％、锰0.3～0.8％、硫、磷<0.03％、RE：0.01～0.05％、其余为Fe和不可避免的杂质的组成；心部用不锈钢做加强筋。

本发明提供的加筋复合高硅铁基合金电极板的制造方法是：合金熔炼：将纯铁、硅铁加入感应电炉或电弧炉中进行两次熔炼，使各种物料充分混合均匀，并在熔炼过程中加入酸性造渣剂，合金液熔化后经过充分静置后，去除合金液中的气体和夹杂物，合金的熔炼温度为1480-1520℃；出炉温度为1420-1460℃；采用树脂砂型，将预先除锈的不锈钢筋固定在铸型中，当铁水温度到1280～1320℃时浇注成形；采用缓流封闭式的浇注系统，直浇道、横浇道和内浇道组元的横截面积的比例为：A_直：A_横：A_内＝1.1～1.3:1.5～1.7:1.0(A_直、A_横和A_内分别是直浇道、横浇道和内浇道的截面积)；热处理：铸件凝固成形后6～12分钟内进行高温打箱，将红热的铸件立即进行退火处理，铸件热装入炉，均匀加热到750～800℃，保温24～48小时炉冷到100℃以下出炉。

下面对本发明合金组成的数值限定的原因做详细的说明。

(1)硅(Si)：16.5～20.0％(重量)

当硅的重量比达到14.5％时，在适当的介质条件下，其表面会形成一层致密的保护膜，膜主要由二氧化硅构成。这时耐蚀性急剧上升，当含硅量低于14.5％时，耐蚀性受氧化铁膜控制；含硅量高于14.6％时，耐蚀性受二氧化硅膜控制。因此铸铁中必须含有不低于14.5％的硅才具有优良的耐蚀性。耐蚀性能随含硅量的增加而提高，但过高的含硅量会生成介稳定的脆性相(Fe₅Si₂)，使材料更脆，为此最高含硅量可达18％。但为了获得良好的耐蚀性，又不使其机械性能太差，高硅耐蚀铁基合金Si的含量选在16.5％～20.0％。

(2)碳(C)：0.5～1.0％(重量)

高硅耐蚀铁基合金中的硅含量越高，含碳量应当越低。较合理的含碳量应相当于该高硅耐蚀铁基合金的亚共晶成分或共晶成分。若含碳量大大超过共晶成分时，会析出粗大的石墨，引起严重的组织疏松。这是由于Si在α铁素体中的溶解能力比C强，而且Si又加速了C的扩散，因此C就被Si排挤出来而形成自由态的片状石墨，随着合金的含碳增加，析出的片状石墨的尺寸增大，数量增多，就会形成更多的空洞和构成更多的微电池，而不利于其机械性能和耐蚀性。所以高硅耐蚀铁基合金的C含量选在0.5～1.0％。

(3)锰(Mn)：0.3～0.8％(重量)

锰在铁基合金中是一种扩大奥氏体区的元素，而硅是缩小奥氏体区的元素，少量的锰在高硅铁基合金中将固溶在α铁素体中，对合金的耐蚀性和机械性能影响不明显，但过高的锰对高硅铁基合金的性能产生不利的影响，因为锰在合金凝固偏析系数较大，极容易在树枝晶间富集，使成分分布的不均匀，造成局部微区的电极电位存在一定的差别，甚至形成微电池效应，降低合金的耐蚀性，故Mn应选0.3％～0.8％之间。

(4)磷(P)<0.03％(重量)

P的含量将影响到高硅耐蚀合金的耐热性，一般要求其含量在0.03％以下。

(5)硫(S)<0.03％(重量)

S的含量增加会降低高硅耐蚀合金的耐蚀性和机械性能，因为铁水中S的活性系数随Si的增加而显著提高。所以S的含量应严格控制在0.03％以下。

本发明的加筋复合高硅铁基合金电极板的化学成分和制造工艺，与现有的高硅铸铁相比，不但有高的耐蚀性，而且有高的机械性能和较好的导电性，完全满足制作尺寸较大(最大长度为3m)的冷轧不锈钢板酸洗池用电极板。

附图说明

附图1：加筋电极板用钢丝网示意图

附图2：加筋电极板结构示意图，图中：6—高硅耐蚀合金；8—钢筋网

附图3：浇注示意图，图中：1—浇口；2—直浇道；3—塑料布；4—横浇道；5—冒口；6—高硅耐蚀合金；7—抽气口；8—钢筋网；9—内浇道

具体实施方式

下面对本发明中冷轧不锈钢板酸洗池用加筋复合高硅铁基合金电极板的制造工艺进行详细的说明：

加筋复合高硅铁基合金电极板的生产工艺包括加强筋的制作和除锈、合金熔炼、浇注系统设计、造型、浇注及热处理等几个工序。

(1)加强筋的制作和除锈

加强筋用不锈钢制成，用φ8-10mm的不锈钢钢筋焊接而成和用厚度为10mm的不锈钢钢板在上面钻φ20mm的加工而成，经过喷丸和喷砂除锈备用。(2)合金的熔炼

高硅铁基合金可以采用感应电炉或电弧炉熔炼，采用酸性炉衬，熔炼合金的原材料有：纯铁，75硅铁，回炉料等，要求原材料干燥少锈。采用两次熔炼的方法，第一次熔炼的目的是混料，将所有原材料熔化混合均匀，浇注成锭料备用，熔炼时的加料顺序依次为：纯铁，回炉料，硅铁等，熔炼过程中加入酸性造渣剂，减少合金熔炼过程中元素的烧损；第二次熔炼目的是脱气除渣，获得优质的合金液，满足铸造电极板的要求，熔炼时采用前述的锭料，在熔化过程中加入酸性造渣剂，在1480～1520℃熔化后，静置40分钟之后方可出炉，出炉温度为1420～1460℃。

(3)变质处理

变质处理的目的是细化晶粒和净化合金，变质处理采用稀土硅铁合金作为变质剂，采用铁水包中变质处理的方法，在出炉前将变质剂加入铁水包的包底，加入量为处理铁水重量的0.2-1.0％。

(4)浇注系统设计

浇注系统设计是铸造工艺设计的重要内容，是关系铸件质量的重要环节，为了加强浇注系统的憋渣作用，采用缓流封闭式的浇注系统，直浇道、横浇道和内浇道组元的横截面积的比例为：A_直：A_横：A_内＝1.1～1.3:1.5～1.7:1.0(A_直、A_横和A_内分别是直浇道、横浇道和内浇道的截面积)；为了进一步加强浇注系统的憋渣作用，在浇注系统的横浇道组元上加入一纤维过滤网。

(5)造型

为了加强铸型的溃散性和退让性，减少铸造应力，防止铸造过程产生裂纹，保证铸件的表面质量，采用树脂砂造型。同时将加强筋固定在铸型中。

(6)浇注

采用低温快浇的浇注工艺，浇注温度为1280～1320℃，过高的温度将会造成大量的缩松，过低的浇注温度会产生浇不足的铸造缺陷。

(7)热处理

现有的实验的结果得出，加筋复合高硅铁基合金电极板必须经过退火热处理，这不仅有利于提高合金的力学性能，而且可以保证缓慢的冷却，消除热应力。铸件凝固成形后6～12分钟内进行高温打箱，将红热的铸件立即进行退火处理，铸件热装入炉，均匀加热到750～800℃，保温24～48小时炉冷到100℃以下出炉。

Claims

1.一种加筋复合高硅铁基合金电极板，其特征在于将铸造成形的方法将直径为8～10mm的不锈钢或低碳钢丝构成的钢筋网镶铸在高硅铁基合金中，形成类似于钢筋混凝土结构的加筋复合高硅铁基合金，其不锈钢或低碳钢的体积分数为5～25％，高硅铁基合金的体积分数为75～95％，采用这种加筋复合高硅铁基合金制作不锈钢酸洗用电极板即为加筋复合高硅铁基合金电极板。

2.按照权利要求1所述的加筋复合高硅铁基合金电极板，其特征在于采用焊接或机械拼接方法将直径8～10mm不锈钢或低碳钢线材制作成的钢丝网，采用这种钢丝网作为加强筋，钢丝网中每根不锈钢或低碳钢线材之间的距离为30～50mm。

3.按照权利要求2所述的加筋复合高硅铁基合金电极板，其特征在于是将按照权利要求2制作的钢丝网预埋在实型铸造的泡沫塑料模样中，将熔炼好的液态高硅铁基合金浇入带钢丝网的泡沫塑料铸型中，泡沫塑料模样汽化，钢筋网保留在铸型中，凝固成形后形成一种类似于钢筋混凝土的结构的加筋复合高硅铁基合金电极板。

4.按照权利要求1所述的加筋复合高硅铁基合金电极板，其特征在于在发泡制模过程中，将预先除锈和除油的不锈钢筋网固定泡沫塑料模样中，钢筋网在电极板厚度方向位于中心，距离型腔的两个侧壁的距离相等。

5.按照权利要求1--4所述的加筋复合高硅铁基合金电极板，其特征在于加筋复合高硅铁基合金电极板外层化学成分重量百分比为：碳0.5～1.0％、硅16.5～20.0％、锰0.3～0.8％、硫<0.03％、磷<0.03％、稀土：0.01～0.05％、其余为Fe和不可避免的杂质的组成；心部用不锈钢做加强筋。

6.按照权利要求5所述的加筋复合高硅铁基合金电极板的制备方法，其特征在于，采用废钢、硅铁、稀土配置合金原材料，加入到碱性感应电炉或电弧炉中进行两次熔炼，熔炼温度1480～1520℃，熔炼过程中加入酸性造渣剂，在铁水包内进行变质处理，熔炼合金后，在铁水包包底加入稀土硅铁合金，稀土硅铁合金加入量为处理铁水重量的0.2～1.0％，将熔炼好的铁水倒入铁水包中与稀土硅铁合金反应，出炉温度为1420-1450℃；出炉后静置足够长的时间，去除合金液中的气体和夹杂物后，当铁水温度到1320～1380℃时浇注成形。

7.按照权利要求6所述的加筋复合高硅铁基合金电极板的制备方法，其特征在于，采用树脂砂型，将预先除锈的不锈钢筋网固定在铸型中，当铁水温度到1280～1320℃时浇注成形；采用缓流封闭式的浇注系统，直浇道、横浇道和内浇道组元的横截面积的比例为：A_直：A_横：A_内＝1.1～1.3:1.5～1.7:1.0，A_直、A_横和A_内分别是直浇道、横浇道和内浇道的截面积。