CN112301269A - 一种条形灰铸铁材料及其水平连铸法铸造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种条形灰铸铁材料及其水平连铸法铸造工艺，条形灰铸铁材料，其组分配方按重量百分数计为包括：碳0.52～0.56%、硅0.33～0.37%、锰0.12%、硫0.03%、磷0.02%、稀土元素0.005～0.01%，其它不可避免的杂质元素，所述其它不可避免的杂质元素的所占质量百分数不超过0.02%，余量为铁。铸造工艺，包括材料入炉、加温熔炼、加入稀土元素、保温铸造及结晶连铸等步骤。本发明利用稀土元素的顺磁性将灰铸铁基体组织中的片状石墨平顺排列，减少石墨尖角造成的应力集中，提升灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性。铸造时，将大部分的灰铸铁组分材料投入熔炼炉熔融后加入稀土元素，并进行保温铸造，使片状石墨平顺，同时严格控制稀土元素的用量及铸造温度，使所铸型材力学性能优化。

Description

一种条形灰铸铁材料及其水平连铸法铸造工艺
技术领域
本发明涉及一种条形灰铸铁材料及其水平连铸法铸造工艺。
背景技术
灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁，因断裂时断口呈暗灰色，故称为灰铸铁。主要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷，是应用最广的铸铁，其产量占铸铁总产量80％以上。
灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严重，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是常用铸铁件中力学性能最差的铸铁。同时，灰铸铁的铸造方法也影响基体组织的形态与状态，对灰铸铁的力学性能造成先天的影响。
水平连铸是上世纪70年代后期发展起来的新技术，其设备轻、高度低，节约大量的工程造价；而且由于其结晶器成水平布置，有效避免了铸坯鼓肚；同时中间罐和结晶器之间为密封连接，有效地防止了铸液二次氧化；并且水平连铸的铸坯清洁度高，杂质含量少，被称为是连铸机的未来。然而，用于水平连铸一般用于浇铸含易氧化元素的合金钢等钢种和小断面优质钢坯铸坯，或者用于浇注弧形连铸机不能浇注的裂纹敏感的特殊钢种，很少用于生产灰铸铁。
发明内容
针对上述灰铸铁存在的问题，本发明提供一种条形灰铸铁材料及其水平连铸法铸造工艺，对灰铸铁的配方进行优化，结合水平连铸技术及工艺，提高灰铸铁的力学性能。具体技术方案如下：
首先本发明提供一种条形灰铸铁材料，其组分配方按重量百分数计为包括：碳0.52～0.56％、硅0.33～0.37％、锰0.12％、硫0.03％、磷0.02％、稀土元素0.005～0.01％，其它不可避免的杂质元素，所述其它不可避免的杂质元素的所占质量百分数不超过0.02％，余量为铁。
优选的，所述稀土元素为铈或镨或该两种元素的混合物。
进一步优选的，所述稀土元素为铈和镨的混合物，其二者混合的重量比例为2:1。
前述的条形灰铸铁材料的水平连铸法铸造工艺，包括如下步骤：
1)材料入炉：将除稀土元素外的待铸造的灰铸铁组分材料投入熔炼炉的坩塌内，将上下炉体边缘密封，调整好液面监测杆和液面控制杆，控制炉内物料高度处于一定范围；安装测温热电偶，向坩锅内通入保护气体；
2)加温熔炼：给熔炼炉的电炉丝通电进行加温，加热电炉丝的控温装置及测温热电偶控制炉内温度，使炉内的物料熔融为灰铸铁液；
3)加入稀土元素：将稀土元素投入灰铸铁液，并持续升温熔炼，调整通入保护气体的流量，使稀土元素熔融并与灰铸铁液混合均匀；
4)保温铸造：加入稀土元素后，待灰铸铁液温度升至一定温度后，保持一段时间，进行保温铸造；
5)结晶连铸：待保温铸造后，打开结晶器，向结晶器出口的灰铸铁表面吹保护气体；同时打开冷却气阀门，向镁灰铸铁表面吹冷却气体，用以降低灰铸铁的温度，进行水平连铸灰铸铁；再由切割机将坯料按一定长度要求切下，即可获得所述条形灰铸铁材料。
作为优选的技术方案的，步骤1)中，所述炉体边缘密封为采用石棉盘根密封；所述控制炉内物料高度的范围为坩塌容积的1/2，并控制液面高度始终维持在3mm～5mm范围内波动；所述保护气体为CO2和SF6的混合气体，其通入的流量控制为20～80L/min。
作为优选的技术方案的，步骤2)中，所述炉内温度控制为620℃～700℃。
作为优选的技术方案的，步骤3)中，所述稀土元素为铈或镨或该两种元素的混合物，其中稀土元素为铈和镨的混合物时，将二者混合按重量比例2:1混合后投入灰铸铁液。
作为优选的技术方案的，步骤3)中，所述升温熔炼的温度控制为720℃～750℃；所述保护气体的流量调整为升温初期护气体的流量控制为50L/min，此后随着温度上升护气体的流量缓慢上调至80L/min。
作为优选的技术方案的，步骤4)中，所述保温铸造的温度控制为720℃～730℃，保温时间为7～10小时。
作为优选的技术方案的，步骤5)中，所述结晶器打开前需通电加温，使其出口处的温度升至600℃～630℃；所述冷却气体的流量控制为200～600L/min，压力为0.05～0.2Mpa。
本发明的有益效果是：
本发明灰铸铁配方加入稀土元素，利用稀土元素的顺磁性将灰铸铁基体组织中的片状石墨平顺排列，减少石墨尖角造成的应力集中，提升灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性。本发明采用水平连铸法铸造条形灰铸铁材料，将大部分的灰铸铁组分材料投入熔炼炉熔融后加入稀土元素，并进行保温铸造，给出充分的时间进行平顺片状石墨，同时严格控制稀土元素的用量及铸造温度，使所铸型材力学性能优化。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例1～3为采用水平连铸法铸造条形灰铸铁材料，实施例4为效果例。
实施例1
按配方分别称取铁、碳、硅、锰、硫、磷和稀土元素铈。其中：碳0.52％、硅0.33％、锰0.12％、硫0.03％、磷0.02％、铈0.005％，余量为铁，其中含有的不可避免的杂质元素所占质量百分数为0.02％。
首先，将除稀土元素铈外的待铸造的灰铸铁组分材料投入熔炼炉的坩塌内，将上下炉体边缘密封，调整好液面监测杆和液面控制杆，控制炉内物料高度处于一定范围；安装测温热电偶，向坩锅内通入保护气体；所述炉体边缘密封为采用石棉盘根密封；所述控制炉内物料高度的范围为坩塌容积的1/2，并控制液面高度始终维持在3mm～5mm范围内波动；所述保护气体为CO2和SF6的混合气体，其通入的流量控制为35L/min。
然后，给熔炼炉的电炉丝通电进行加温，加热电炉丝的控温装置及测温热电偶控制炉内温度为650℃，使炉内的物料熔融为灰铸铁液。
然后将稀土元素铈投入灰铸铁液，并持续升温熔炼，调整通入保护气体的流量，使稀土元素铈熔融并与灰铸铁液混合均匀。所述升温熔炼的温度控制为720℃℃；所述保护气体的流量调整为升温初期护气体的流量控制为50L/min，此后随着温度上升护气体的流量缓慢上调至80L/min。
加入稀土元素后，待灰铸铁液温度升至一定温度后，保持一段时间，进行保温铸造；所述保温铸造的温度控制为720℃℃，保温时间为7小时。
最后进行结晶连铸。待保温铸造后，打开结晶器，向结晶器出口的灰铸铁表面吹保护气体；同时打开冷却气阀门，向镁灰铸铁表面吹冷却气体，用以降低灰铸铁的温度，进行水平连铸灰铸铁；再由切割机将坯料按一定长度要求切下，即可获得所述条形灰铸铁材料。所述结晶器打开前需通电加温，使其出口处的温度升至600℃℃；所述冷却气体的流量控制为200L/min，压力为0.05Mpa。。
实施例2
按配方分别称取铁、碳、硅、锰、硫、磷和稀土元素镨。其中：碳0.54％、硅0.35％、锰0.12％、硫0.03％、磷0.02％、稀土元素镨0.008％，余量为铁其中含有的不可避免的杂质元素所占质量百分数为0.01％。
首先，将除稀土元素镨外的待铸造的灰铸铁组分材料投入熔炼炉的坩塌内，将上下炉体边缘密封，调整好液面监测杆和液面控制杆，控制炉内物料高度处于一定范围；安装测温热电偶，向坩锅内通入保护气体；所述炉体边缘密封为采用石棉盘根密封；所述控制炉内物料高度的范围为坩塌容积的1/2，并控制液面高度始终维持在3mm～5mm范围内波动；所述保护气体为CO2和SF6的混合气体，其通入的流量控制为60L/min。
然后，给熔炼炉的电炉丝通电进行加温，加热电炉丝的控温装置及测温热电偶控制炉内温度为680℃，使炉内的物料熔融为灰铸铁液。
然后将稀土元素镨投入灰铸铁液，并持续升温熔炼，调整通入保护气体的流量，使稀土元素熔融并与灰铸铁液混合均匀。所述升温熔炼的温度控制为730℃；所述保护气体的流量调整为升温初期护气体的流量控制为50L/min，此后随着温度上升护气体的流量缓慢上调至80L/min。
加入稀土元素后，待灰铸铁液温度升至一定温度后，保持一段时间，进行保温铸造；所述保温铸造的温度控制为725℃，保温时间为8小时。
最后进行结晶连铸。待保温铸造后，打开结晶器，向结晶器出口的灰铸铁表面吹保护气体；同时打开冷却气阀门，向镁灰铸铁表面吹冷却气体，用以降低灰铸铁的温度，进行水平连铸灰铸铁；再由切割机将坯料按一定长度要求切下，即可获得所述条形灰铸铁材料。所述结晶器打开前需通电加温，使其出口处的温度升至620℃；所述冷却气体的流量控制为4001/min，压力为0.1Mpa。
实施例3
按配方分别称取铁、碳、硅、锰、硫、磷和稀土元素。其中：碳0.56％、硅0.37％、锰0.12％、硫0.03％、磷0.02％、稀土元素0.01％，所述稀土元素为铈和镨的混合物，其二者混合的重量比例为2:1，余量为铁余量为铁其中含有的不可避免的杂质元素所占质量百分数为0.01％。
首先，将除稀土元素外的待铸造的灰铸铁组分材料投入熔炼炉的坩塌内，将上下炉体边缘密封，调整好液面监测杆和液面控制杆，控制炉内物料高度处于一定范围；安装测温热电偶，向坩锅内通入保护气体；所述炉体边缘密封为采用石棉盘根密封；所述控制炉内物料高度的范围为坩塌容积的1/2，并控制液面高度始终维持在3mm～5mm范围内波动；所述保护气体为CO2和SF6的混合气体，其通入的流量控制为80L/min。
然后，给熔炼炉的电炉丝通电进行加温，加热电炉丝的控温装置及测温热电偶控制炉内温度为700℃，使炉内的物料熔融为灰铸铁液。
然后将稀土元素铈和镨投入灰铸铁液，并持续升温熔炼，调镨整通入保护气体的流量，使稀土元素熔融并与灰铸铁液混合均匀；铈和镨需先按重量比例2:1混合后投入灰铸铁液。所述升温熔炼的温度控制为750℃；所述保护气体的流量调整为升温初期护气体的流量控制为50L/min，此后随着温度上升护气体的流量缓慢上调至80L/min。
加入稀土元素后，待灰铸铁液温度升至一定温度后，保持一段时间，进行保温铸造；所述保温铸造的温度控制为730℃，保温时间为10小时。
最后进行结晶连铸。待保温铸造后，打开结晶器，向结晶器出口的灰铸铁表面吹保护气体；同时打开冷却气阀门，向镁灰铸铁表面吹冷却气体，用以降低灰铸铁的温度，进行水平连铸灰铸铁；再由切割机将坯料按一定长度要求切下，即可获得所述条形灰铸铁材料。所述结晶器打开前需通电加温，使其出口处的温度升至630℃；所述冷却气体的流量控制为6001/min，压力为0.2Mpa。
实施例4
本实施例是对实施例1～3铸造的条形灰铸铁材料进行力学性能检测试验，同时以同规格TH250普通条形灰铸铁材料作为对比，试验情况如表1所示：
表1.条形灰铸铁材料力学性能检测试验结果
试验项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例
抗拉强度(N/mm<sup>2</sup>) 279 322 336 253
抗弯强度(N/mm<sup>2</sup>) 858 887 895 841
伸长率(mm) 0.54 0.65 0.76 0.32
抗剪强度(MPa) 398 308 316 289
由上述表可以明显看出，本发明方法铸造的条形灰铸铁材料抗拉强度、抗弯强度、伸长率及抗剪强度均比同规格的普通条形灰铸铁材料优越。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非只包含一个的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种条形灰铸铁材料，其特征在于：其组分配方按重量百分数计为包括：碳0.52～0.56%、硅0.33～0.37%、锰0.12%、硫0.03%、磷0.02%、稀土元素0.005～0.01%，其它不可避免的杂质元素，所述其它不可避免的杂质元素的所占质量百分数不超过0.02%，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的条形灰铸铁材料，其特征在于：所述稀土元素为铈或镨或该两种元素的混合物。
3.根据权利要求2所述的条形灰铸铁材料，其特征在于：所述稀土元素为铈和镨的混合物，其二者混合的重量比例为2:1。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的条形灰铸铁材料的水平连铸法铸造工艺，其特征在于：包括如下步骤：
1）材料入炉：将除稀土元素外的待铸造的灰铸铁组分材料投入熔炼炉的坩塌内，将上下炉体边缘密封，调整好液面监测杆和液面控制杆，控制炉内物料高度处于一定范围；安装测温热电偶，向坩锅内通入保护气体；
2）加温熔炼：给熔炼炉的电炉丝通电进行加温，加热电炉丝的控温装置及测温热电偶控制炉内温度，使炉内的物料熔融为灰铸铁液；
3）加入稀土元素：将稀土元素投入灰铸铁液，并持续升温熔炼，调整通入保护气体的流量，使稀土元素熔融并与灰铸铁液混合均匀；
4）保温铸造：加入稀土元素后，待灰铸铁液温度升至一定温度后，保持一段时间，进行保温铸造；
5）结晶连铸：待保温铸造后，打开结晶器，向结晶器出口的灰铸铁表面吹保护气体；同时打开冷却气阀门，向镁灰铸铁表面吹冷却气体，用以降低灰铸铁的温度，进行水平连铸灰铸铁；再由切割机将坯料按一定长度要求切下，即可获得所述条形灰铸铁材料。
5.根据权利要求4所述的条形灰铸铁材料的水平连铸法铸造工艺，其特征在于：步骤1）中，所述炉体边缘密封为采用石棉盘根密封；所述控制炉内物料高度的范围为坩塌容积的1/2，并控制液面高度始终维持在3mm~5mm范围内波动；所述保护气体为CO2和SF6的混合气体，其通入的流量控制为20～80L/min。
6.根据权利要求4所述的条形灰铸铁材料的水平连铸法铸造工艺，其特征在于：步骤2）中，所述炉内温度控制为620℃～700℃。
7.根据权利要求4所述的条形灰铸铁材料的水平连铸法铸造工艺，其特征在于：步骤3）中，所述稀土元素为铈或镨或该两种元素的混合物，其中稀土元素为铈和镨的混合物时，将二者混合按重量比例2:1混合后投入灰铸铁液。
8.根据权利要求4所述的条形灰铸铁材料的水平连铸法铸造工艺，其特征在于：步骤3）中，所述升温熔炼的温度控制为720℃～750℃；所述保护气体的流量调整为升温初期护气体的流量控制为50L/min，此后随着温度上升护气体的流量缓慢上调至80L/min。
9.根据权利要求4所述的条形灰铸铁材料的水平连铸法铸造工艺，其特征在于：步骤4）中，所述保温铸造的温度控制为720℃～730℃，保温时间为7～10小时。
10.根据权利要求4所述的条形灰铸铁材料的水平连铸法铸造工艺，其特征在于：步骤5）中，所述结晶器打开前需通电加温，使其出口处的温度升至600℃～630℃；所述冷却气体的流量控制为200～6001/min，压力为0.05～0.2Mpa。
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