防止灰鑄鐵冷卻壁表面缺陷的措施*

郭銳文， 劉志漢， 袁興鵬， 劉 榮， 馬 兵， 劉洪峰

(酒鋼集團(tuán)西部重工股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引 言

某公司的鑄造分廠主要承擔(dān)冶金成套設(shè)備中鑄件的生產(chǎn)，現(xiàn)有粘土砂生產(chǎn)線一條，0.5～15 t中頻爐共10座。小型鑄件主要采用粘土砂造型工藝生產(chǎn)，中型及大型鑄件則采用樹脂砂造型工藝生。

近20年來，公司共生產(chǎn)了十余座高爐的冷卻壁。在灰鑄鐵冷卻壁的生產(chǎn)過程中，其表面經(jīng)常發(fā)生氣孔和夾渣等質(zhì)量問題，導(dǎo)致灰鑄鐵冷卻壁生產(chǎn)成本長期居高不下，對整座高爐冷卻壁的利潤造成了很大的沖擊。為解決質(zhì)量問題，降低鑄造成本，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)試驗對比，對冷卻壁水管及吊環(huán)的防滲碳工藝、冷卻壁固定水管用的附件的除銹工藝和化學(xué)成分進(jìn)行了改進(jìn)，有效防止了表面氣孔和夾渣，提高了冷卻壁的成品率。

1 灰鑄鐵冷卻壁表面質(zhì)量及化學(xué)成分要求

1.1 表面質(zhì)量要求

《YB/T 4073-2007高爐用鑄鐵冷卻壁》中對冷卻壁的表面質(zhì)量要求為：冷卻壁熱面(冷卻壁爐內(nèi)側(cè)、上下端面)不允許出現(xiàn)任何形式的缺陷，包括裂紋、縮孔、疏松和夾雜等鑄造缺陷。

冷卻壁冷面(靠爐皮側(cè))制造缺陷要求如下[1]：

(1) 其深度<5 mm，單個缺陷直徑≤10 mm，在100×100內(nèi)不多于2處，可不進(jìn)行處理。

(2) 當(dāng)深度≤10 mm(光面冷卻壁)或≤15 mm(鑲磚冷卻壁)單個缺陷直徑<40 mm時，允許進(jìn)行修補(bǔ)，但每塊冷卻壁不得超過3處，修補(bǔ)后對修補(bǔ)區(qū)進(jìn)行適當(dāng)熱處理，并打磨平整，凸臺上表面要求平整，表面吹刷干凈，打磨平整，去毛刺。

1.2 化學(xué)成分要求

灰鑄鐵的冷卻壁的材質(zhì)大多選用HT150，某高爐灰鑄鐵段位冷卻壁化學(xué)成分要求如下：C:3.4～4.0%，Si：1.7～2.4%，Mn<0.4%，P≤0.10%，S≤0.03%。

其中化學(xué)成分中的P、S均作為檢驗指標(biāo)。

2 對防滲碳工藝的改進(jìn)

灰鑄鐵冷卻壁表面氣孔缺陷一般存在于冷卻水管和吊環(huán)的上方，以及固定水管用附件露出部分的旁邊。如圖1所示。

為防止冷卻水管在受熱使用過程中斷裂，冷卻水管要求進(jìn)行防滲碳處理，同樣，為確保在吊運(yùn)過程中吊環(huán)的強(qiáng)度，吊環(huán)的鑄入部分也需要進(jìn)行防滲碳處理。

經(jīng)觀察，因高爐冷卻壁生產(chǎn)工期往往比較緊湊，某公司原先冷卻水管及吊環(huán)的鑄入部分在刷完防滲碳涂料后，通常使用煤氣烘干后立即進(jìn)行使用。通過分析認(rèn)為，采用煤氣烘干后，冷卻水管和吊環(huán)表面會留存有一定的水分。水分在遇到液態(tài)鐵水時迅速汽化，部分發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

2H2O=H2↑+O2↑

(1)

增加的氣體部分排出型腔之外，部分被溶解至液態(tài)鐵水中。H2對鑄鐵件形成析出性氣孔的影響較大[2]。

針對存在的以上問題，對防滲碳工藝進(jìn)行了如下要求：

(1) 冷卻水管和吊環(huán)在刷完防滲碳涂料后，靜置干燥方可進(jìn)行合箱澆注作業(yè)，禁止使用煤氣烘干。

(2) 禁止將未干燥的冷卻水管和吊環(huán)直接使用。

3 對固定冷卻水管用附件除銹的要求

通過對生產(chǎn)灰鑄鐵冷卻壁時固定冷卻水管用附件的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)所使用的附件除銹并不徹底。

在高溫狀態(tài)下，當(dāng)鐵銹與鐵水接觸時，鐵水中的游離C原子將鐵銹中的Fe3O4發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

4C+ Fe3O4=3Fe+4CO↑

(2)

2C+ Fe3O4=3Fe+2CO2↑

(3)

C+ Fe3O4=Fe2O3+Fe+CO↑

(4)

C+ 2Fe3O4= 2Fe2O3+2Fe+CO2↑

(5)

上述化學(xué)反應(yīng)方程式可產(chǎn)生大量的CO和CO2，增加了型腔內(nèi)的氣體含量。

鑄鐵溶解氣體是一個可逆的過程。溫度降低時，溶解的氣體處于過飽和狀態(tài)，氣體能向鐵液表面擴(kuò)散而脫離吸附狀態(tài)。但在實(shí)際生產(chǎn)條件下，因冷卻較快，以這種形式析出的氣體量受到很大限制。[2]在生產(chǎn)過程中，隨著鐵水溫度降低，部分氣體原子與金屬內(nèi)部某元素形成化合物，以非金屬夾雜物的形式析出，造成表面夾渣，部分氣體原子在金屬內(nèi)部形成氣體分子，以氣泡的形式析出，如逸出不及時，則形成表面氣孔和皮下氣孔，只有一小部分氣體原子可以從金屬內(nèi)部擴(kuò)散到金屬表面，脫離吸附狀態(tài)。

針對如上分析，在生產(chǎn)過程中要求所使用的固定冷卻水管用的附件必須通過拋丸和噴砂處理，去除鐵銹，使其表面出現(xiàn)金屬光澤后方可進(jìn)行生產(chǎn)使用。

4 對熔煉工藝的改進(jìn)

通過采取以上措施，所生產(chǎn)出的冷卻壁表面質(zhì)量有了很大提升，表面氣孔現(xiàn)象有了明顯改善，但沒有徹底消除，同時表面夾渣基本沒有得到緩解。

通過對化學(xué)成分的對比發(fā)現(xiàn)，在對防滲碳工藝進(jìn)行改進(jìn)和對固定冷卻水管用附件除銹徹底的情況下，當(dāng)P含量逼近上線，即0.10%時，灰鑄鐵冷卻壁表面光潔，沒有任何缺陷，當(dāng)P含量較低時灰鑄鐵冷卻壁表面存在夾渣、氣孔等缺陷。

通過進(jìn)一步實(shí)驗和對比，對不同P含量的灰鑄鐵冷卻壁表面質(zhì)量統(tǒng)計如表1所示。

表1 不同P含量時灰鑄鐵冷卻壁表面質(zhì)量

數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)灰鑄鐵冷卻壁中P含量在0.060%左右時，其表面存在少量的夾渣和氣孔缺陷；當(dāng)P含量≥0.070%時，其表面質(zhì)量明顯改善，基本無表面夾渣、氣孔的情況發(fā)生；當(dāng)P含量≤0.050%時，其表面夾渣、氣孔逐漸增多。

5 結(jié) 語

(1) 將冷卻水管和吊環(huán)的防滲碳工藝改進(jìn)為靜置干燥后，其嗆火現(xiàn)象明顯減少，表面氣孔現(xiàn)象有一定的改善。

(2) 將固定冷卻水管用附件進(jìn)行較為徹底的除銹處理后，其表面氣孔缺陷也有一定的減少。

(3) P含量≥0.070%時，冷卻壁表面基本沒有夾渣、氣孔等缺陷；當(dāng)P含量≤0.050%時，其表面夾渣、氣孔逐漸增多；當(dāng)P含量在0.060%左右時，其表面存在少量的夾渣和氣孔缺陷。

[1] YB/T4073-2007.高爐用鑄鐵冷卻壁[S].

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會.鑄造手冊：鑄鐵[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997.