CN113500171B - 一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法，是通过在铁基型材的连铸过程中向铁水中添加合适的孕育剂和球化剂，使得铁水凝固过程中石墨的形核率远大于常规孕育剂和球化剂进行孕育和球化处理时石墨的形核率，实现连铸铁型材中石墨球的超细化，从而使得连铸球墨铸铁型材由表及里50mm处石墨球密度数不少于500个/mm2，远大于目前球墨铸铁型材经常规孕育剂与球化剂处理后获得的石墨球密度数。由于石墨球密度数的极大提升，使得连铸铁型材中的石墨球直径大大减小，石墨球的圆整度和分布的均匀性极大的提升，因而显著的减少了因石墨球的形状不规整以及分布不均匀带来的对金属基体的损害，从而显著的提高了铁型材的相关性能。

Description

一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法
技术领域
本发明属于铸铁型材的制造技术领域，具体涉及一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法。
背景技术
球墨铸铁中因其石墨呈球形，故相对于其他铸铁具有较高的强度和较好的韧性，而且还能通过热处理进一步提高其力学性能。但是球墨铸铁中石墨的球化率以及石墨球的大小对铸铁的力学性能有着至为关键的影响。如随着石墨球直径的减少，铸铁的强度、塑性、韧性、疲劳性能、抗氧化性能等都会得到提升。然而，现有的球墨铸铁型材，为获得球形石墨，其成分一般是过共晶的，因此，其凝固组织中一般含有粗大的初生石墨球，从而导致其中石墨球较大，石墨球密度数小；同时由于表面和心部的冷却速度不一样，使得表面和心部的石墨球大小和密度数也存在极大差异(如，对直径150mm的连铸球墨铸铁型材，其表面的石墨球密度数可达300个/mm2以上，而心部的石墨球密度数一般不超150个/mm2)，因而严重制约了其力学性能的提升。例如，与铸钢具有相同抗拉强度的球墨铸铁，由于大小不一致的石墨球，尤其是大石墨球的存在，使得球墨铸铁的塑性、抗大能量冲击的性能均不如铸钢。因粗大石墨球和石墨球密度数小造成的球墨铸铁性能不能充分发挥，极大的限制了其应用，因此减少石墨球直径的大小、改善其直径分布的均匀性以及提升石墨球密度数对提升球墨铸铁的力学性能和拓宽其应用领域具有重大意义。
然而，在球墨铸铁的连铸制造过程中，因心部铁水冷却速度慢、凝固所需时间长以及存在孕育与球化衰退等原因，使得连铸球墨铸铁型材心部的石墨球极易粗化、表面和心部的石墨球密度数和大小存在很大的差异，因而难以在整个横截面上获得石墨球直径细小且均一、石墨密度数高的连铸球墨铸铁型材。因此，如何实现连球墨铸铁型材连铸过程中的心部的快速冷却、缩短其凝固时间、防止其中孕育和球化衰退，从而获得细小、均匀的石墨球，进而得到石墨球密度数高的球墨铸铁型材，这对提升球墨铸铁型材的力学性能、延长其服役环境下的使用寿命和拓宽其应用领域具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法，解决了现有连铸球墨铸铁生产过程中因心部冷却速度慢、孕育剂和球化剂衰退等造成的心部石墨球粗大、尺寸分布不均匀和石墨球密度数低等问题，实现连铸铁型材中石墨球的超细化和高密度数，从而提高了连铸球墨铸铁的力学性能，改善了其应用性能。
本发明所采用的技术方案是：一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法，具体操作步骤如下:
步骤1.对原料废钢、面包铁、孕育剂和球化剂按照球墨铸铁成分要求进行配制称量；
步骤2.按照按水平连铸或垂直连铸的工艺把结晶器安装到水平连铸或垂直连铸生产线上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤3.熔炼：将步骤1称取的面包铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水；
步骤4.将步骤1中称量好的球化剂放在浇包的底部，然后在其上覆盖孕育剂并压实，最后在孕育剂的上面覆盖无锈铁屑覆盖剂；
步骤5.铁水的孕育与球化处理：将熔炼好的铁水冲入底部放有称量好的孕育剂、球化剂和覆盖剂的浇包中，并在浇包中静置1～3min，进行铁水的孕育与球化处理；
步骤6.连铸铁型材：将步骤2设计好的结晶器水道接通冷却水，控制进水口水温不超过20℃，进水口和出水口的温差不超过50℃；然后，将在步骤5浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照进行水平连铸或垂直连铸拉拔以成型所需形状的铁基型材。
本发明的特点还在于，
步骤3中铁水的出炉温度1480～1510℃。
步骤4中所用的孕育剂按照质量百分比成分为：6～8％Ba；3～6％Ca；1～2％RE；55～65％Si；其余为Fe；所述孕育剂颗粒大小为0.2～0.7mm；孕育剂的添加量为铁水总量的0.6～1.0％。
步骤4中孕育处理温度为1350～1380℃，浇铸温度为1310～1330℃。
步骤4中所用的球化剂按照质量百分比成分为：6～8％Mg；0.5～1.0％RE；3.0～4.0％Ca；4.0％Mn；0.5％Ti，其余为Fe；球化剂的加入量为铁水质量的1.0～1.5％；球化剂的颗粒大小为1～5mm。
步骤6中的拉拔速度须保证一包铁水在5min内全部被拉拔成型材。
步骤6中连铸出的铁基型材中石墨球超细，表现为型材由表及里50mm处石墨球密度数不少于500个/mm2；远大于常规技术获得石墨球密度数150个/mm2；
步骤1所述面包铁和废钢的总质量百分比按面包铁、废钢中各自C含量和目标球墨铸铁3.8～4.0％C含量要求，通过计算确定；且目标球墨铸铁的成分如下：3.8～4.0％C、2.0～2.8％Si、0.6～0.8％Mn、≤0.04S％、≤0.10％P、0.03～0.06％Mg残、0.02～0.04％Re残，其余为Fe。
本发明的有益效果是：一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法，采用降低铁水的孕育温度与浇铸温度、选用新的孕育剂以提高铁水凝固过程中石墨的形核率和抑制孕育的衰退，从而提高石墨球的形核率和生长速度，以实现石墨球的超细化，从而获得具有石墨球密度数高的球墨铸铁型材。应用本发明的连铸铁型材的石墨球超细化技术，解决了目前常规孕育和球化处理在较大横截面的球墨铸铁型材中不能使得整个横截面均具有超细化石墨组织，因而使得球墨铸铁型材中金属基体的力学性能不能得以充分发挥和利用的难题。由于本发明的石墨球超细化技术能使得球墨铸铁的力学性能得以显著提高，因而使得球墨铸铁在服役环境具有更长的服役寿命，或在更多的领域替代钢，同时，基于球墨铸铁较钢优异的经济性，因此本发明的连铸铁型材的超细化石墨球技术，将对球墨铸铁的生产与应用将有十分重要意义。
具体实施方式
下面结合具体例对本发明进行详细说明。
本发明的一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法具体的操作过程包含以下步骤：
步骤1.配料：把原材料：废钢、球墨铸铁用面包铁、孕育剂和球化剂等按照球墨铸铁的生产规范进行配制和称量；
步骤2.按照按水平连铸或垂直连铸的工艺规范把结晶器安装到水平连铸或垂直连铸生产线上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤3.熔炼：将步骤1称取的生铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水；
步骤4.将步骤1中称量好的球化剂放在浇包的底部，然后在其上覆盖孕育剂并稍加压实，最后在孕育剂的上面覆盖无锈铁屑等覆盖剂；
步骤5.铁水的孕育与球化处理：将熔炼好的铁水冲入底部放有称量好的孕育剂、球化剂和覆盖剂的浇包中，并在浇包中静置1～3min，进行铁水的孕育与球化处理；
步骤6.连铸铁型材：将步骤1设计好的结晶器水道接通冷却水，控制进水口水温不超过20℃，进水口和出水口的温差不超过50℃；然后，将在浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照一定的拉拔工艺进行水平连铸或垂直连铸的拉拔以成型所需形状的铁基型材。
步骤3中铁水的出炉温度1480～1510℃；
步骤4中所用的孕育剂成分为：6～8％(wt重量百分数，下同)Ba；3～6％(wt)Ca；1～2％(wt)RE(稀土)；55～65％(wt)Si；其余为Fe；其加入量为其颗粒大小为0.2～0.7mm；孕育剂的添加量为铁水总量的0.6～1.0％(wt)
步骤4中孕育处理温度为1350～1380℃，浇铸温度为1310～1330℃；
步骤4中所用的球化剂为：6～8％(wt)Mg；0.5～1.0％(wt)RE；3.0～4.0％(wt)Ca；4.0％(wt)Mn；0.5％(wt)Ti，其余为Fe；球化剂的加入量为铁水质量的1.0～1.5％(wt)；球化剂的颗粒大小为1～3mm；
步骤6中的拉拔速度必须保证一包铁水在5min内全部被拉拔成型材。
本发明连铸球墨铸铁中石墨球的超细化技术，提供了一种使球墨铸铁中石墨球细化的技术。应用该石墨球超细化的方法，可以使得型材由表及里50mm处石墨球密度数不少于500个/mm2，远大于常规技术获得石墨球密度数150个/mm2。由于石墨球的超细化，因而使其具有较常规球墨铸铁型材优异得多的力学性能，从而使得球墨铸铁型材能提高其服役环境下的使用寿命或拓宽其应用范围。
本发明的设计原理如下：通过对连铸过程中结晶器中冷却水温度和流量的控制，实现连铸过程中对结晶器和铁水的快速冷却，从而加速型材心部铁水冷却，实现心部铁水的快速冷却，心部铁水的快速冷却可以加大石墨球的形核率和抑制其长大速度，有助于石墨球的细化。同时，在铁水中添加实验所用的孕育剂，将极大的增大石墨形核率和抑制孕育剂的衰退效果，这将有助于石墨球的超细化。最后，配合孕育温度的控制，实现在较低温度下进行孕育处理，抑制石墨球的长大，从而最终获得具有超细石墨球的球墨铸铁型材。
实施例1
步骤1.配料：把原材料：废钢、球墨铸铁用面包铁、孕育剂和球化剂等按照球墨铸铁的生产规范进行配制和称量；
步骤2.按照按水平连铸或垂直连铸的工艺规范把结晶器安装到水平连铸或垂直连铸生产线上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤3.熔炼：将步骤1称取的生铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水；
步骤4.将步骤1中称量好的球化剂放在浇包的底部，然后在其上覆盖孕育剂并稍加压实，最后在孕育剂的上面覆盖无锈铁屑等覆盖剂；
步骤5.铁水的孕育与球化处理：将熔炼好的铁水冲入底部放有称量好的孕育剂、球化剂和覆盖剂的浇包中，并在浇包中静置1min，进行铁水的孕育与球化处理；
步骤6.连铸铁型材：将步骤1设计好的结晶器水道接通冷却水，控制进水口水温不超过20℃，进水口和出水口的温差为50℃；然后，将在浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照一定的拉拔工艺进行水平连铸或垂直连铸的拉拔以成型所需形状的铁基型材。
步骤3中铁水的出炉温度1480；
步骤4中所用的孕育剂成分为：6％(wt重量百分数，下同)Ba；3％(wt)Ca；1％(wt)RE(稀土)；55％(wt)Si；其余为Fe；其加入量为其颗粒大小为0.2mm；孕育剂的添加量为铁水总量的0.6
步骤4中孕育处理温度为1350℃，浇铸温度为1310℃；
步骤4中所用的球化剂为：6％(wt)Mg；0.5％(wt)RE；3.0％(wt)Ca；4.0％(wt)Mn；0.5％(wt)Ti，其余为Fe；球化剂的加入量为铁水质量的1.0％(wt)；球化剂的颗粒大小为1mm；
步骤6中的拉拔速度必须保证一包铁水在5min内全部被拉拔成型材。
步骤1中废钢和面包铁的总质量百分比如下：3.8％C、2.8％Si、0.6％Mn、0.03S％、0.10％P、0.06％Mg残、0.02％Re残，其余为Fe。
实施例2
步骤1.配料：把原材料：废钢、面包铁、孕育剂和球化剂等按照球墨铸铁的生产规范进行配制和称量；
步骤2.按照按水平连铸或垂直连铸的工艺规范把结晶器安装到水平连铸或垂直连铸生产线上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤3.熔炼：将步骤1称取的生铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水；
步骤4.将步骤1中称量好的球化剂放在浇包的底部，然后在其上覆盖孕育剂并稍加压实，最后在孕育剂的上面覆盖无锈铁屑等覆盖剂；
步骤5.铁水的孕育与球化处理：将熔炼好的铁水冲入底部放有称量好的孕育剂、球化剂和覆盖剂的浇包中，并在浇包中静置3min，进行铁水的孕育与球化处理；
步骤6.连铸铁型材：将步骤1设计好的结晶器水道接通冷却水，控制进水口水温不超过20℃，进水口和出水口的温差为30℃；然后，将在浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照一定的拉拔工艺进行水平连铸或垂直连铸的拉拔以成型所需形状的铁基型材。
步骤3中铁水的出炉温度1510℃；
步骤4中所用的孕育剂成分为：8％(wt重量百分数，下同)Ba；6％(wt)Ca；2％(wt)RE(稀土)；65％(wt)Si；其余为Fe；其加入量为其颗粒大小为0.7mm；孕育剂的添加量为铁水总量的1.0％(wt)
步骤4中孕育处理温度为1380℃，浇铸温度为1330℃；
步骤4中所用的球化剂为：8％(wt)Mg；1.0％(wt)RE；4.0％(wt)Ca；4.0％(wt)Mn；0.5％(wt)Ti，其余为Fe；球化剂的加入量为铁水质量的1.5％(wt)；球化剂的颗粒大小为3mm；
步骤6中的拉拔速度必须保证一包铁水在5min内全部被拉拔成型材。
步骤1中废钢和面包铁的总质量百分比如下：3.8％C、2.0％Si、0.6％Mn、0.04S％、0.10％P、0.03％Mg残、0.02％Re残，其余为Fe。
实施例3
步骤1.配料：把原材料：废钢、球墨铸铁用面包铁、孕育剂和球化剂等按照球墨铸铁的生产规范进行配制和称量；
步骤2.按照按水平连铸或垂直连铸的工艺规范把结晶器安装到水平连铸或垂直连铸生产线上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤3.熔炼：将步骤1称取的生铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水；
步骤4.将步骤1中称量好的球化剂放在浇包的底部，然后在其上覆盖孕育剂并稍加压实，最后在孕育剂的上面覆盖无锈铁屑等覆盖剂；
步骤5.铁水的孕育与球化处理：将熔炼好的铁水冲入底部放有称量好的孕育剂、球化剂和覆盖剂的浇包中，并在浇包中静置2min，进行铁水的孕育与球化处理；
步骤6.连铸铁型材：将步骤1设计好的结晶器水道接通冷却水，控制进水口水温不超过20℃，进水口和出水口的温差为40℃；然后，将在浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照一定的拉拔工艺进行水平连铸或垂直连铸的拉拔以成型所需形状的铁基型材。
步骤3中铁水的出炉温度1500℃；
步骤4中所用的孕育剂成分为：7％(wt重量百分数，下同)Ba；5％(wt)Ca；1.5％(wt)RE(稀土)；60％(wt)Si；其余为Fe；其加入量为其颗粒大小为0.5mm；孕育剂的添加量为铁水总量的0.8％(wt)
步骤4中孕育处理温度为1360℃，浇铸温度为1320℃；
步骤4中所用的球化剂为：6～8％(wt)Mg；0.8％(wt)RE；3.5％(wt)Ca；4.0％(wt)Mn；0.5％(wt)Ti，其余为Fe；球化剂的加入量为铁水质量的1.2％(wt)；球化剂的颗粒大小为2mm；
步骤6中的拉拔速度必须保证一包铁水在5min内全部被拉拔成型材。
步骤1中废钢和面包铁的总质量百分比如下：3.9％C、2.5％Si、0.7％Mn、0.03S％、0.04％P、0.05％Mg残、0.03％Re残，其余为Fe。
实施例4
步骤1.配料：把原材料：废钢、球墨铸铁用面包铁、孕育剂和球化剂等按照球墨铸铁的生产规范进行配制和称量；
步骤2.按照按水平连铸或垂直连铸的工艺规范把结晶器安装到水平连铸或垂直连铸生产线上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤3.熔炼：将步骤1称取的生铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水；
步骤4.将步骤1中称量好的球化剂放在浇包的底部，然后在其上覆盖孕育剂并稍加压实，最后在孕育剂的上面覆盖无锈铁屑等覆盖剂；
步骤5.铁水的孕育与球化处理：将熔炼好的铁水冲入底部放有称量好的孕育剂、球化剂和覆盖剂的浇包中，并在浇包中静置1min，进行铁水的孕育与球化处理；
步骤6.连铸铁型材：将步骤1设计好的结晶器水道接通冷却水，控制进水口水温不超过20℃，进水口和出水口的温差为50℃；然后，将在浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照一定的拉拔工艺进行水平连铸或垂直连铸的拉拔以成型所需形状的铁基型材。
步骤2中铁水的出炉温度1470℃；
步骤4中所用的孕育剂成分为：6％(wt重量百分数，下同)Ba；6％(wt)Ca；2％(wt)RE(稀土)；65％(wt)Si；其余为Fe；其加入量为其颗粒大小为0.2mm；孕育剂的添加量为铁水总量的0.5％(wt)
步骤4中孕育处理温度为1350℃，浇铸温度为1320℃；
步骤4中所用的球化剂为：8％(wt)Mg；0.5～1.0％(wt)RE；3.0％(wt)Ca；4.0％(wt)Mn；0.5％(wt)Ti，其余为Fe；球化剂的加入量为铁水质量的1.0(wt)；球化剂的颗粒大小为3mm；
步骤6中的拉拔速度必须保证一包铁水在5min内全部被拉拔成型材。
步骤1中废钢和面包铁的总质量百分比如下：4.0％C、2.8％Si、0.8％Mn、0.04S％、0.10％P、0.06％Mg残、0.04％Re残，其余为Fe。

Claims (5)

1.一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法，其特征在于，具体的操作过程包括以下步骤：
步骤1.对原料废钢、面包铁、孕育剂和球化剂按照球墨铸铁成分进行配制称量；
步骤2.按照水平连铸或垂直连铸的工艺把结晶器安装到水平连铸或垂直连铸生产线上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤3.熔炼：将步骤1称取的面包铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水；
步骤4.将步骤1中称量好的球化剂放在浇包的底部，然后在其上覆盖孕育剂并压实，最后在孕育剂的上面覆盖无锈铁屑覆盖剂；
步骤4中所用的孕育剂按照质量百分比成分为：6～8％Ba；3～6％Ca；1～2％RE；55～65％Si；其余为Fe；所述孕育剂颗粒大小为0.2～0.7mm；孕育剂的添加量为铁水总量的0.6～1.0％；
孕育处理温度为1350～1380℃，浇铸温度为1310～1330℃；
所用的球化剂按照质量百分比成分为：6～8％Mg；0.5～1.0％RE；3.0～4.0％Ca；4.0％Mn；0.5％Ti，其余为Fe；球化剂的加入量为铁水质量的1.0～1.5％；球化剂的颗粒大小为1～5mm；
步骤5.铁水的孕育与球化处理：将熔炼好的铁水冲入底部放有称量好的孕育剂、球化剂和覆盖剂的浇包中，并在浇包中静置1～3min，进行铁水的孕育与球化处理；
步骤6.连铸铁型材：将步骤2设计好的结晶器水道接通冷却水，控制进水口水温不超过20℃，进水口和出水口的温差不超过50℃；然后，将在步骤5浇包中静置处理后的铁水倒入结晶器中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照进行水平连铸或垂直连铸拉拔以成型所需形状的铁基型材。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法，其特征在于，步骤3中铁水的出炉温度1480～1510℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法，其特征在于，步骤6中的拉拔速度须保证一包铁水在5min内全部被拉拔成型材。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法，其特征在于，步骤6中连铸出的铁基型材中石墨球超细，表现为型材由表及里50mm处石墨球密度数不少于500个/mm2。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨球超细化的铁基连铸型材制备方法，其特征在于，步骤1所述面包铁和废钢的总质量百分比按面包铁、废钢中各自C含量和目标球墨铸铁3.8～4.0％C含量要求，通过计算确定；且目标球墨铸铁的成分如下：3.8～4.0％C、2.0～2.8％Si、0.6～0.8％Mn、≤0.04S％、≤0.10％P、0.03～0.06％Mg残、0.02～0.04％Re残，其余为Fe。
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