基于沖天爐熔煉的鋁錠模材料分析與制備

尚鴻玲 郭海華

摘要：針對鋁錠模的使用條件，分析其性能要求，確定材質(zhì)特點以及所選定的球墨鑄鐵具體化學成分范圍；并在基于沖天爐條件下，著重從生產(chǎn)鋁錠模的鑄造原材料、爐料配比兩個方面分析沖天爐熔煉球墨鑄鐵的可行性，通過合理選擇和調(diào)整原材料與加入量，有效克服了沖天爐焦炭熔煉環(huán)境中雜質(zhì)元素含量居高難下的生產(chǎn)弱點，最終達到球墨鑄鐵件的質(zhì)量要求；具體制定出采用特級新生鐵和中錳本溪生鐵生產(chǎn)時的爐料成分和配比。

關(guān)鍵詞：鋁錠模；材料成分；加入量

中圖分類號：TG143文獻標志碼：A

文章編號：2095-5383（2018）01-0014-03

鋁因其輕便、強度較高、抗腐蝕能力強等特點得到廣泛應用。2017年，中國鋁產(chǎn)量在3 000多萬噸，比2016年同期增長約14%。隨著鋁錠行業(yè)的急速發(fā)展，鋁錠模作為澆注鋁錠的成型模具，其使用壽命、制造成本受到廣泛關(guān)注。鋁錠模組裝在鑄造機生產(chǎn)線上，在連續(xù)生產(chǎn)的過程中，為使高溫鋁液盡快凝固，鋁錠模需送入冷卻水槽中進行快速冷卻，長期承受快冷和快熱的溫度循環(huán)，易導致應力集中，澆注內(nèi)腔極易產(chǎn)生疲勞裂紋而失效[1]，壽命低，更換頻繁，需求量大。此外，鋁錠模在鋁錠脫模時承受較大外力撞擊，受到長期循環(huán)往復的沖擊力作用，這要求鋁錠模必須具有良好的抗震性、耐磨性、導熱性、抗氧化性和耐熱疲勞性[2]。目前，鋁錠模普遍采用鑄鐵制造，普通灰鑄鐵鋁錠模使用壽命只有3個月，因此，具有優(yōu)良的抗熱疲勞性能和力學性能的球墨鑄鐵日益成為鋁錠模生產(chǎn)更為理想的選擇。但球墨鑄鐵對磷、硫含量要求相當嚴格，為達到其材質(zhì)成分要求，許多企業(yè)多選用易控制的感應電爐生產(chǎn)，感應電爐熔化量小、成本高。研究和探索熔化量大、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低的沖天爐生產(chǎn)球墨鑄鐵熔煉工藝，將使鋁錠模生產(chǎn)開辟另一種生產(chǎn)渠道，并為沖天爐熔煉設備擴展更大的能力空間。

1 鑄鐵材質(zhì)確定

鑄鐵的力學性能受石墨形態(tài)、金屬基體組織、化學成分及微量元素等多種因素的影響。石墨的形態(tài)主要有片狀、團狀、球狀3種，它對鑄鐵的性能影響很大，其中球狀石墨對基體的割裂作用最小，是最理想的石墨形態(tài)。

鑄鐵在不同的化學成分和冷卻條件下，形成不同的基體組織，對鑄鐵的力學性能有不同影響，具體影響如表1所示。鑄鐵的基體組織主要有：鐵素體、珠光體+鐵素體、珠光體。鐵素體基體具有較好韌性，珠光體基體具有較高強度，但當珠光體片間距、細化程度處于合適狀態(tài)時，球鐵不僅擁有較高的強、硬度和耐磨性，同時兼具較好的韌性，可滿足上述鋁錠模綜合性能要求[3]。本次確定鋁錠模材質(zhì)為珠光體球墨鑄鐵QT700-2。

2 球墨鑄鐵的化學成分設計原則

球墨鑄鐵的化學成分主要包含C、Si、Mn、S、P，按不同的比例配制將得到不同性能的球墨鑄鐵?；瘜W成分（元素質(zhì)量分數(shù)）的選取既要滿足石墨的球化需求，又要使鑄鐵有較好的鑄造性能。

碳是影響球墨鑄鐵力學性能最關(guān)鍵元素之一。碳含量過低會使鑄件收縮性偏增產(chǎn)生裂紋或縮松；碳含量高時鐵水的流動性較好，過高則容易引起石墨漂浮。但在鑄型剛度較高的情況下，高的碳含量，會使石墨化膨脹較大，可減輕或消除縮孔，得到致密件。所以，碳含量一般取為3.6%～3.9%之間，并按鑄件的壁厚情況選取合適的碳含量[4]。

硅在鑄造過程中起到促進石墨化的作用。硅含量提高使珠光體含量減少，鐵素體量提高。硅含量過高則鑄件脆性增加，強度和硬度會有所降低。為了防止產(chǎn)生大量滲碳體和白口，一般薄小件的硅含量較高；為了防止石墨漂浮，厚大件的硅含量較低。一般鐵素體球墨鑄鐵的最終硅含量大致在2.0%～2.4%；珠光體球墨鑄鐵的最終硅含量大致在2.0%～2.6%。由于在球化和孕育處理過程中會帶入一些硅，所以原鐵液中硅含量需控制低一點[4]。

錳能強化鐵素體，穩(wěn)定珠光體，減小硫的危害，但由于其較強的正偏析傾向，容易在共晶團晶界處富集或促進晶間碳化物的形成，會降低球墨鑄鐵的韌性。一般鐵素體球墨鑄鐵的錳含量大約在0.3%～0.4%；珠光體球墨鑄鐵的錳含量大約在0.4%～0.8%[4]。

硫?qū)τ谇蚰T鐵是一種有害元素，它具有很強的與球化元素化合的能力，易生成硫化物。不僅使球化過程不穩(wěn)定，硫化物還會使鑄件產(chǎn)生夾渣缺陷[5]。一般沖天爐熔煉鐵液硫含量在0.06%～0.1%；電爐熔煉硫含量≤0.04%.對于有特殊要求的，則需另外進行脫硫處理。

磷是另一種有害元素。它具有較強的偏析傾向，易在晶界形成磷共晶，降低球墨鑄鐵的塑性和韌性，并增大球鐵的縮松傾向。一般球鐵要求磷含量在0.07%以下[5]。

3 球墨鑄鐵的爐料配制

本次鋁錠模材質(zhì)分析則選取熔煉量大、最為普遍使用的沖天爐為制備條件：沖天爐的熔化率5 t/h，爐料重500 kg，層鐵焦比10∶1。旨在探究焦炭環(huán)境中（雜質(zhì)元素含量高），沖天爐球墨鑄鐵熔煉的可行性、爐料選擇及配制。

綜上，目標材質(zhì)QT700-2設計成分確定為：

ω（C）=3.7%，ω（Si）=1.3%，ω（Mn）=0.4%，ω（S）≤0.08%，ω（P）≤0.07%。選取回爐鐵配比為30%。各元素在沖天爐的增減率及考慮增減率后的爐料成分如表2所示。

3.1 采用特級新生鐵生產(chǎn)的爐料配制計算

特級生鐵及各金屬爐料的成分配比如表3所示。

取回爐鐵配比為30%，設新生鐵為x%，廢鋼為（70-x）%，則：4.15x+3.75×30+0.15（70-x）=3.89×100，解得x=66.5，則廢鋼配比為3.5%。

各爐料成分的計算和校核結(jié)果如表4所示。

在核算過程中，發(fā)現(xiàn)爐料中硅和錳還有差值，因此需額外加入鐵合金以補償差值。鐵合金加入量：硅鐵加入百分比=0.05/75=0.07%； 錳鐵加入百分比=0.08/65=0.12%。由此，爐料配比和批料質(zhì)量為：新生鐵質(zhì)量=500 kg×66.5%=332 kg；回爐鐵質(zhì)量=500 kg×30%=150 kg；廢鋼質(zhì)量=500 kg×3.5%=17.5 kg；硅鐵質(zhì)量=500 kg×0.07%=0.4 kg；錳鐵質(zhì)量=500 kg×0.12%=0.6 kg；層焦質(zhì)量=500 kg×0.1=50 kg。

3.2 采用中錳本溪生鐵生產(chǎn)的爐料配制計算

中錳本溪生鐵及各金屬爐料的成分如表5所示[6]。

取回爐鐵配比為30%，設新生鐵為x%，廢鋼為（70-x）%，則：4.05x+3.75×30+0.15（70-x）=3.89×100，解得x=68.21，則廢鋼配比為（70-66.5）%=1.79%。

計算結(jié)果見表6，并對各爐料進行校核。

其中硅鐵合金、錳鐵合金的比例足夠，無需再額外添加。由此，爐料配比和批料質(zhì)量為：新生鐵質(zhì)量=500 kg×68.21%≈341 kg；回爐鐵質(zhì)量=500 kg×30%=150 kg；廢鋼質(zhì)量=500 kg×1.79%≈9 kg；層焦質(zhì)量=500 kg×0.1=50 kg。

4 結(jié)語

根據(jù)以上配料結(jié)果可知：1）在選取適當原材料的情況下，硫、磷含量可以控制在允許范圍內(nèi)，采用沖天爐熔煉球墨鑄鐵是完全可行的。2）特級生鐵含S、P較低，容易滿足球墨鑄鐵低硫、低磷要求，但因特級生鐵本身的煉制需要經(jīng)過脫硫、脫磷的特殊處理，其生產(chǎn)工藝更加復雜，價格也比較貴。3）采用中錳本溪生鐵，由于原料含硅、錳量偏高，可以不用額外加入硅鐵和錳鐵，一定程度上簡化了工藝，節(jié)約了成本。

參考文獻：

[1]蘭超.鋁錠鑄模裂紋的檢測方法與裝置研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2010.[2]張文莉，楊桂生.鑄鐵材質(zhì)鋁錠模生產(chǎn)實踐[J].云南冶金，2015，44（6）：46-52.

[3]練勇，姜自蓮.機械工程材料與成型工藝[M].重慶：重慶大學出版社，2015.

[4]馬春來.鑄造合金及熔煉[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[5]金致開.沖天爐熔煉技術(shù)及生產(chǎn)應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[6]李傳栻.鑄造工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.