防止灰铸铁冷却壁表面缺陷的措施*

郭锐文， 刘志汉， 袁兴鹏， 刘 荣， 马 兵， 刘洪峰

(酒钢集团西部重工股份有限公司，甘肃 嘉峪关 735100)

0 引 言

某公司的铸造分厂主要承担冶金成套设备中铸件的生产，现有粘土砂生产线一条，0.5～15 t中频炉共10座。小型铸件主要采用粘土砂造型工艺生产，中型及大型铸件则采用树脂砂造型工艺生。

近20年来，公司共生产了十余座高炉的冷却壁。在灰铸铁冷却壁的生产过程中，其表面经常发生气孔和夹渣等质量问题，导致灰铸铁冷却壁生产成本长期居高不下，对整座高炉冷却壁的利润造成了很大的冲击。为解决质量问题，降低铸造成本，根据现场生产试验对比，对冷却壁水管及吊环的防渗碳工艺、冷却壁固定水管用的附件的除锈工艺和化学成分进行了改进，有效防止了表面气孔和夹渣，提高了冷却壁的成品率。

1 灰铸铁冷却壁表面质量及化学成分要求

1.1 表面质量要求

《YB/T 4073-2007高炉用铸铁冷却壁》中对冷却壁的表面质量要求为：冷却壁热面(冷却壁炉内侧、上下端面)不允许出现任何形式的缺陷，包括裂纹、缩孔、疏松和夹杂等铸造缺陷。

冷却壁冷面(靠炉皮侧)制造缺陷要求如下[1]：

(1) 其深度<5 mm，单个缺陷直径≤10 mm，在100×100内不多于2处，可不进行处理。

(2) 当深度≤10 mm(光面冷却壁)或≤15 mm(镶砖冷却壁)单个缺陷直径<40 mm时，允许进行修补，但每块冷却壁不得超过3处，修补后对修补区进行适当热处理，并打磨平整，凸台上表面要求平整，表面吹刷干净，打磨平整，去毛刺。

1.2 化学成分要求

灰铸铁的冷却壁的材质大多选用HT150，某高炉灰铸铁段位冷却壁化学成分要求如下：C:3.4～4.0%，Si：1.7～2.4%，Mn<0.4%，P≤0.10%，S≤0.03%。

其中化学成分中的P、S均作为检验指标。

2 对防渗碳工艺的改进

灰铸铁冷却壁表面气孔缺陷一般存在于冷却水管和吊环的上方，以及固定水管用附件露出部分的旁边。如图1所示。

为防止冷却水管在受热使用过程中断裂，冷却水管要求进行防渗碳处理，同样，为确保在吊运过程中吊环的强度，吊环的铸入部分也需要进行防渗碳处理。

经观察，因高炉冷却壁生产工期往往比较紧凑，某公司原先冷却水管及吊环的铸入部分在刷完防渗碳涂料后，通常使用煤气烘干后立即进行使用。通过分析认为，采用煤气烘干后，冷却水管和吊环表面会留存有一定的水分。水分在遇到液态铁水时迅速汽化，部分发生如下化学反应：

2H2O=H2↑+O2↑

(1)

增加的气体部分排出型腔之外，部分被溶解至液态铁水中。H2对铸铁件形成析出性气孔的影响较大[2]。

针对存在的以上问题，对防渗碳工艺进行了如下要求：

(1) 冷却水管和吊环在刷完防渗碳涂料后，静置干燥方可进行合箱浇注作业，禁止使用煤气烘干。

(2) 禁止将未干燥的冷却水管和吊环直接使用。

3 对固定冷却水管用附件除锈的要求

通过对生产灰铸铁冷却壁时固定冷却水管用附件的观察和分析，发现所使用的附件除锈并不彻底。

在高温状态下，当铁锈与铁水接触时，铁水中的游离C原子将铁锈中的Fe3O4发生如下化学反应：

4C+ Fe3O4=3Fe+4CO↑

(2)

2C+ Fe3O4=3Fe+2CO2↑

(3)

C+ Fe3O4=Fe2O3+Fe+CO↑

(4)

C+ 2Fe3O4= 2Fe2O3+2Fe+CO2↑

(5)

上述化学反应方程式可产生大量的CO和CO2，增加了型腔内的气体含量。

铸铁溶解气体是一个可逆的过程。温度降低时，溶解的气体处于过饱和状态，气体能向铁液表面扩散而脱离吸附状态。但在实际生产条件下，因冷却较快，以这种形式析出的气体量受到很大限制。[2]在生产过程中，随着铁水温度降低，部分气体原子与金属内部某元素形成化合物，以非金属夹杂物的形式析出，造成表面夹渣，部分气体原子在金属内部形成气体分子，以气泡的形式析出，如逸出不及时，则形成表面气孔和皮下气孔，只有一小部分气体原子可以从金属内部扩散到金属表面，脱离吸附状态。

针对如上分析，在生产过程中要求所使用的固定冷却水管用的附件必须通过抛丸和喷砂处理，去除铁锈，使其表面出现金属光泽后方可进行生产使用。

4 对熔炼工艺的改进

通过采取以上措施，所生产出的冷却壁表面质量有了很大提升，表面气孔现象有了明显改善，但没有彻底消除，同时表面夹渣基本没有得到缓解。

通过对化学成分的对比发现，在对防渗碳工艺进行改进和对固定冷却水管用附件除锈彻底的情况下，当P含量逼近上线，即0.10%时，灰铸铁冷却壁表面光洁，没有任何缺陷，当P含量较低时灰铸铁冷却壁表面存在夹渣、气孔等缺陷。

通过进一步实验和对比，对不同P含量的灰铸铁冷却壁表面质量统计如表1所示。

表1 不同P含量时灰铸铁冷却壁表面质量

数据显示，当灰铸铁冷却壁中P含量在0.060%左右时，其表面存在少量的夹渣和气孔缺陷；当P含量≥0.070%时，其表面质量明显改善，基本无表面夹渣、气孔的情况发生；当P含量≤0.050%时，其表面夹渣、气孔逐渐增多。

5 结 语

(1) 将冷却水管和吊环的防渗碳工艺改进为静置干燥后，其呛火现象明显减少，表面气孔现象有一定的改善。

(2) 将固定冷却水管用附件进行较为彻底的除锈处理后，其表面气孔缺陷也有一定的减少。

(3) P含量≥0.070%时，冷却壁表面基本没有夹渣、气孔等缺陷；当P含量≤0.050%时，其表面夹渣、气孔逐渐增多；当P含量在0.060%左右时，其表面存在少量的夹渣和气孔缺陷。

[1] YB/T4073-2007.高炉用铸铁冷却壁[S].

[2] 中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册：铸铁[M].北京：机械工业出版社,1997.