CN104588602B

CN104588602B - 一种内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料

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Publication number: CN104588602B
Application number: CN201510089364.6A
Authority: CN
Inventors: 李书成; 张鹏; 周彬; 宋志刚
Original assignee: HENAN XIBAO METALLURGY METERIALS GROUP CO Ltd
Current assignee: Henan Xibao Metallurgy Materials Group Co., Ltd.; Xixia County Xibao metallurgy material limited company
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-11-23
Anticipated expiration: 2035-02-27
Also published as: CN104588602A

Abstract

本发明公开了一种内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料，包括预熔料、细玻璃粉、碳酸钠、萤石、高铝土、冰晶石、碳酸锂、碳黑、石墨碳，其重量百分含量分别为52.0%～58.0%、5.0%～8%、8%～9.5%、13%～17%、2%～4%、3%～5%、2%～3%，1%～3%、2.5%～3.5%，所述预熔料包括SiO2、CaO、Al2O3、R2O、F‑，其重量百分含量分别为25.0%～35.0%、34.0%～44.0%、2.0%～8.0%、6.0%～13.0%、2.5%～8.5%。该保护材料具有质量好、损耗小、收缩率高，韧性强的特点，且有着良好的市场前景。

Description

一种内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料

技术领域

本发明涉及冶金辅料技术领域，特别涉及了一种内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料。

背景技术

内燃机包括汽油机和柴油机，主要应用于汽车、摩托车、拖拉机、船舰、内燃机扯车、坦克、石油钻机、工程机械、移动电站等，在国民经济中起着重要作用。近年来，我国内燃机制造产业快速发展，将大大拉动内燃机用特钢需求。与此同时，我国内燃机产业的节能减排、高效清洁等的新需求也要求气阀钢生产企业提高产品质量来满足，而且新一代内燃机产品的发展和内燃机的产业升级也对气阀钢产品提出了新要求。

气阀是内燃机的重要工作零件和易损件，也是整个发动机中的关键材料，工作条件已成恶劣，气阀要在500-900度的高温、高压、高冲刷和高磨蚀的苛刻条件下工作，对气阀钢的性能要求较高。目前，广泛使用的主要有两大类：一类是奥氏体型气阀钢，如5Cr21Mn9Ni4N（简称21－4N）、3Cr20Ni11Mo2PB（简称PB钢）、4Cr14Ni14W2Mo（简称双14）等；另一类是马氏体型气阀钢，如4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等。奥氏体型气阀钢由于其性能较马氏体型气阀钢好，因而主要用于条件更为苛刻的排气阀，而马氏体型气阀钢则主要用于进气阀。国内外气阀钢的种类及应用: 目前，我国专业气阀钢执行两个标准，即GB/T12773-08(内燃机气阀钢钢棒技术条件)和GB1221-92(耐热钢棒)，其中包括7个马氏体钢号：51Cr8Si2、42Cr9Si2、45Cr9Si3、40Cr10Si2Mo、80Cr20Si2Ni、85Cr18Mo2V、86Cr18W2Vre和7个奥氏体钢号：45Cr14Ni14W2Mo、55Cr21Mn8Ni2N、53Cr21Mn9Ni4N、53Cr21Mn9Ni4N（M）、50Cr21Mn9Ni4Nb2WN、33Cr23Ni8Mn3N、20Cr21Ni12N、61Cr21Mn10MoVNbN。另外，我国标准中还列入了两个镍基合金，德国和国际标准中也把镍基合金列入了气阀钢标准。根据我国最新气阀钢标准与国内外常用气阀钢牌号的归纳和对比，我国气阀钢的发展在世界上处于中等水平。

中碳马氏体气阀钢主要有42Cr9Si2、45Cr9Si3、40Crl0Si2Mo和51Cr8Si2。45Cr9Si3钢在欧美、日本多年来作为标准钢号已大量使用，与42Cr9Si2钢相比，淬硬性和抗腐蚀性都好。但是由于我国特殊钢厂热轧机精度低，轧材偏差大，不能象国外采用精轧-矫直-磨光的先进生产工艺，只能采用热轧-冷拉定径-矫直-磨光的生产工艺，这种工艺生产45Cr9Si3成本比较高。所以，目前我国农用车等负荷不高的内燃机排气阀和一些中高负荷内燃机进气阀还是大量采用42Cr9Si2和40Crl0Si2Mo两个钢号。51Cr8Si2(即SUHll、X50CrSi82)，是日本标准中较早的一个钢号，它的特点是成分中降低了Cr、Si的含量，使钢材成本比42Cr9Si2，45Cr9Si3(即SUH1、X45CrSi93)都低。Si含量的降低使钢的热塑性和室温塑性都提高了，回火脆性也减小了，因而，提高了钢材的成材率，进一步降低了成本。由于碳量较高，提高了淬硬性。使淬火后的硬度能够大于58HRC，这一特点使它更适宜于用作排气阀摩擦焊结构的阀杆。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料，具有质量好、损耗小、收缩率高，韧性强的特点，且有着良好的市场前景。

为解决以上技术问题，本发明采取的技术方案如下：一种内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料，包括预熔料、细玻璃粉、碳酸钠、萤石、高铝土、冰晶石、碳酸锂、碳黑、石墨碳，其重量百分含量分别为52.0%～58.0%、5.0%～8%、8%～9.5%、13%～17%、2%～4%、3%～5%、2%～3%，1%～3%、2.5%～3.5%，所述预熔料包括SiO2、CaO、Al2O3、R2O、F-，其重量百分含量分别为25.0%～35.0%、34.0%～44.0%、2.0%～8.0%、6.0%～13.0%、2.5%～8.5%。

所述保护材料的炉渣二元碱度为0.55～0.83。

优选地，所述炉渣成分包括SiO2、CaO 、Li2O、Al2O3、K2O、Na2O 、F-、MgO、Fe2O3，其重量百分含量分别为32.3%～40.3%、19.0%～27.0%、1.5%～3.0%、2.0%～6.0%、3%～6.5%、3.5%～6%、2.5%～6.0%、3%～ 4.5%、1.5%～3.0%。

优选地，所述保护材料中各成分的质量百分含量分别为预熔料55.0%、细玻璃粉7.5%、碳酸钠8%、萤石15.0%、高铝土3%、冰晶石4.0%、碳酸锂2.5%、碳黑2.0%、石墨碳3.0%。

优选地，所述保护材料的炉渣二元碱度为0.65～0.78。

优选地，所述保护材料的炉渣二元碱度为0.72。

特钢连铸所采用的不锈钢连铸机，一般采用动态二冷配水系统，以减少铸坯酸洗低倍显微组织出现的中心疏松和缩孔，此时，连铸结晶器配合有液面自动控制系统和电磁搅拌系统，以便于生产出的铸坯满足生产要求。

钢水在经过真空精炼后，钢水夹杂含量较低，因此必须使用功能保护材料，在本方案中，功能材料可以实现以下功能和作用：

保证连铸工艺稳定顺行，提高铸坯的表面和皮下质量；

绝热保温，减少钢液热损失，抑制结晶器内出现搭桥和结壳（冷钢），提高弯月面温度，维持渣道畅通；

隔绝空气，防止钢液二次氧化，主要靠液渣层来实现，利用功能保护材料所形成的三层结构对氧、氮进行隔绝，使钢水以及钢水中合金元素免于二次氧化和氮的吸收，保证钢水洁净；

润滑铸坯，减少铸坯粘结，液渣流入缝隙形成液态渣膜，随着结晶器的上下振动，润滑通道，便于结晶器脱模，用功能保护材料的消耗量来判定润滑性能的好坏；

改善结晶器传热，液渣流入缝隙然后结晶形成固态渣膜，以阻止凝固坯壳传到铜管上的热量，以控制热流，达到理想效果，进而减少铸坯表面缺陷（裂纹等）；

吸收非金属夹杂物，熔渣可以通化钢渣界面上浮的夹杂物，保证熔渣熔化的均匀性和稳定性（化学稳定性和热稳定性），减少功能保护材料变性。

依照本方案中的成份以及配比所生产的功能保护材料，能保护材料在结晶器内能较好的铺展开，熔化均匀，渣面活跃，产生的渣圈少，液渣层厚度为8 mm -12mm，每吨钢渣耗量为0.3 Kg -0.5Kg/吨。所浇注铸坯表面无清理率均为98%以上，铸坯皮下及内部质量良好，均能满足市场要求。

具体实施方式

下面对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，通过优选实施例进行说明：

主要的钢水成份及工艺参数如下表所示：

为了本方案中材料的功能实现，其主要性能判别指标如下表所示：

二元碱度（比值R）	熔点/℃	粘度/Pa·S	游离碳含量%
				0.50 -0.90	1050-1130	0.45-0.85	12-22

实施例一

一种内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料，包括预熔料、细玻璃粉、碳酸钠、萤石、高铝土、冰晶石、碳酸锂、碳黑、石墨碳，其重量百分含量分别为52.0%～58.0%、5.0%～8%、8%～9.5%、13%～17%、2%～4%、3%～5%、2%～3%，1%～3%、2.5%～3.5%，作为优选，所述保护材料中各成分的质量百分含量分别为预熔料55.0%、细玻璃粉7.5%、碳酸钠8%、萤石15.0%、高铝土3%、冰晶石4.0%、碳酸锂2.5%、碳黑2.0%、石墨碳3.0%。

所述保护材料的炉渣成分包括SiO2、CaO 、Li2O、Al2O3、K2O、Na2O 、F-、MgO、Fe2O3，其重量百分含量分别为32.3%～40.3%、19.0%～27.0%、1.5%～3.0%、2.0%～6.0%、3%～6.5%、3.5%～6%、2.5%～6.0%、3%～ 4.5%、1.5%～3.0%。

在本实施例中，作为优选，所述预熔料包括SiO2、Al2O3、CaO、F^-、R2O， R₂O中的R指代的是与负氧离子相结合的一阶正离子，在本方案中可以为Li、K、Na等，预熔料各组分的重量百分含量分别为34.3%、8.0%、37.0%、8.3%、12.4%。

实施例二

一种内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料，所述保护材料中各成分的质量百分含量分别为预熔料55.0%、细玻璃粉7.5%、碳酸钠8%、萤石15.0%、高铝土3%、冰晶石4.0%、碳酸锂2.5%、碳黑2.0%、石墨碳3.0%。

与其余实施例不同之处在于在本实施例中，作为优选，所述预熔料包括SiO2、Al2O3、CaO、F^-、R2O， R₂O中的R指代的是与负氧离子相结合的一阶正离子，在本方案中可以为Li、K、Na等，预熔料各组分的重量百分含量分别为27.3%、7.9%、44.0%、8.5%、12.3%。

实施例三

与其余实施例不同之处在于在本实施例中，作为优选，所述预熔料包括SiO2、Al2O3、CaO、F^-、R2O， R₂O中的R指代的是与负氧离子相结合的一阶正离子，在本方案中可以为Li、K、Na等，预熔料各组分的重量百分含量分别为31.3%、8%、40.0%、8.3%、12.4%。

实施例四

与其余实施例不同之处在于在本实施例中，作为优选，所述预熔料包括SiO2、Al2O3、CaO、F^-、R2O， R₂O中的R指代的是与负氧离子相结合的一阶正离子，在本方案中可以为Li、K、Na等，预熔料各组分的重量百分含量分别为32.3%、7.7%、39.0%、8.3%、12.7%。

实施例五

与其余实施例不同之处在于在本实施例中，作为优选，所述预熔料包括SiO2、Al2O3、CaO、F^-、R2O， R₂O中的R指代的是与负氧离子相结合的一阶正离子，在本方案中可以为Li、K、Na等，预熔料各组分的重量百分含量分别为28.3%、7.9%、43.0%、8.4%、12.4%。

实施例六

与其余实施例不同之处在于在本实施例中，作为优选，所述预熔料包括SiO2、Al2O3、CaO、F^-、R2O， R₂O中的R指代的是与负氧离子相结合的一阶正离子，在本方案中可以为Li、K、Na等，预熔料各组分的重量百分含量分别为34.8%、8.0%、36.5%、8.3%、12.4%。

实施例七

与其余实施例不同之处在于在本实施例中，作为优选，所述预熔料包括SiO2、Al2O3、CaO、F^-、R2O， R₂O中的R指代的是与负氧离子相结合的一阶正离子，在本方案中可以为Li、K、Na等，预熔料各组分的重量百分含量分别为30.3%、7.8%、41.0%、8.0%、12.9%。

实施例八

与其余实施例不同之处在于在本实施例中，作为优选，所述预熔料包括SiO2、Al2O3、CaO、F^-、R2O， R₂O中的R指代的是与负氧离子相结合的一阶正离子，在本方案中可以为Li、K、Na等，预熔料各组分的重量百分含量分别为33.5%、8.0%、37.5%、8.3%、12.7%。

对以上实施例，按照功能保护材料的主要性能判别指标表分析，主要参考的性能指标为：

1、碱度的确定，一般都采用二元碱度，也即（CaO/SiO₂）的比值来计算，钢水中C和Cr含量较高时，马氏体钢在高温中具有相当高的强度，凝固坯壳较硬，阻止了传热，坯壳不易出现裂纹等缺陷，所以R(碱度)要设计的稍低一点,在1.0以下；又因为是高碳，焊接性能差，凝固收缩率低，R(碱度)设计稍低点，使渣膜的玻璃化倾向大，加快传热，加大钢液固相，减少粘结风险。

2、熔点的确定，钢水到回转台温度相比稍低于低碳钢，因此设计凝固温度要稍低于低碳钢，为了保证沿整个结晶器长度方向始终存在一定厚度的液态渣膜，保护渣的熔化温度应低于结晶器下口处坯壳的表面温度，研究表明稍低的凝固温度可以提高液态渣膜厚度，改善结晶器内的润滑效果。

3、粘度的确定，钢水中碳含量较高，出生坯壳凝固收缩较小，坯壳和铜管之间的缝隙较小，液渣的流入通道变窄，液渣的流入填充变的不易，为了维持结晶器内的润滑，一定要保持合适的渣耗量。粘度过高，液渣流动性变差润滑不良，所以粘度的设计应稍低于普碳小方圆坯的数值，生产中渣耗量0.3-0.5kg/t钢，可以满足生产需要。

4、配碳的确定，研究表明，功能保护材料中加入碳质材料可以降低功能保护材料以控制熔化速度，为了减少功能保护材料的烧结，配碳选用混合配碳，具体为4%碳黑和12%石墨碳配比，这样经过实际生产试验，结晶器内熔渣层厚度为8-12mm，熔渣层稳定，熔化状态、保温良好，无结团等不良出现，可以满足生产需要。

实施例中的保护材料主要性能指标表为：

类别	SiO₂	Ai₂O₃	CaO	F^—	R₂O	熔点/℃	粘度/Pa·S
								实施例一	34.3%	8.0%	37.0%	8.3%	12.4%	1090	0.60
实施例二	27.3%	7.9%	44.0%	8.5%	12.3%	1070	0.65
								实施例三	31.3%	8.0%	40.0%	8.3%	12.4%	1060	0.54
实施例四	32.3%	7.7%	39.0%	8.3%	12.7%	1080	0.58
								实施例五	28.3%	7.9%	43.0%	8.4%	12.4%	1080	0.61
实施例六	34.8%	8.0%	36.5%	8.3%	12.4%	1130	0.68
								实施例七	30.3%	7.8%	41.0%	8.0%	12.9%	1080	0.57
实施例八	33.5%	8.0%	37.5%	8.3%	12.7%	1000	0.58

由表中的值，采用实施例三的配比方案时，熔点和粘度的特性，更加符合保护材料的应用要求，此时熔炼保护渣的二元碱度如下表所示：

类别	保护渣（CaO/SiO₂）二元碱度
		实施例一	0.62
实施例二	0.83
		实施例三	0.72
实施例四	0.69
		实施例五	0.81
实施例六	0.55
		实施例七	0.78
实施例八	0.65

即可以优选实施例三，二元碱度为0.72时的优选方案，经过现场试验表明，该实施方案下研制的功能保护材料在结晶器内熔化均匀、渣圈少，正常拉速时液渣厚度为8-12mm，每吨钢耗量为0.3-0.5Kg,铸坯表面无清理率达98%以上，生产出的产品高温高压高冲刷性能、耐磨性能、耐腐蚀性能都得到的良好的改善，试验检测新产品的抗拉强度高温下达到750Mpa，室温下达到1120 Mpa，伸长率在高温下达到38.8%，室温下19.1%，断面收缩率在高温下45%,室温下55%，冲击韧性在高温下达到129.5J/cm²，室温下23.5%，能够满足用户的需求。

Claims

1.一种内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料，其特征在于：包括预熔料、细玻璃粉、碳酸钠、萤石、高铝土、冰晶石、碳酸锂、碳黑、石墨碳，其重量百分含量分别为52.0％～58.0％、5.0％～8％、8％～9.5％、13％～17％、2％～4％、3％～5％、2％～3％，1％～3％、2.5％～3.5％，所述预熔料包括SiO₂、CaO、Al₂O₃、R₂O、F^-，其重量百分含量分别为25.0％～35.0％、34.0％～44.0％、2.0％～8.0％、6.0％～13.0％、2.5％～8.5％；炉渣成分包括SiO₂、CaO、Li₂O、Al₂O₃、K₂O、Na₂O、F^-、MgO、Fe₂O₃，其重量百分含量分别为32.3％～40.3％、19.0％～27.0％、1.5％～3.0％、2.0％～6.0％、3％～6.5％、3.5％～6％、2.5％～6.0％、3％～4.5％、1.5％～3.0％。

2.如权利要求1所述的内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料，其特征在于：所述保护材料的炉渣二元碱度为0.55～0.83。

3.如权利要求1或2所述的内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料，其特征在于：所述保护材料中各成分的质量百分含量分别为预熔料55.0％、细玻璃粉7.5％、碳酸钠8％、萤石15.0％、高铝土3％、冰晶石4.0％、碳酸锂2.5％、碳黑2.0％、石墨碳3.0％。

4.如权利要求1所述的内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料，其特征在于：所述保护材料的炉渣二元碱度为0.65～0.78。

5.如权利要求1所述的内燃机进气阀钢专用连铸结晶器功能保护材料，其特征在于：所述保护材料的炉渣二元碱度为0.72。