高效生產(chǎn)高質(zhì)量燒結(jié)機(jī)爐篦條工藝研究

鄧守梁，萬黎明

本鋼（集團(tuán)）機(jī)械制造公司 遼寧本溪 117000

1 序言

爐篦條（見圖1）是煉鐵廠燒結(jié)臺車重要零件之一，其質(zhì)量對燒結(jié)臺車裝配、運(yùn)轉(zhuǎn)影響較大，尤其是爐篦條的使用壽命嚴(yán)重制約著運(yùn)轉(zhuǎn)成本和生產(chǎn)效率。當(dāng)前，市場生產(chǎn)爐篦條的鑄造方案很多，材質(zhì)設(shè)計上差別較大。有的企業(yè)采用合金鋼，有的采用球墨鑄鐵，有的采用冷硬鑄鐵及高鉻鑄鐵等。工藝方法從粘土砂鑄造、消失模鑄造到覆膜砂鑄造工藝多種多樣。但從近些年發(fā)展趨勢看，逐漸趨向消失模及覆膜砂鑄造工藝生產(chǎn)，材質(zhì)以高鉻鑄鐵為主，產(chǎn)品質(zhì)量有所提高，使用壽命在一年左右。一般煉鐵廠中等規(guī)模燒結(jié)線每年需要10萬～20萬件爐篦條，因此通過研究分析爐篦條失效原因，進(jìn)行成分優(yōu)化及適當(dāng)熔煉處理來提高使用壽命，研究高效率生產(chǎn)工藝方案是爐篦條生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)關(guān)注的問題。

圖1 爐篦條

2 爐篦條失效分析

爐篦條在承受一定靜壓力情況下，要經(jīng)受常溫到1000℃左右周期性熱烘烤，同時經(jīng)受含氧、硫等腐蝕性高溫氣流沖擊，致使?fàn)t篦條表面逐漸氧化、熔蝕而出現(xiàn)變形、生長甚至開裂，高溫強(qiáng)度不夠時出現(xiàn)變形、斷裂等，導(dǎo)致燒結(jié)機(jī)漏料或塌陷，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。市場爐篦條使用壽命多在一年左右。為有效降低成本，減少停機(jī)時間，應(yīng)重點(diǎn)在抗氧化能力強(qiáng)的化學(xué)成分設(shè)置、提高高溫強(qiáng)度及高效率生產(chǎn)工藝方案方面展開研究。

3 化學(xué)成分設(shè)計[1]

根據(jù)爐篦條頻繁高低溫變化的特殊使用環(huán)境及失效情況分析看，在材質(zhì)選擇上應(yīng)該主要提高其高溫抗氧化性能及提高高溫強(qiáng)度，同時兼顧合金抗蠕變性能，針對以上條件，鉻系耐熱鑄鐵符合要求。

（1）碳 合金中C元素一般以片狀石墨和碳化物（Fe3C）形式存在。隨著含碳量的增加，F(xiàn)e3C數(shù)量有所增加，這能有效提高合金在高溫狀態(tài)下的強(qiáng)度和耐磨性，同時片狀石墨量有所增加，基體、石墨相界增加，這加大了高溫時石墨燒損的趨勢，導(dǎo)致合金抗氧化、抗蠕變性能下降。當(dāng)加入鉻元素時能有效增加碳化物數(shù)量，提高高溫強(qiáng)度，為此，將wC控制在2.0%以下。高鉻鑄鐵碳對硬度的影響如圖2所示。

圖2 高鉻鑄鐵碳對硬度的影響曲線

（2）鉻 Cr元素在耐熱合金中至關(guān)重要。高溫強(qiáng)度與高溫抗氧化性隨鉻含量同時增加或降低。鉻在高溫下與氧結(jié)合形成高熔點(diǎn)、致密的Cr2O3保護(hù)膜，這種保護(hù)膜能均勻、嚴(yán)密地覆蓋在合金表面，將合金與氧氣隔開，有效地阻止或減緩了合金由外向內(nèi)的氧化，從而使合金具備抗氧化性能，且抗蠕變性能也有所提高。當(dāng)合金中wCr在 12%～15%時，滲碳體將變成（FeCr）3C及穩(wěn)定的M7C3型碳化物，韌性及耐磨性提高。當(dāng)wCr＞25%時，則形成穩(wěn)定的鐵素體基體組織，沒有相變發(fā)生，對耐熱十分有利，因此將wCr控制在25%～27%。

（3）鎳 Ni元素加入合金后，不與其他元素形成碳化物，完全固溶于基體中，起到固溶強(qiáng)化、提高綜合力學(xué)性能的作用。同時提高合金淬透性，一定程度上可提高合金的抗氧化能力，但由于價格較貴，因此一般控制在wNi＝1.0%～1.2%。

（4）錳 在合金中Mn是強(qiáng)烈阻礙石墨化元素，促進(jìn)碳化物的形成。Mn可使鐵液去硫（FeS+Mn=Fe+MnS），起到脫硫作用。但錳易氧化，使合金抗氧化性能降低，在生產(chǎn)耐磨鑄鐵時一般控制wMn≤1.5%。

（5）硅 在鐵液中，Si有控制鐵液氧化、調(diào)整白口化傾向作用。而在高鉻鑄鐵中加入Si則可改善抗氧化能力，當(dāng)wSi≤0.2%時可獲得全白口組織。但在生產(chǎn)中控制低硅較為困難，在抗磨鑄鐵生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出wSi≤0.4%時不會起到較大副作用，反而提高了鑄件導(dǎo)熱和阻止裂紋擴(kuò)展的能力。

（6）磷、硫 S在鑄鐵中是有害元素，形成低熔點(diǎn)硫化物分布在晶界處，使鑄件高溫力學(xué)性能急劇下降，一般要求wS≤0.025%；在高合金材料中，P多以極脆的磷共晶形式存在，對鑄件常溫性能影響較大，一般控制在wP≤0.03%。

4 熔煉控制

由于中頻感應(yīng)電爐難以實(shí)現(xiàn)合金冶煉全過程，因此在熔煉耐磨鑄鐵合金時必須選用干凈的原料，除油、除銹且雜質(zhì)少。熔煉過程中必須加入專用造渣劑，多次扒渣操作，嚴(yán)格控制合金夾雜物含量。由于加入大量Cr，合金液流動性較差，因此應(yīng)適當(dāng)提高澆注溫度，但在爐中高溫區(qū)不得停留時間過長，避免Cr元素過量氧化燒損，一般澆注溫度控制在1440℃左右[2]。

由于合金含量較高，在熔煉過程中合金元素被氧化，導(dǎo)致氧含量較高，除在出爐前用錳鐵預(yù)脫氧外，在澆包中還必須進(jìn)行插鋁終脫氧，一般插鋁加入量在1.0%～1.5%。

上述成分的高鉻鑄鐵鑄件硬度較高，但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)爐篦條由于韌性差，經(jīng)常出現(xiàn)斷裂情況，并且生產(chǎn)中抗蠕變性能不良，出現(xiàn)變形、氧化情況。經(jīng)分析是組織晶粒粗大，存在較大長條狀共晶碳化物并呈網(wǎng)狀分布，嚴(yán)重破壞了基體的連續(xù)性，同時表面氧化膜隔絕氧的作用不強(qiáng)。為此，我們在生產(chǎn)中摸索出采用含鎂重稀土進(jìn)行變質(zhì)處理來改善該材質(zhì)的綜合性能。其原理是鎂與重稀土是性質(zhì)極活潑的元素，在熔煉過程中與金屬液中有害元素P、S形成化合物輕質(zhì)渣而被扒掉，同時可以部分起到脫氧作用，較好地凈化了金屬液，減少晶界夾雜，提高強(qiáng)度；小部分化合物作為異質(zhì)核心起到細(xì)化初生奧氏體和共晶碳化物作用，進(jìn)一步提高了金屬強(qiáng)度；另外，在重稀土及鎂強(qiáng)過冷元素作用下，結(jié)晶時在樹枝晶前沿富集，迫使奧氏體枝晶多晶形成，可有效阻礙網(wǎng)狀碳化物形成，同時重稀土及鎂吸附在共晶碳化物表面，使碳化物在形成生長過程中更加孤立化、圓整化，從而降低合金脆性。稀土的加入還可強(qiáng)化爐篦條表面形成的氧化膜的保護(hù)作用，因?yàn)橄⊥習(xí)p小氧化膜生長速度，且以離子或氧化物形式存在于主要氧化物Cr2O3中，明顯降低氧化皮中游離氧壓，從而使Cr2O3更加穩(wěn)定；稀土固溶于氧化皮中，抑制了氧化物顆粒生長，改善了氧化物塑性，使氧化膜不易開裂；稀土吸收在基體與氧化膜之間的空位，起到消除空洞、提高氧化膜黏附力，進(jìn)一步起到抗氧化作用。變質(zhì)處理前后斷口情況對比（放大同樣倍數(shù)）如圖3所示。

圖3 變質(zhì)處理前后斷口情況對比

5 生產(chǎn)方案

傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法有若干種：有的采用潮模砂工藝鑄造爐篦條，勞動強(qiáng)度大，效率低，鑄件表面質(zhì)量較差；有的采用殼芯砂造型，人工埋砂澆注，鑄件表面質(zhì)量有所提高，但生產(chǎn)效率滿足不了要求，生產(chǎn)環(huán)境較差；還有的采用消失模工藝組串澆注生產(chǎn)，但工序較多，工藝較復(fù)雜。

圖4 一芯雙面多腔

我公司生產(chǎn)現(xiàn)場采用粒度為0.150～0.300mm（100/50目）的熱固化覆膜砂[3]，通過射芯機(jī)200℃左右熱固化成形，一芯雙面多腔，如圖4所示。生產(chǎn)中采用多芯組合并在芯片間做激冷處理的疊澆工藝，取消人工埋箱操作，從人工端包澆注2～5支提高到集中澆包澆注每次22～24支，大幅提高了質(zhì)量和效率，如圖5所示。

圖5 疊澆工藝

按以上工藝方案生產(chǎn)爐篦條，生產(chǎn)效率提高5倍以上，合理匹配化學(xué)成分，并經(jīng)脫氧、變質(zhì)處理，在燒結(jié)機(jī)使用后，使用壽命達(dá)到18個月以上。

6 結(jié)束語

1）新爐篦條化學(xué)成分為wC＝1.6%～2.0%，wSi＜0.4%，wMn＜1.5%，wP＜0.03%，wS＜0.025%，wCr＝25%～27%，wNi＝1.0%～1.2%。

2）熔煉過程進(jìn)行變質(zhì)處理，保證殘留wRE＝0.03%～0.05%、wMg＝0.01%～0.03%，降低硫及氧的有害作用，大幅提高了抗蠕變性能，強(qiáng)化了抗氧化性能。

3）上述材質(zhì)的爐篦條高溫強(qiáng)度和硬度有所提高，尤其抗氧化性能大大加強(qiáng)，現(xiàn)場使用壽命提高近1.5倍。

4）覆膜砂造射芯機(jī)型，疊箱澆注，生產(chǎn)效率比原工藝提高5倍以上。