基于冲天炉熔炼的铝锭模材料分析与制备

尚鸿玲 郭海华

摘要：针对铝锭模的使用条件，分析其性能要求，确定材质特点以及所选定的球墨铸铁具体化学成分范围；并在基于冲天炉条件下，着重从生产铝锭模的铸造原材料、炉料配比两个方面分析冲天炉熔炼球墨铸铁的可行性，通过合理选择和调整原材料与加入量，有效克服了冲天炉焦炭熔炼环境中杂质元素含量居高难下的生产弱点，最终达到球墨铸铁件的质量要求；具体制定出采用特级新生铁和中锰本溪生铁生产时的炉料成分和配比。

关键词：铝锭模；材料成分；加入量

中图分类号：TG143文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2018）01-0014-03

铝因其轻便、强度较高、抗腐蚀能力强等特点得到广泛应用。2017年，中国铝产量在3 000多万吨，比2016年同期增长约14%。随着铝锭行业的急速发展，铝锭模作为浇注铝锭的成型模具，其使用寿命、制造成本受到广泛关注。铝锭模组装在铸造机生产线上，在连续生产的过程中，为使高温铝液尽快凝固，铝锭模需送入冷却水槽中进行快速冷却，长期承受快冷和快热的温度循环，易导致应力集中，浇注内腔极易产生疲劳裂纹而失效[1]，寿命低，更换频繁，需求量大。此外，铝锭模在铝锭脱模时承受较大外力撞击，受到长期循环往复的冲击力作用，这要求铝锭模必须具有良好的抗震性、耐磨性、导热性、抗氧化性和耐热疲劳性[2]。目前，铝锭模普遍采用铸铁制造，普通灰铸铁铝锭模使用寿命只有3个月，因此，具有优良的抗热疲劳性能和力学性能的球墨铸铁日益成为铝锭模生产更为理想的选择。但球墨铸铁对磷、硫含量要求相当严格，为达到其材质成分要求，许多企业多选用易控制的感应电炉生产，感应电炉熔化量小、成本高。研究和探索熔化量大、生产效率高、生产成本低的冲天炉生产球墨铸铁熔炼工艺，将使铝锭模生产开辟另一种生产渠道，并为冲天炉熔炼设备扩展更大的能力空间。

1 铸铁材质确定

铸铁的力学性能受石墨形态、金属基体组织、化学成分及微量元素等多种因素的影响。石墨的形态主要有片状、团状、球状3种，它对铸铁的性能影响很大，其中球状石墨对基体的割裂作用最小，是最理想的石墨形态。

铸铁在不同的化学成分和冷却条件下，形成不同的基体组织，对铸铁的力学性能有不同影响，具体影响如表1所示。铸铁的基体组织主要有：铁素体、珠光体+铁素体、珠光体。铁素体基体具有较好韧性，珠光体基体具有较高强度，但当珠光体片间距、细化程度处于合适状态时，球铁不仅拥有较高的强、硬度和耐磨性，同时兼具较好的韧性，可满足上述铝锭模综合性能要求[3]。本次确定铝锭模材质为珠光体球墨铸铁QT700-2。

2 球墨铸铁的化学成分设计原则

球墨铸铁的化学成分主要包含C、Si、Mn、S、P，按不同的比例配制将得到不同性能的球墨铸铁。化学成分（元素质量分数）的选取既要满足石墨的球化需求，又要使铸铁有较好的铸造性能。

碳是影响球墨铸铁力学性能最关键元素之一。碳含量过低会使铸件收缩性偏增产生裂纹或缩松；碳含量高时铁水的流动性较好，过高则容易引起石墨漂浮。但在铸型刚度较高的情况下，高的碳含量，会使石墨化膨胀较大，可减轻或消除缩孔，得到致密件。所以，碳含量一般取为3.6%～3.9%之间，并按铸件的壁厚情况选取合适的碳含量[4]。

硅在铸造过程中起到促进石墨化的作用。硅含量提高使珠光体含量减少，铁素体量提高。硅含量过高则铸件脆性增加，强度和硬度会有所降低。为了防止产生大量渗碳体和白口，一般薄小件的硅含量较高；为了防止石墨漂浮，厚大件的硅含量较低。一般铁素体球墨铸铁的最终硅含量大致在2.0%～2.4%；珠光体球墨铸铁的最终硅含量大致在2.0%～2.6%。由于在球化和孕育处理过程中会带入一些硅，所以原铁液中硅含量需控制低一点[4]。

锰能强化铁素体，稳定珠光体，减小硫的危害，但由于其较强的正偏析倾向，容易在共晶团晶界处富集或促进晶间碳化物的形成，会降低球墨铸铁的韧性。一般铁素体球墨铸铁的锰含量大约在0.3%～0.4%；珠光体球墨铸铁的锰含量大约在0.4%～0.8%[4]。

硫对于球墨铸铁是一种有害元素，它具有很强的与球化元素化合的能力，易生成硫化物。不仅使球化过程不稳定，硫化物还会使铸件产生夹渣缺陷[5]。一般冲天炉熔炼铁液硫含量在0.06%～0.1%；电炉熔炼硫含量≤0.04%.对于有特殊要求的，则需另外进行脱硫处理。

磷是另一种有害元素。它具有较强的偏析倾向，易在晶界形成磷共晶，降低球墨铸铁的塑性和韧性，并增大球铁的缩松倾向。一般球铁要求磷含量在0.07%以下[5]。

3 球墨铸铁的炉料配制

本次铝锭模材质分析则选取熔炼量大、最为普遍使用的冲天炉为制备条件：冲天炉的熔化率5 t/h，炉料重500 kg，层铁焦比10∶1。旨在探究焦炭环境中（杂质元素含量高），冲天炉球墨铸铁熔炼的可行性、炉料选择及配制。

综上，目标材质QT700-2设计成分确定为：

ω（C）=3.7%，ω（Si）=1.3%，ω（Mn）=0.4%，ω（S）≤0.08%，ω（P）≤0.07%。选取回炉铁配比为30%。各元素在冲天炉的增减率及考虑增减率后的炉料成分如表2所示。

3.1 采用特级新生铁生产的炉料配制计算

特级生铁及各金属炉料的成分配比如表3所示。

取回炉铁配比为30%，设新生铁为x%，废钢为（70-x）%，则：4.15x+3.75×30+0.15（70-x）=3.89×100，解得x=66.5，则废钢配比为3.5%。

各炉料成分的计算和校核结果如表4所示。

在核算过程中，发现炉料中硅和锰还有差值，因此需额外加入铁合金以补偿差值。铁合金加入量：硅铁加入百分比=0.05/75=0.07%； 锰铁加入百分比=0.08/65=0.12%。由此，炉料配比和批料质量为：新生铁质量=500 kg×66.5%=332 kg；回炉铁质量=500 kg×30%=150 kg；废钢质量=500 kg×3.5%=17.5 kg；硅铁质量=500 kg×0.07%=0.4 kg；锰铁质量=500 kg×0.12%=0.6 kg；层焦质量=500 kg×0.1=50 kg。

3.2 采用中锰本溪生铁生产的炉料配制计算

中锰本溪生铁及各金属炉料的成分如表5所示[6]。

取回炉铁配比为30%，设新生铁为x%，废钢为（70-x）%，则：4.05x+3.75×30+0.15（70-x）=3.89×100，解得x=68.21，则废钢配比为（70-66.5）%=1.79%。

计算结果见表6，并对各炉料进行校核。

其中硅铁合金、锰铁合金的比例足够，无需再额外添加。由此，炉料配比和批料质量为：新生铁质量=500 kg×68.21%≈341 kg；回炉铁质量=500 kg×30%=150 kg；废钢质量=500 kg×1.79%≈9 kg；層焦质量=500 kg×0.1=50 kg。

4 结语

根据以上配料结果可知：1）在选取适当原材料的情况下，硫、磷含量可以控制在允许范围内，采用冲天炉熔炼球墨铸铁是完全可行的。2）特级生铁含S、P较低，容易满足球墨铸铁低硫、低磷要求，但因特级生铁本身的炼制需要经过脱硫、脱磷的特殊处理，其生产工艺更加复杂，价格也比较贵。3）采用中锰本溪生铁，由于原料含硅、锰量偏高，可以不用额外加入硅铁和锰铁，一定程度上简化了工艺，节约了成本。

参考文献：

[1]兰超.铝锭铸模裂纹的检测方法与装置研究[D].兰州：兰州理工大学，2010.[2]张文莉，杨桂生.铸铁材质铝锭模生产实践[J].云南冶金，2015，44（6）：46-52.

[3]练勇，姜自莲.机械工程材料与成型工艺[M].重庆：重庆大学出版社，2015.

[4]马春来.铸造合金及熔炼[M].北京：机械工业出版社，2014.

[5]金致开.冲天炉熔炼技术及生产应用[M].北京：化学工业出版社，2009.

[6]李传栻.铸造工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2010.