CN109702153A - 风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺，步骤包括(1)铁水包修护；(2)熔炼原料熔炼成铁水并清除浮渣；(3)铁水包内布置球化剂，将铁水倒入铁水包进行球化，并去除球化后渣；(4)铁水液面覆盖混合保温剂，其中混合保温剂由集渣剂与保温覆盖剂按照质量比1:(0～2)混合制成；(5)浇注铸件。本发明主要通过改变熔炼浇注工艺方式来防止风电球墨铸铁轮毂铸件夹渣及解决铁水温度控制方面的问题，熔炼铁水前各设备进行清理，防止一次渣进入铸型；铁水液面覆盖混合保温剂能够避免球化衰退并且有效防止铁水温降过快，混合保温剂配比后可满足铁水直接浇注无需反复除渣的要求，提高了生产效率。

Description

风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺

技术领域

本发明涉及一种冶金浇注工艺方法，尤其是涉及一种球墨铸铁浇注档渣及温度控制的方法。

背景技术

球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能与钢接近，由于其优异的性能，目前已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。球墨铸铁发展迅速，已成为仅次于灰铸铁应用的铸铁材料。目前球铁涉及的领域包括风力发电领域、核工业领域、汽车零部件等制造领域。球墨铸铁材料的发展势头强劲，技术变革迅猛，铸件质量稳定。许多专家学者、一线的技术人员通过实验研发出很多新型技术，国内球墨铸铁的技术发展已经到了非常高的高度。尽管如此，球墨铸铁仍然面临着一些技术突破，如铸件厚断面缩松、铸件夹渣、铸件外表面渗硫等问题，特别是针对风电轮毂铸件，其为厚大壁厚铸件，在铸造过程中特别容易出现上述铸造缺陷。现有球墨铸铁浇注工艺中，通常将出铁水温度控制在较高温度，一般为1450℃，这样能够保证孕育球化、浇注过程中虽然有温降，但是仍然能够满足浇注温度要求，并且从成本、工艺操作复杂程度来考虑，球墨铸铁出铁水表面不会覆盖保温覆盖剂。但是对于风电轮毂这类厚大厚壁铸件来说，凝固时间长，球铁中的镁和稀土元素等氧化元素的残留易造成夹渣。申请人在此前曾经针对厚壁铸件提出过改善铸造缺陷的方案，即主要通过提高原材料纯净度、冶炼设备洁净度等方式提高铁水纯净度，以及铁水表面覆盖保温覆盖剂保持球墨铸铁的浇注温度，同时保温覆盖剂能够防止铁水氧化保持铁水纯净度，从而保证风电轮毂这类厚壁铸件优良的铸造质量，使铸件具有优良的低温韧性。然而实际使用过程中发现，保温覆盖剂虽然能够解决铸造铁水保温、保持铁水纯净度的问题，但是保温覆盖剂烧结后容易粘附在铁水包包壁上，给后续清理带来很大难度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种能够提高风电球墨铸铁轮毂铸件的铸造质量，控制铁水温降，同时降低后续清理难度的工艺方法。

本发明的技术方案是提供一种风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺，包括如下步骤：

(1)铁水包修护，即将铁水包挂渣清理干净，烘干待用；

(2)将熔炼原料熔炼成铁水并清除浮渣；

(3)铁水包内布置球化剂，将步骤(2)得到的铁水倒入铁水包进行球化，再去除球化后渣；

(4)铁水液面覆盖混合保温剂，其中混合保温剂由集渣剂与保温覆盖剂混合制成，集渣剂与保温覆盖剂的质量比为1:(0～2)，其中(0～2)是指0＜保温覆盖剂的比例＜2；

(5)直接浇注铸件。

进一步地，上述步骤(2)中熔炼原料采用冲天炉和电炉双联熔炼，且电炉炉内铁水用集渣剂除渣，渣层全部挑出。

进一步地，上述步骤(2)中出铁前(倒入铁水包前)铁水进行脱硫处理，将铁水硫含量控制在0.022％以下，使用冲天炉和电炉双联熔炼时，铁水在电炉炉内进行脱硫处理即可；步骤(3)中球化剂质量为倒入铁水质量的1％；当铁水硫含量过高，为确保球化质量，球化剂加入量需增加，爆镁时渣量增多，并且铁水中游离镁增加，铁水充型生成二次渣的几率增大，本发明使用硅镁稀土合金作为球化剂，通过控制铁水硫含量，可将球化剂使用量从原工艺的1.25％降至1％，从而减少爆镁后渣量。

进一步地，上述步骤(4)中集渣剂包括如下重量份数的组成：二氧化硅69-74.5份；三氧化二铝11-15.0份；三氧化二铁0.5-1.9份；氧化钾3-5份；氧化钠2-5份；氧化钙1-4份；且集渣剂膨胀系数＞10％；

保温覆盖剂包括下述重量份数的组成：二氧化硅62-65份；三氧化二铝12-15份；三氧化二铁2.5-3.5份；氧化铁0.5-1.5份；氧化钠1.5-3.5份；氧化钙1-1.5份；氧化钾1-4份；硼酐0.3-1.5份；且保温覆盖剂膨胀系数＜5％；

进一步地，上述步骤(4)中混合保温剂占铁水质量百分比为0.05-0.1％，在这一范围内可以满足保温要求，同时避免浪费，控制生产成本。

进一步地，上述步骤(4)中，集渣剂与保温覆盖剂的质量比为1:1。

进一步地，上述步骤(5)中直接浇注为将铁水包口部处的混合保温剂形成的保温层挑开三角形开口，铁水由该开口直接注入铸型，无需如传统工艺采用集渣剂反复去除浮渣后才能进行浇注；所采用的铁水包为普通的铁水包，而非设置有特殊挡渣装置的铁水包。

本发明的优点和有益效果：

1.在熔炼工艺流程中，增加了可见渣清理工作，例如修包、电炉炉内扒渣，同时配合混合保温剂可防止铁水氧化，并且使用混合保温剂能够简化浇注挡渣动作；上述清渣、保温等均可防止一次渣进入铸型，对铸件防止渣缺陷意义重大。

2.铁水液面覆盖混合保温剂，能够降低甚至避免铁水中的有效镁与空气反应而导致镁含量损耗，造成球化衰退；此外改进工艺前每分钟铁水温度平均降低8-10℃，导致电炉出铁温度增高，浪费了电能，而使用混合保温覆盖剂后，铁水温降为每分钟4-6℃，出铁温度可降低15-30℃，节约了电能。

3.传统工艺中需要反复的用集渣剂将铁水包内的浮渣清除3-4次后浇注，使用混合保温覆盖剂只需挑开三角形开口，可直接浇注，降低了工人的工作强度，也提高了工作效率；减少铁水等待时间3-5分钟，使铁水提早进入铸型，加快铁水冷却。

4.在铁水包修护方面，使用混合保温覆盖剂并没有增加清理工作量，反而包壁上的挂渣还是比较好清理，因此总体来说提高了工作效率。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明主要是通过改变熔炼浇注工艺方式来防止风电球墨铸铁轮毂铸件夹渣及解决铁水温度控制方面的问题，例如针对风电2MW轮毂等厚大壁厚铸件，本发明改进的熔炼浇注工艺特别适用。对于熔炼浇注过程，只有在浇注前将铁水中的浮渣挡在铸型之外，铸件才可以避免因熔炼浇注过程失控导致一次渣的带入；同时将铁水冲入铸型的温度控制准确，对铸件冷隔、缩松、夹渣等铸造缺陷的防止非常有力。本发明即可满足上述过程要求，具体来说本发明的工艺过程是：

一、铁水包修护，铁水包在使用前必须将包壁上挂渣清理干净，将包壁修护光滑，将铁水包用液化气烘烤干燥，清理干净的包壁可防止使用时挂渣进入铁水，干燥的铁水包可防止铁水氧化形成渣，并确保使用安全。

二、电炉炉内铁水除渣，经过冲天炉脱硫处理的铁水在倒入电炉时会将脱硫铁水包上附着的硫化渣一同倒入电炉，电炉通过升温搅拌铁水，硫化渣浮在铁水表层，用集渣剂撒在铁水表面，待集渣剂膨胀烧结后，用铁棒将整个渣层全部挑出。

三、减少爆镁后渣量，将电炉原铁水中硫含量控制在0.022％以下，(硫含量过高时，为确保球化质量，球化剂加入量需增加，则爆镁时渣量增多，并且铁水中游离镁增加，铁水充型生成二次渣的几率增大)使用硅镁稀土合金作为球化剂，加入比例由原工艺的1.25％降到1％。

四、清除球化后渣，用集渣剂将爆镁过程产生的浮渣清理干净。

五、建立保温层，铁水起吊时在铁水液面覆盖一层混合保温剂，直到看不见铁水颜色为止，铁水转运到浇注场地前，用干燥的空气吹净铁水包包口积灰。

六、铁水包放置，球化好的铁水通过行车转运放置到轨道电动平车时要轻轻落下，防止在第一个放置点，因下落过快而将铁水液面还未烧结的保温层震开，导致铁水降温过快。

七、铁水浇注，浇注时只需将铁水包包嘴处的保温层，用铁棒向后挑开一个三角形开口，三角形面积约750cm²，然后向铸型中快速倒铁水，直到浇注结束。

具体的，步骤一中使用液化气烘包器，铁水包倒置放在烘包器上，液化气燃烧的热量从铁水包侧壁-包底-侧壁循环烘烤。铁水包供气压力0.5MPa，燃烧热＞40000千焦/公斤，包内温度可达800-1000度，烘烤时间为4小时，烘包效率高，烘包干燥彻底。

具体的，步骤三，球化剂中镁含量为5.50-6.20％，加入比例1.25％时，铁水中镁含量将超过0.060％，镁含量过高，铸件形成氧化渣的风险增大。将球化剂加入比例控制在1％，铁水中镁含量将低于0.045％，减少铸件硫化镁、氧化镁夹渣风险。

具体的，步骤五采用保温覆盖剂和集渣剂混合制成的混合保温剂，其组成配比为集渣剂:保温覆盖剂＝1:(0～2)，其中(0～2)不取端点值，为0～2之间的区间值；

作为进一步改进，以重量份数计，保温覆盖剂组成包括二氧化硅62-65份；三氧化二铝12-15份；三氧化二铁2.5-3.5份；氧化铁0.5-1.5份；氧化钠1.5-3.5份；氧化钙1-1.5份；氧化钾1-4份；硼酐0.3-1.5份；且保温覆盖剂膨胀系数＜5％；集渣剂组成包括二氧化硅69-74.5份；三氧化二铝11-15.0份；三氧化二铁0.5-1.9份；氧化钾3-5份；氧化钠2-5份；氧化钙1-4份；且集渣剂膨胀系数＞10％。

集渣剂中的硅石(主要成分为二氧化硅)是一种天热矿产物，属于流纹理岩系的天然玻璃类矿石；又名火山灰或珍珠岩；在显微镜下放大500倍可以清楚的看到毛细孔，集渣剂正是因为这些显微毛孔在铁水表面受热迅速膨胀、扩散，将铁水表面的浮渣颗粒吸附在毛细孔中，形成渣层，在10-20秒烧结硬化，用铁棒就可以将渣从铁水中挑出。缺点是集渣剂吸渣后所结渣层因为吸附大量的浮渣颗粒脆性变大，将渣层清理出来时容易碎，导致需多次扒渣，浇注前除渣次数多，时间长；并且在球化场地转向浇注场地时覆盖的集渣剂容易散开，铁水保温能力差，导致表面铁水易氧化形成渣，易损耗铁水中有效镁含量，增加了铁水衰退倾向。保温覆盖剂中的硅石(主要成分为二氧化硅)是一种自然矿产物，又称石英砂岩，在显微镜下观察并没有毛细孔，单独将保温覆盖剂覆盖在干净的铁水表面，它的受热膨胀倍数小于5％；但因为有烧结结合剂硼酐，在1300℃以上的铁水液面硼酐与二氧化硅反应生成硼硅酸盐，硼硅酸盐在二氧化硅表面形成熔相，同时二氧化硅晶体变成方石英，体积增加，经过5-8分钟烧结时间，在铁水表面形成一层十分致密的烧结层，起到保温铁水的作用。缺点是在铁水转运过程中受铁水液面晃动导致盖在铁水表面的保温覆盖剂烧结时间不够而散开，达不到铁水保温的目的；并且浇注时烧结后的保温覆盖剂非常硬，粘附在铁水包包壁上很难清除。

申请人发现将保温覆盖剂和集渣剂按照一定比例混合后，既能够利用两者优点，又能够避免两者的缺点，例如本发明的一个实施例中，采用质量比1:1混合保温覆盖剂和集渣剂得到混合保温剂，并在铁水液面覆盖0.05-0.1％的混合保温剂。这种混合方式使两种材料的颗粒分布非常均匀，受热后体积膨胀较快，硼酐与二氧化硅烧结后形成了具有粘性和脆性适中的烧结层，并且烧结时间会缩短到3-5分钟；形成的烧结层就像密封的圆柱盖子盖在铁水表面，起到了隔绝空气，防止铁水氧化的作用，并能够很好的保温铁水，使铁水的降温速度由单独使用集渣剂时每分钟降温8-10℃降低到使用混合保温剂每分钟降温4-6℃；同时由于混合保温剂烧结层具备了集渣剂的脆性和保温覆盖剂的粘性，脆硬适中，所以浇注铁水挡渣和修护铁水包清渣工作就变得轻松简单。此外，在成本方面，集渣剂比保温覆盖剂每吨贵近1000元左右，而本发明工艺教导在铁水转运时使用混合保温剂，浇注时不必再使用集渣剂，按照铁水量计算可节省集渣剂用量0.01-0.03％，能够明显降低生产成本。

实施例1

本实施例为风电球墨铸铁2MW轮毂渣防止和铁水温度控制的熔炼浇注工艺，2MW轮毂浇注重量14300㎏，使用铁水包为15吨铁水包，本工艺是在冲入法球化处理工艺上的优化，具体制造方法是：一、铁水包修护，对将要使用的球化处理包包壁的挂渣清理干净，将包壁修护光滑。二、电炉炉内扒渣，电炉出铁前将炉内表面浮渣用集渣剂清除干净。三、降低球化剂加入比例，球化剂加入比例按照1％加入，减少爆镁后的浮渣量和铁水充型镁渣的形成。四、清除球化后渣，用集渣剂将爆镁过程产生的浮渣清理干净。五、覆盖混合保温覆盖剂，在铁水表面均匀覆盖一层混合保温剂，直到看不见铁水颜色，混合保温剂为集渣剂与保温覆盖剂以质量比1:1混合制成。六、铁水包落在平车上要慢，铁水包转运时放在电动平车上时要缓慢放下，防止将未烧结的覆盖剂震开，导致铁水温度降温过快。七、铁水浇注，浇注时只需将铁水包包嘴处覆盖层，用铁棒向后挑开一个三角形开口，然后向铸型中倒铁水，直到浇注结束。

按照本实施例的制造方法，对同样14300㎏的铁水量，确保使用同一个15吨铁水包，每次铁水包都是首次使用，共计熔炼浇注11次，铁水温度、渣量等具体结果如表1所示：

表1

本实施例中的11组制造过程，均严格按照制造步骤要求执行，铁水液面清爽干净，由表1可知铁水保温效果明显，并且铸件渣缺陷检测合格。

实施例2～3

实施例2～3与实施例1的区别在于，步骤五中混合保温剂的集渣剂与保温覆盖剂质量比分别为1:1.2和1:0.8，其他同实施例1。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于仅使用集渣剂作为保温剂，具体过程为：一、铁水包修护，对将要使用的球化处理包包壁的挂渣清理干净，将包壁修护光滑。二、电炉炉内扒渣，电炉出铁前将炉内表面浮渣用集渣剂清除干净。三、降低球化剂加入比例，球化剂加入比例按照1％加入，减少爆镁后的浮渣量和铁水充型镁渣的形成。四、清除球化后渣，用集渣剂将爆镁过程产生的浮渣清理干净。五、覆盖集渣剂，在铁水表面均匀覆盖一层集渣剂。六、铁水浇注，浇注时用集渣剂3-4次将铁水表面浮渣清除干净，然后浇注。

按照对比例1的制造方法，对同样14300㎏的铁水量，确保使用同一个15吨铁水包，每次铁水包都是首次使用，共计熔炼浇注11次，铁水温度、渣量等具体结果如表2所示：

表2

对比例1中的11组制造过程，均严格按照制造步骤要求执行，球化后铁水液面渣清理干净。由表2可知集渣剂覆盖在铁水表面，铁水温度降温明显，浇注时挡渣时间长，液面碎渣无法清理彻底，铸件夹渣风险大。

对比例2～5

对比例2～6在实施例1的基础上，将步骤五中集渣剂与保温覆盖剂按照不同比例配比，结合对比例1，观察聚渣和保温效果，结果见表3所示：

表3

通过表3可知，集渣剂与保温覆盖剂以质量比1:(0～2)均匀混合使用时，不仅降温慢，渣层(混合保温剂一方面自身能够烧结，另一方面具有聚渣效果，因此渣层包括混合保温剂与聚渣)硬脆性相对适中，也便于包壁粘渣清理。而当集渣剂与保温覆盖剂以质量比为1:1配制时，硬脆性、清理程度效果最佳，因此本发明将集渣剂与保温覆盖剂的比例最优选为1:1。

本发明实施例涉及到的材料、试剂和实验设备，如无特别说明，均为符合冶金铸造领域的市售产品。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的核心技术的前提下，还可以做出改进和润饰，这些改进和润饰也应属于本发明的专利保护范围。与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (9)

1.风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(1)铁水包修护，将铁水包挂渣清理干净，烘干待用；

(2)将熔炼原料熔炼成铁水并清除浮渣；

(3)步骤(1)的铁水包内布置球化剂，将步骤(2)得到的铁水倒入铁水包进行球化，再去除球化后渣；

(4)然后铁水液面覆盖混合保温剂，所述混合保温剂由集渣剂与保温覆盖剂混合制成，集渣剂与保温覆盖剂的质量比为1:(0～2)；

(5)覆盖混合保温剂的铁水直接浇注铸件。

2.如权利要求1所述的风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺，其特征在于，所述步骤(2)中熔炼原料采用冲天炉和电炉双联熔炼，且电炉炉内铁水用集渣剂除渣，渣层全部挑出。

3.如权利要求1所述的风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺，其特征在于，所述步骤(2)中出铁前铁水还需进行脱硫处理，将铁水硫含量控制在0.022％以下。

4.如权利要求2所述的风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺，其特征在于，上述步骤(2)中电炉炉内铁水除渣后进行脱硫处理，将铁水硫含量控制在0.022％以下。

5.如权利要求1所述的风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺，其特征在于，所述步骤(3)中球化剂为硅镁稀土合金球化剂，加入量为铁水质量的1％。

6.如权利要求1所述的风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺，其特征在于，所述步骤(4)中集渣剂包括如下重量份数的组成成分：二氧化硅69-74.5份，三氧化二铝11-15.0份，三氧化二铁0.5-1.9份，氧化钾3-5份，氧化钠2-5份，氧化钙1-4份；且集渣剂膨胀系数＞10％；保温覆盖剂包括下述重量份数的组成成分：二氧化硅62-65份，三氧化二铝12-15份，三氧化二铁2.5-3.5份，氧化铁0.5-1.5份，氧化钠1.5-3.5份，氧化钙1-1.5份，氧化钾1-4份，硼酐0.3-1.5份；且保温覆盖剂膨胀系数＜5％。

7.如权利要求1所述的风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺，其特征在于，所述步骤(4)中混合保温剂占铁水质量百分比为0.05-0.1％。

8.如权利要求1所述的风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺，其特征在于，所述步骤(4)中，集渣剂与保温覆盖剂的质量比为1:1。

9.如权利要求1所述的风电球墨铸铁轮毂浇注控制方法改进工艺，其特征在于，所述步骤(5)中直接浇注为将铁水包口部处的混合保温剂形成的保温层挑开三角形开口，铁水由该开口注入铸型。