CN107119168A - 一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法，按以下步骤进行：（1）在中频炉内先放入回炉料和废钢，将高炉铁水倒入中频炉内；（2）凝固前启动中频炉电源，温度1350±10℃时加入硅铁合金和锰铁合金；（3）在1540~1550℃保温13~15min；（4）放置孕育剂，铁水出铁，扒渣浇注获得灰口铸件；将球化剂放置在铁水包内，将部分铁水出铁球化处理，扒渣后加入剩余铁水，冲入孕育剂，扒渣浇注，获得球墨铸铁。本发明通过熔炼时冷却处理、调整合金加入时机和铁水过热控制，细化石墨组织，在缩短工艺流程的同时提高铸件品质。
Description
技术领域
本发明属于冶金铸造技术领域，特别涉及一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法。
背景技术
铸造作为机械行业的基础产业，铸件的市场需求非常大。改革开放以来，铸造行业同其它所有行业一样，有了非常大的发展。铸件产量不断扩大，新技术新工艺不断出现。2015年，我国的铸件年产量为4560万吨，是全球第一大铸件生产国。汽车行业的发展决定了汽车铸件的市场需求，汽车铸件产量约占铸铁件总产量的百分之二十七。
“短流程”工艺是国家铸造协会重点推广的优化技术之一，所谓“短流程”铸造工艺，就是用高炉铁水直接进入中频炉进行升温和调整成分，经变质处理后浇注铸件；省去用生铁锭再重熔成铁水的过程，有效利用高炉铁水的热量；短流程铸造项目是一种节能，高效，低成本，少污染的铸造生产方法；不但能够大幅度降低焦炭或电能的消耗量和污染物的排放量，同时可带来巨大的能源、经济和环境效益。“短流程”工艺生产效率大大提高，生产成本显著降低，各类能耗及污染物排放量大幅度下降，项目符合清洁生产的要求，具有良好的环境保护效益，是冶炼企业延伸产业链转型的一条生存出路。
短流程工艺的优点是：（1）减少二次熔炼，缩短生产流程，显著降低能耗，减少环境污染，降低生产成本，提高产品的市场竞争力；（2）具有高的熔化效率和过热效率；（3）对炉衬的损害较轻，可以延长炉衬的寿命；（4）熔炼时间缩短，故吸气和夹杂减少，铁液较为纯净；（5）成分调整方便，铁水经电磁搅拌使成分和温度均匀，有利于获得高质量铸件。
但是短流程工艺也有以下缺点：（1）早已发现，短流程铁液水凝固组织中过冷D型和E型石墨比常规工艺多，同时发现，短流程凝固组织不如常规流程铸铁组织均匀，存在粗片状石墨；（2）短流程熔炼由于采用高炉铁液作为炉料，石墨易聚集，因此凝固组织不均匀，铸件机械性能低。
因此要想实现短流程铸造稳定化，必须从理论和实践上解决这一问题，弄清楚高炉铁水调质后与高炉铁水浇注成生铁锭后再经过重熔的铁水的差异和解决方法，才能用高炉铁水生产出优质铸件，扩大短流程铸造的应用。
发明内容
针对现有高炉铁水短流程铸造工艺存在的上述问题，本发明提供一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法，通过熔炼时冷却处理、调整合金加入时机和铁水过热控制，细化石墨组织，在缩短工艺流程的同时，提高铸件品质。
本发明的方法按以下步骤进行：
1、在中频炉内先放入回炉料和废钢，将高炉铁水倒入中频炉内，高炉铁水与回炉料和含铁废料换热使铁水凝固；其中高炉铁水占中频炉中全部物料总重量的50~60%，废钢为高炉铁水总重量的20±1%，其余为回炉料和铁合金；
2、在中频炉内的物料完全凝固前，启动中频炉电源进行加热，当温度达到1350±10℃，向中频炉内的熔体中加入硅铁合金和锰铁合金，使中频炉内全部物料中硅的重量百分比在1.6~1.9%，，锰的重量百分比在0.5~0.6%，随后升温至1540~1550℃，使铁水成分均匀化，消除由于后加硅铁引起的过孕育作用；
3、将中频炉内的铁水在1540~1550℃保温13~15min，使铁水中的预存石墨核心溶解；
4、在铁水包内放置孕育剂，将铁水出铁进入铁水包，扒渣并在15 min之内完成浇注，获得灰口铸件；或者将球化剂放置在铁水包内，先将待处理的铁水量的60~70%的铁水出铁进入铁水包进行球化处理，球化处理温度1500±20℃，待反应平稳后，扒渣，然后加入剩余待处理铁水，并同时随加入的铁水冲入孕育剂，扒渣并在15 min之内完成浇注，获得球墨铸铁。
上述的回炉料为废铸件和/或浇冒口，或者为铁屑、废铸件和浇冒口。
上述的步骤1中，高炉铁水在中频炉内与回炉料和废钢进行热交换，高炉铁水有一个凝固过程，与回炉料和废钢接触的高炉铁水部分凝固。
上述的步骤2中，向中频炉内的物料中加入增碳剂，控制全部物料中碳的重量百分比在3.0~3.7%求。
上述的孕育剂选用硅铁合金，用量为铁水包内全部物料总重量的0.5~0.6%。
上述的球化剂为稀土镁硅铁合金，牌号为QRMg8RE3，用量为铁水包内全部物料总重量的1.4~1.6%。
上述的增碳剂按重量百分比含C≥98%，挥发分和灰分≤1%，其余为Si 和Mn。
上述的高炉铁水中成分按重量百分比含C 4.14~4.49%，Si 0.5~0.6%，Mn 0.12~0.20%，S≤0.05%，P≤0.16%。
上述的步骤4中，当制备灰口铸铁时，其成分按重量百分比含C 3.2~3.3%，Si 1.9~2.0%，Mn 0.7~0.8%，S≤0.08%，P<0.15%, Cr 0.25~0.3%，余量为Fe和不可避免杂质。
上述的步骤4中，当制备球墨铸铁时，其成分按重量百分比含C 3.8~3.9%，Si 1.5~1.6%，Mn 0.4~0.45%，S≤0.025%，P<0.06%，余量为Fe和不可避免杂质。
上述的灰口铸铁组织为珠光体和铁素体，抗拉强度250~280MPa，硬度（HB）175~177，上述的球磨铸铁组织为珠光体和铁素体，抗拉强度470~480MP，硬度（HB）175~210。
目前铸铁短流程熔炼的工艺流程有三种：
（1）高炉铁液运输到铸造车间，直接浇注铸铁件；这是最佳的短流程熔炼工艺，由于原高炉铁液含碳量较高，杂质也较多，同时由于石墨状态的影响，造成铸件的抗拉强度较低，而且高炉铁液的出炉温度在1400℃以下，再加上运输过程中温度的下降，因此目前高炉铁液直接浇注成铸件工艺主要用于生产低牌号并且要求不高的铸铁件（如HT100、HT150）；由于高炉铁水含碳量在4.0~4.5%之间，在浇注过程中石墨的飞扬是不可避免，影响环境；因此采用高炉铁水直接浇注铸铁件的厂家，应在浇注区域设计除尘系统；
（2）高炉铁水经电炉配料熔炼；由于高炉铁水含碳量较高，生产灰铸铁及球墨铸铁时要合理确定兑入高炉铁水的比例。首先要根据铸件要求的含碳量、回炉料用量和废钢比例，计算出高炉铁水的比例，将高炉铁液倒入中频感应电炉，与废钢、回炉料和中间合金一起熔炼，经调整温度和成分后，出炉经变质或球化处理后浇注铸件；
（3）高炉铁液运输到铸造车间，经过脱碳后，再经电炉配料熔炼，浇注铸铁件和铸钢件；高炉铁液含碳量较高，生产灰铸铁、球墨铸铁或铸钢铁时经过脱碳炉脱碳达到达到要求时，再倒入感应电炉配料熔炼。
本发明为了从根本上解决高炉铁水铸件石墨组织存在的问题，通过实验室实验研究，结合理论分析，研究石墨形成的机理，在理论上破解高炉铁水的遗传性，为高炉铁水短流程工艺提供理论支持；目前短流程工艺的措施主要是从高炉铁水的过热方面考虑，认为通过过热破坏高炉铁水中存在的粗大石墨核心，防止出现块状始末，使凝固组织均匀化；研究发现铁水过热可以消除石墨遗传性的影响，细化石墨，而且过热温度在平衡温度以上时，利用脱碳“沸腾”起到净化铁液的作用；根据铸铁种类的不同，一般过热温度控制范围1500℃以上,在此时间段保温一段时间，主要是为了是高炉铁水中的遗传的石墨核心溶解。
本发明的步骤1中，高炉铁水进入中频炉收到废钢和回炉料冷却，排除一部分高炉铁水中的气体，同时凝固的铁水形成一部分白口组织和麻口组织，同时形成一部分细小的片状石墨，高炉铁水的冷却过程有助于细化熔炼之后的石墨组织，消除粗大片状石墨，改善组织，提高铸件性能。高炉铁水的热量加热废钢和回炉料，热量并不损失。
从冶金学原理分析，高炉铁水直接进入中频炉熔炼与生铁炉料熔化的差别就在于，铸造生铁有一个浇注时在金属型内的急冷过程，从而导致铸造重熔后凝固组织的区别；而短流程的目的在于利用高炉铁水的热量，达到节能的目的。如何在不损失高炉铁水热量的同时，在工艺上采取措施，高炉铁水产生一个激冷过程，细化铁水中的石墨核心，从而消除石墨粗化的问题；方法是用熔炼时加入的废钢、回炉料或再加入调整化学成分用的铁合金作为激冷材料，同时吸收高炉铁水的热量，既不损失热量，又有铁水激冷作用，一举多得，将会改变铁水的凝固组织，成产出高品质铸件；按目前生产工艺条件下的出品率和废品率数据，加入高炉铁水完全凝固的释放的热量可把其他炉料加热到600℃以上；
高炉铁水的含碳量高，但含硅量低，一般在0.5~0.6%，去掉浇注时孕育加入的硅量，熔炼时还需要补充一定的硅量，加入硅铁合金补充；以前对这部分硅铁加入时间没有明确的规定，为了减少烧损，往往在炉料完全溶化后出提温调整成分时加入；距离出炉时间较近，而这部分硅铁由于加入量较大，如果加入时间太靠后，也有很强的孕育作用，再加上出炉时加入的孕育剂，和浇口杯的瞬时孕育，有可能产生“过孕育作用”，铸件中出现厚片状石墨，石墨粗大，达不到对石墨组织的要求；为了消除“过孕育”作用，在炉料完全熔化后，扒渣，然后及时把硅铁加入炉中随铁水提温，消除硅铁的孕育作用，充分发挥后续孕育剂的孕育作用；可以有效细化石墨组织。
研究发现，应调整高炉铁液和其他炉料的加入比例，严格控制和优化铁液化学成分（合金元素）；过热温度和保温时间、出炉处理温度、孕育处理方法、孕育剂类型及加入量、浇注温度和浇注过程等。
短流程工艺中铁液要采取过热均匀化和强化孕育的铁液质量调整措施，可以显著改善短流程铁液的状态，最终生产出完全符合使用性能要求的高质量铸铁件，如果铁水含碳量低于逐渐要求的含碳量，可以加入少量增碳剂调整，能够增加石墨化核心，同时必须加强孕育。
附图说明
图1为本发明实施例1的产品金相组织图；
图2为本发明实施例2的产品金相组织图；
图3为本发明实施例3的产品金相组织图；
图4为本发明实施例4的产品金相组织图。
具体实施方式
本发明实施例中采用的高炉铁水中成分按重量百分比含C 4.14~4.49%，Si 0.5~0.6%，Mn 0.12~0.16%，S≤0.05%，P≤0.16%，余量为Fe和不可避免杂质。
本发明实施例中采用的含铁废料为铸铁件机加工铁屑，其成分按重量百分比含C3.0~3.7%，Si 1.8~2.8%，Mn 0.5~1.2%，余量为Fe和不可避免杂质。
本发明实施例中采用的废钢成分按重量百分比含C 0.18~0.25%，Si 0.5~0.8%，Mn0.50~0.65%，P≤0.02%；S≤0.04%，余量为Fe和不可避免杂质。
本发明实施例中采用的硅铁合金以及孕育剂均为75%Si硅铁合金。
本发明实施例中选用的增碳剂成分按重量百分比含C 98.27%，Si 0.42%，Mn0.38%，挥发分0.44%，灰分0.38%。
本发明实施例中观测高品质铸件组织采用的设备为德国CARL Zeiss的AxioVert.ALM金相显微镜。
本发明实施例中孕育剂、球化剂和增碳剂为市购产品。
本发明实施例中制备的灰口铸铁牌号为HT250，制备的球磨铸铁牌号为QT500-7或QT450-10。
本发明实施例中采用的中频炉为5t中频电炉。
本发明实施例中获得灰口铸铁的石墨长度4-6mm,石墨形态A型。
本发明实施例中获得球墨铸铁的石墨球化等级2~3级,球化率90~95%。
本发明的方法中，当中频炉内锰含量符合要求时，可不加入锰铁合金；当碳含量符合要求时，可不加入增碳剂。
本发明实施例中，当回炉料中含有铁屑时，铁屑占回炉料总重量的10~15%。
实施例1
在中频炉内先放入回炉料和废钢，将高炉铁水倒入中频炉内，高炉铁水与回炉料和含铁废料换热使铁水凝固；其中高炉铁水占中频炉中全部物料总重量的50%，废钢为高炉铁水总重量的20±1%，其余为回炉料和铁合金；所述的回炉料为废铸件；高炉铁水在中频炉内与回炉料和废钢进行热交换，高炉铁水有一个凝固过程，与回炉料和废钢接触的高炉铁水部分凝固；
在中频炉内的物料完全凝固前，启动中频炉电源进行加热，当温度达到1350±10℃，向中频炉内的熔体中加入硅铁合金和锰铁合金，使中频炉内全部物料中硅的重量百分比在1.8%，，锰的重量百分比在0.5%，随后升温至1540℃，使铁水成分均匀化，消除由于后加硅铁引起的过孕育作用；向中频炉内的物料中加入增碳剂，控制全部物料中碳的重量百分比在3.7%；所述的增碳剂按重量百分比含C≥98%，挥发分和灰分≤1%，其余为Si 和Mn；
将中频炉内的铁水在1540℃保温15min，使铁水中的预存石墨核心溶解；
在铁水包内放置孕育剂，将铁水出铁进入铁水包，扒渣并在15 min之内完成浇注，获得灰口铸件；孕育剂选用硅铁合金，用量为铁水包内全部物料总重量的0.5%；
灰口铸铁的成分按重量百分比含C 3.2%，Si 2.0%，Mn 0.8%，S≤0.08%，P<0.15%, Cr0.25%，余量为Fe和不可避免杂质；
灰口铸铁组织为珠光体和铁素体，如图1所示，抗拉强度250MPa，硬度（HB）177。
实施例2
方法同实施例1，不同点在于：
（1）高炉铁水占中频炉中全部物料总重量的55%；所述的回炉料为浇冒口；
（2）加入硅铁合金和锰铁合金，使中频炉内全部物料中硅的重量百分比在1.7%，，锰的重量百分比在0.55%，随后升温至1545℃；加入增碳剂，控制全部物料中碳的重量百分比在3.0%；
（3）中频炉内的铁水在1545℃保温14min；
（4）孕育剂用量为铁水包内全部物料总重量的0.55%；
（5）获得的灰口铸铁成分按重量百分比含C 3.3%，Si 1.9%，Mn 0.7%，S≤0.08%，P<0.15%, Cr 0.28%，余量为Fe和不可避免杂质；组织为珠光体和铁素体，如图2所示，抗拉强度269MPa，硬度（HB）176。
实施例3
方法同实施例1，不同点在于：
（1）高炉铁水占中频炉中全部物料总重量的60%；所述的回炉料为废铸件和浇冒口；
（2）加入硅铁合金和锰铁合金，使中频炉内全部物料中硅的重量百分比在1.6%，，锰的重量百分比在0.6%，随后升温至1550℃；加入增碳剂，控制全部物料中碳的重量百分比在3.4%；
（3）中频炉内的铁水在1550℃保温13min；
（4）孕育剂用量为铁水包内全部物料总重量的0.6%；
（5）获得的灰口铸铁成分按重量百分比含C 3.3%，Si 1.9%，Mn 0.7%，S≤0.08%，P<0.15%, Cr 0.3%，余量为Fe和不可避免杂质；组织为珠光体和铁素体，抗拉强度250MPa，硬度（HB）175。
实施例4
方法同实施例1，不同点在于：
（1）所述的回炉料为铁屑、废铸件和浇冒口；
（2）加入硅铁合金和锰铁合金，使中频炉内全部物料中硅的重量百分比在1.9%，，锰的重量百分比在0.5%；
（3）将球化剂放置在铁水包内，先将待处理的铁水量的60%的铁水出铁进入铁水包进行球化处理，球化处理温度1500±20℃，待反应平稳后，扒渣，然后加入剩余待处理铁水，并同时随加入的铁水冲入孕育剂，扒渣并在15 min之内完成浇注，获得球墨铸铁；
球化剂为稀土镁硅铁合金，牌号为QRMg8RE3，用量为铁水包内全部物料总重量的1.4%；
孕育剂用量为铁水包内全部物料总重量的0.5%；
（4）球墨铸铁成分按重量百分比含C 3.8%，Si 1.6%，Mn 0.4%，Mg 0.033%, RE 0.027%,S≤0.025%，P<0.06%，余量为Fe和不可避免杂质；组织为珠光体和铁素体，如图3所示，抗拉强度475MP，硬度（HB）192。
实施例5
方法同实施例1，不同点在于：
（1）高炉铁水占中频炉中全部物料总重量的55%；所述的回炉料为废铸件和浇冒口；
（2）加入硅铁合金和锰铁合金，使中频炉内全部物料中硅的重量百分比在1.8%，，锰的重量百分比在0.55%，随后升温至1545℃；加入增碳剂，控制全部物料中碳的重量百分比在3.0%；
（3）中频炉内的铁水在1545℃保温14min；
（4）将球化剂放置在铁水包内，先将待处理的铁水量的65%的铁水出铁进入铁水包进行球化处理，球化处理温度1500±20℃，待反应平稳后，扒渣，然后加入剩余待处理铁水，并同时随加入的铁水冲入孕育剂，扒渣并在15 min之内完成浇注，获得球墨铸铁；
球化剂为稀土镁硅铁合金，牌号为QRMg8RE3，用量为铁水包内全部物料总重量的1.5%；
孕育剂用量为铁水包内全部物料总重量的0.55%；
（5）球墨铸铁成分按重量百分比含C 3.8%，Si 1.5%，Mn 0.36%，Mg 0.032%, RE0.025%, S≤0.025%，P<0.06%，余量为Fe和不可避免杂质；组织为珠光体和铁素体，如图4所示，抗拉强度470MP，硬度（HB）210。
实施例6
方法同实施例1，不同点在于：
（1）高炉铁水占中频炉中全部物料总重量的60%；所述的回炉料为废铸件；
（2）加入硅铁合金和锰铁合金，使中频炉内全部物料中硅的重量百分比在1.7%，，锰的重量百分比在0.6%，随后升温至1550℃；加入增碳剂，控制全部物料中碳的重量百分比在3.3%；
（3）中频炉内的铁水在1550℃保温13min；
（4）将球化剂放置在铁水包内，先将待处理的铁水量的70%的铁水出铁进入铁水包进行球化处理，球化处理温度1500±20℃，待反应平稳后，扒渣，然后加入剩余待处理铁水，并同时随加入的铁水冲入孕育剂，扒渣并在15 min之内完成浇注，获得球墨铸铁；
球化剂为稀土镁硅铁合金，牌号为QRMg8RE3，用量为铁水包内全部物料总重量的1.6%；
孕育剂用量为铁水包内全部物料总重量的0.6%；
（5）球墨铸铁成分按重量百分比含C 3.9%，Si 1.5%，Mn 0.45%，Mg 0.035%, RE 0.028,S≤0.025%，P<0.06%，余量为Fe和不可避免杂质；组织为珠光体和铁素体，抗拉强度480MP，硬度（HB）175。
Claims (10)
1.一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）在中频炉内先放入回炉料和废钢，将高炉铁水倒入中频炉内，高炉铁水与回炉料和含铁废料换热使铁水凝固；其中高炉铁水占中频炉中全部物料总重量的50~60%，废钢为高炉铁水总重量的20±1%，其余为回炉料和铁合金；
（2）在中频炉内的物料完全凝固前，启动中频炉电源进行加热，当温度达到1350±10℃，向中频炉内的熔体中加入硅铁合金和锰铁合金，使中频炉内全部物料中硅的重量百分比在1.6~1.9%，，锰的重量百分比在0.5~0.6%，随后升温至1540~1550℃，使铁水成分均匀化，消除由于后加硅铁引起的过孕育作用；
（3）将中频炉内的铁水在1540~1550℃保温13~15min，使铁水中的预存石墨核心溶解；
（4）在铁水包内放置孕育剂，将铁水出铁进入铁水包，扒渣并在15 min之内完成浇注，获得灰口铸件；或者将球化剂放置在铁水包内，先将待处理的铁水量的60~70%的铁水出铁进入铁水包进行球化处理，球化处理温度1500±20℃，待反应平稳后，扒渣，然后加入剩余待处理铁水，并同时随加入的铁水冲入孕育剂，扒渣并在15 min之内完成浇注，获得球墨铸铁。
2.根据权利要求1所述的一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法，其特征在于所述的回炉料为废铸件和/或浇冒口，或者为铁屑、废铸件和浇冒口。
3.根据权利要求1所述的一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法，其特征在于步骤（2）中，向中频炉内的物料中加入增碳剂，控制全部物料中碳的重量百分比在3.0~3.7%。
4.根据权利要求1所述的一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法，其特征在于所述的孕育剂选用硅铁合金，用量为铁水包内全部物料总重量的0.5~0.6%。
5.根据权利要求1所述的一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法，其特征在于所述的球化剂为稀土镁硅铁合金，牌号为QRMg8RE3，用量为铁水包内全部物料总重量的1.4~1.6%。
6.根据权利要求1所述的一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法，其特征在于所述的增碳剂按重量百分比含C≥98%，挥发分和灰分≤1%，其余为Si 和Mn。
7.根据权利要求1所述的一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法，其特征在于所述的高炉铁水中成分按重量百分比含C 4.14~4.49%，Si 0.5~0.6%，Mn 0.12~0.20%，S≤0.05%，P≤0.16%。
8.根据权利要求1所述的一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法，其特征在于步骤（4）中，当制备灰口铸铁时，其成分按重量百分比含C 3.2~3.3%，Si 1.9~2.0%，Mn 0.7~0.8%，S≤0.08%，P<0.15%, Cr 0.25~0.3%，余量为Fe和不可避免杂质。
9.根据权利要求1所述的一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法，其特征在于步骤（4）中，当制备球墨铸铁时，其成分按重量百分比含C 3.8~3.9%，Si 1.5~1.6%，Mn 0.4~0.45%，S≤0.025%，P<0.06%，余量为Fe和不可避免杂质。
10.根据权利要求1所述的一种高炉铁水短流程铸造高品质铸件的方法，其特征在于所述的灰口铸铁组织为珠光体和铁素体，抗拉强度250~280MPa，硬度（HB）175~177，所述的球磨铸铁组织为珠光体和铁素体，抗拉强度470~480MP，硬度（HB）175~210。
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