CN111334634A - 高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺 - Google Patents

高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，包括以下步骤：提供同抗拉强度的返材，调整成相同的化学成分；其中，根据常规验证需求产品的硬度、抗拉、延伸、缩孔、金相材质相关的数据指标；根据数据指标估算出产品各元素成分的符合机械性能的比例范围；确认返材的各元素实际值与估算范围达到平均值±2倍标准差；若返材无法达到上述平均误差值范围，则单独进行分仓使用。本发明实现了准确控制熔炼过程中调质次数，精准投料。

Description

高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺
技术领域
本发明属于铸造技术领域，尤其涉及一种高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺。
背景技术
缸体做为整个发动机的骨架，燃烧室必须承受燃烧的高温以及爆炸的冲击，轴承座需承受活塞的往复推拉和高速旋转的曲轴，对于耐热性以及机械强度需求非常严格。对于柴油发动机来说壁厚相对于汽油发动机较厚，也连带导致冷却速度慢，对抗拉强度、硬度下降的影响，因此往往需添加大量合金元素(Cu、Mn、Cr、Sn…)来提高机械性能，造成冶金成本居高不下。
在添加合金的过程中，需要进行调质测试，常规的调质测试根据原料成份的配比进行不断调整，每增加一次调质成份测试的过程便增加10-20分钟的熔炼时间，熔炼过程速度变慢，时间拉长，无法保证原汤大量成核点的驱动力，原料反应不充分。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，而提供高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，从而实现准确控制熔炼过程中调质次数，提高抗拉强度。为了达到上述目的，本发明技术方案如下：
高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，包括以下步骤：
1)提供受过精炼且成分单一的原料生铁；
2)提供成分单一的原料废钢，对废钢的形状进行区分，精细化每批次原料的成分检测分析；
3)提供同抗拉强度的返材，调整成相同的化学成分；其中，根据常规验证需求产品的硬度、抗拉、延伸、缩孔、金相材质相关的数据指标；根据数据指标估算出产品各元素成分的符合机械性能的比例范围；确认返材的各元素实际值与估算范围达到平均值±2倍标准差；若返材无法达到上述平均误差值范围，则单独进行分仓使用；
4)提供受过精炼且成分单一的原料的合金；
5)提供受过精炼且成分单一的原料的增碳剂；
6)熔解初期，电炉送电，0-15min内投料热轧废钢厚度10-15mm，随后投入热轧废钢200份，增碳剂10份，碳化硅7份进入电炉内；
7)熔解中期，电炉送电，16-45min内投入热轧废钢150份、返材300份、硅铁2.2份、铬铁3.5份、锡0.55份、硫化铁0.8份；
8)熔解后期，46-65min内以炉内3800-4200kwh功率不间断送电；
9)一次测成分，根据设定的原料化学组分比例范围，符合原料设定比例范围的，进入下一步；不符合原料设定比例范围的，进行调质处理；
10)对于一次测成分不符合要求的进行二次测成份，根据设定的原料化学组分比例范围，符合原料设定比例范围的，进入后续出水；不符合原料设定比例范围的，重新回炉。
具体的，步骤3中，确认Mn:平均误差值落≦0.05％，C、Si、S、Cu、Cr:平均误差值落≦0.03％，Sn:平均误差值落≦0.005％。
具体的，步骤4中，合金包含Mn、Si、S、Cu、Cr、Sn。
具体的，还包括步骤11)，出水，电炉内达到设定原料组分范围后，测温达到1500-1530℃后出铁水至铁水包，铁水包内预放颗粒3-8mm的钡系接种剂0.45份，每包出铁水量140-145份。
具体的，所述钡系接种剂的各组分百分比为Si≧70％、Ba：0.6-1.2％、Ca：1.0-2.0％、Al≦2.5％。
具体的，还包括步骤12)，包内除渣并浇铸，量测温度1400-1450℃后进行浇铸，出水至浇铸完成历时小于10min。
具体的，还包括步骤13)，冷却，浇铸后冷却线内降温2-4h后开箱，铸件定型。
具体的，步骤9中，炉内设定原料的各化学成分比例范围：C：3.33-3.38％、Si：1.65-1.70％、Mn：1.0-1.1％、P：<0.1％、S：0.08-0.10％、Cu：0.15-0.20％、Cr：0.30-0.35％、Sn：0.09-0.1％。
与现有技术相比，本发明高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺的有益效果主要体现在：
本制程应用热力学中液态配位数为固态配位数-1的特性，并结合固体转变为液体初期分子团仍保有近似于原固态排列的遗留规则，实现在快速熔解并浇注的条件下能以原材料作为接种剂的工艺；液体转变为固体的过程中，即原子、分子重新排列的过程，在理想状态下原子以最密推积方式排列以获得最高的驱动力，但实际上会受到杂质原子、降温速度、分子大小、液态时排列方式等多项因素影响。湿砂模浇铸对于铁水表层的凝固非常快速，在浇铸后1min内表面即出现1mm以上厚度的固态铁，后续液态分子在凝固过程则会倾向与已转变为固定铁的表面分子相近，或与自身液态结构相近的方式进行堆栈，因此热轧废钢在投入炉内的厚度以及投入炉内的时机，是获得重新排列高机械性能强度结构的强大驱动力的关键，直接影响铸件的抗拉强度。
为了保证熔炼过程的时间控制的精准性，必须控制调质测成分次数在2次以内，以缩短调质的时间，在原料处理过程中，通过提高原料的纯度和测量的精准度，以降低调质检测的次数，从而达到精准投料。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
本实施例为高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，包括以下步骤：
1)提供受过精炼且成分单一的原料生铁；实现提高无调质的几率，提高原料纯度；
2)提供成分单一的原料废钢，对废钢的形状进行区分，精细化每批次原料的成分检测分析；
3)提供同抗拉强度的返材，调整成相同的化学成分；其中，根据常规验证需求产品的硬度、抗拉、延伸、缩孔、金相等材质相关的数据指标；根据数据指标估算出产品各元素成分的符合机械性能的比例范围；根据68-95-99.7法则，确认返材的各元素实际值与估算范围达到平均值±2倍标准差，确认Mn:平均误差值落≦0.05％，C、Si、S、Cu、Cr:平均误差值落≦0.03％，Sn:平均误差值落≦0.005％；若返材无法达到上述平均误差值范围，则单独进行分仓使用；
4)提供受过精炼且成分单一的原料的合金，合金包含Mn、Si、S、Cu、Cr、Sn；
5)提供受过精炼且成分单一的原料的增碳剂；
6)熔解初期，电炉送电，15min内投料热轧废钢厚度10mm，具体试验数据见表1所示。随后投入热轧废钢2000kg，增碳剂100kg，碳化硅70kg进入7000kg容量的电炉内；
7)熔解中期，电炉送电，16min时投入热轧废钢1500kg、返材3000kg、硅铁22kg、铬铁35kg、锡5.5kg、硫化铁8kg；
8)熔解后期，46-65min内以炉内3800kwh功率不间断送电；
9)一次测成分，根据设定的原料化学组分比例范围，具体见表2所示，符合原料设定比例范围的，进入下一步；不符合原料设定比例范围的，进行调质处理，通过现有碳硅仪和分光仪检测，若缺合金，加合金，缺碳，加增碳剂，比例范围偏高或偏低适应加生铁或废钢；
10)对于一次测成分不符合要求的进行二次测成份，根据设定的原料化学组分比例范围，符合原料设定比例范围的，进入下一步；不符合原料设定比例范围的，重新回炉；
11)出水，电炉内达到设定原料组分范围后，测温达到1500℃后出铁水至铁水包。铁水包内预放颗粒8mm的钡系接种剂4.5kg，每包出铁水量1400-1450kg。其中，钡系接种剂的各组分百分比为Si：70％、Ba：0.6％、Ca：2.0％、Al：1.5％。
12)包内除渣并浇铸，量测温度1450℃后进行浇铸，出水至浇铸完成历时小于10min。
13)冷却，浇铸后冷却线内降温2h后开箱，铸件定型。
实施例2：
本实施例为高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，包括以下步骤：
步骤1)-5)与实施例1中一致，区别在于：
6)熔解初期，电炉送电，10min内投料热轧废钢厚度15mm，具体试验数据见表1所示。随后投入热轧废钢2000kg，增碳剂100kg，碳化硅70kg进入7000kg容量的电炉内；
7)熔解中期，电炉送电，25min时投入热轧废钢1500kg、返材3000kg、硅铁22kg、铬铁35kg、锡5.5kg、硫化铁8kg；
8)熔解后期，46-65min内以4200kwh功率不间断送电；
9)一次测成分，根据设定的原料化学组分比例范围，具体见表2所示，符合原料设定比例范围的，进入下一步；不符合原料设定比例范围的，进行调质处理，通过现有碳硅仪和分光仪检测，若缺合金，加合金，缺碳，加增碳剂，比例范围偏高或偏低适应加生铁或废钢；
10)对于一次测成分不符合要求的进行二次测成份，根据设定的原料化学组分比例范围，符合原料设定比例范围的，进入下一步；不符合原料设定比例范围的，重新回炉；
11)出水，电炉内达到设定原料组分范围后，测温达到1530℃后出铁水至铁水包。铁水包内预放颗粒3mm的钡系接种剂4.5kg，每包出铁水量1400-1450kg。其中，钡系接种剂的各组分百分比为Si：71％、Ba：1.2％、Ca：1.0％、Al：2.5％。
12)包内除渣并浇铸，量测温度1400℃后进行浇铸，出水至浇铸完成历时小于10min。
13)冷却，浇铸后冷却线内降温4h后开箱，铸件定型。
实施例3：
本实施例为高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，包括以下步骤：
步骤1)-5)与实施例1中一致，区别在于：
6)熔解初期，电炉送电，起始投料热轧废钢厚度20mm，具体试验数据见表1所示。随后投入热轧废钢2000kg，增碳剂100kg，碳化硅70kg进入7000kg容量的电炉内；
7)熔解中期，电炉送电，45min时投入热轧废钢1500kg、返材3000kg、硅铁22kg、铬铁35kg、锡5.5kg、硫化铁8kg；
8)熔解后期，46-65min内以4000kwh功率不间断送电；
9)一次测成分，根据设定的原料化学组分比例范围，具体见表2所示，符合原料设定比例范围的，进入下一步；不符合原料设定比例范围的，进行调质处理，通过现有碳硅仪和分光仪检测，若缺合金，加合金，缺碳，加增碳剂，比例范围偏高或偏低适应加生铁或废钢；
10)对于一次测成分不符合要求的进行二次测成份，根据设定的原料化学组分比例范围，符合原料设定比例范围的，进入下一步；不符合原料设定比例范围的，重新回炉；
11)出水，电炉内达到设定原料组分范围后，测温达到1515℃后出铁水至铁水包。铁水包内预放颗粒5mm的钡系接种剂4.5kg，每包出铁水量1400-1450kg。其中，钡系接种剂的各组分百分比为Si：72％、Ba：0.9％、Ca：1.5％、Al：2％。
12)包内除渣并浇铸，量测温度1425℃后进行浇铸，出水至浇铸完成历时小于10min。
13)冷却，浇铸后冷却线内降温3h后开箱，铸件定型。
整体工艺进行调质测成分次数需保证≤2次，以达到快速完成熔解，保有原汤大量成核心的驱动力。
热轧废钢的厚度决定在熔解成铁水后保持原固体时的分子排列倾向高度，根据CMB验证，以实施例3为基础例，使用5-20mm的热轧废钢做出对比，相同原料配比情况下和相同工艺处理后，得到不同抗拉强度的铸件产品，具体数据如下表1所示：
Figure BDA0002416630670000051
Figure BDA0002416630670000061
根据上表数据，整体的铸件抗拉强度标准≥220N/m2。选定相同位置4时，热扎废钢的厚度影响最大，在相同组分配比下，5mm与15mm的厚度差，使得抗拉强度提升76N/m2。由此可见，在15mm时达到最优的熔解效果，且抗拉强度明显较高，形成保有大量石墨成核点的原汤。当厚度超过15mm时，熔解速度降低，投料速度放慢，驱动力降低。
表2：炉内设定原料中各化学成份比例范围：
C％ Si％ Mn％ P％ S％ Cu％ Cr％ Sn％
3.33-3.38 1.65-1.70 1.0-1.1 <0.1 0.08-0.10 0.15-0.20 0.30-0.35 0.09-0.1
应用本实施例时，本制程应用热力学中液态配位数为固态配位数-1的特性，并结合固体转变为液体初期分子团仍保有近似于原固态排列的遗留规则，实现在快速熔解并浇注的条件下能以原材料作为接种剂的工艺；液体转变为固体的过程中，即原子、分子重新排列的过程，在理想状态下原子以最密推积方式排列以获得最高的驱动力，但实际上会受到杂质原子、降温速度、分子大小、液态时排列方式等多项因素影响。湿砂模浇铸对于铁水表层的凝固非常快速，在浇铸后1min内表面即出现1mm以上厚度的固态铁，后续液态分子在凝固过程则会倾向与已转变为固定铁的表面分子相近，或与自身液态结构相近的方式进行堆栈，因此热轧废钢在投入炉内的厚度以及投入炉内的时机，是获得重新排列高机械性能强度结构的强大驱动力的关键，直接影响铸件的抗拉强度。
为了保证熔炼过程的时间控制的精准性，必须控制调质测成分次数在2次以内，以缩短调质的时间，在原料处理过程中，通过提高原料的纯度和测量的精准度，以降低调质检测的次数，从而达到精准投料。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)提供受过精炼且成分单一的原料生铁；
2)提供成分单一的原料废钢，对废钢的形状进行区分，精细化每批次原料的成分检测分析；
3)提供同抗拉强度的返材，调整成相同的化学成分；其中，根据常规验证需求产品的硬度、抗拉、延伸、缩孔、金相材质相关的数据指标；根据数据指标估算出产品各元素成分的符合机械性能的比例范围；确认返材的各元素实际值与估算范围达到平均值±2倍标准差；若返材无法达到上述平均误差值范围，则单独进行分仓使用；
4)提供受过精炼且成分单一的原料的合金；
5)提供受过精炼且成分单一的原料的增碳剂；
6)熔解初期，电炉送电，0-15min内投料热轧废钢厚度10-15mm，随后投入热轧废钢200份，增碳剂10份，碳化硅7份进入电炉内；
7)熔解中期，电炉送电，16-45min内投入热轧废钢150份、返材300份、硅铁2.2份、铬铁3.5份、锡0.55份、硫化铁0.8份；
8)熔解后期，46-65min内以炉内3800-4200kwh功率不间断送电；
9)一次测成分，根据设定的原料化学组分比例范围，符合原料设定比例范围的，进入下一步；不符合原料设定比例范围的，进行调质处理；
10)对于一次测成分不符合要求的进行二次测成份，根据设定的原料化学组分比例范围，符合原料设定比例范围的，进入后续出水；不符合原料设定比例范围的，重新回炉。
2.根据权利要求1所述的高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，其特征在于：步骤3中，确认Mn:平均误差值落≦0.05％，C、Si、S、Cu、Cr:平均误差值落≦0.03％，Sn:平均误差值落≦0.005％。
3.根据权利要求1所述的高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，其特征在于：步骤4中，合金包含Mn、Si、S、Cu、Cr、Sn。
4.根据权利要求1所述的高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，其特征在于：还包括步骤11)，出水，电炉内达到设定原料组分范围后，测温达到1500-1530℃后出铁水至铁水包，铁水包内预放颗粒3-8mm的钡系接种剂0.45份，每包出铁水量140-145份。
5.根据权利要求4所述的高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，其特征在于：所述钡系接种剂的各组分百分比为Si≧70％、Ba：0.6-1.2％、Ca：1.0-2.0％、Al≦2.5％。
6.根据权利要求4所述的高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，其特征在于：还包括步骤12)，包内除渣并浇铸，量测温度1400-1450℃后进行浇铸，出水至浇铸完成历时小于10min。
7.根据权利要求6所述的高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，其特征在于：还包括步骤13)，冷却，浇铸后冷却线内降温2-4h后开箱，铸件定型。
8.根据权利要求1所述的高抗拉强度精准投料的灰铸铁铸件工艺，其特征在于：步骤9中，炉内设定原料的各化学成分比例范围：C：3.33-3.38％、Si：1.65-1.70％、Mn：1.0-1.1％、P：<0.1％、S：0.08-0.10％、Cu：0.15-0.20％、Cr：0.30-0.35％、Sn：0.09-0.1％。
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