高效生产高质量烧结机炉篦条工艺研究

邓守梁，万黎明

本钢（集团）机械制造公司 辽宁本溪 117000

1 序言

炉篦条（见图1）是炼铁厂烧结台车重要零件之一，其质量对烧结台车装配、运转影响较大，尤其是炉篦条的使用寿命严重制约着运转成本和生产效率。当前，市场生产炉篦条的铸造方案很多，材质设计上差别较大。有的企业采用合金钢，有的采用球墨铸铁，有的采用冷硬铸铁及高铬铸铁等。工艺方法从粘土砂铸造、消失模铸造到覆膜砂铸造工艺多种多样。但从近些年发展趋势看，逐渐趋向消失模及覆膜砂铸造工艺生产，材质以高铬铸铁为主，产品质量有所提高，使用寿命在一年左右。一般炼铁厂中等规模烧结线每年需要10万～20万件炉篦条，因此通过研究分析炉篦条失效原因，进行成分优化及适当熔炼处理来提高使用寿命，研究高效率生产工艺方案是炉篦条生产企业应关注的问题。

图1 炉篦条

2 炉篦条失效分析

炉篦条在承受一定静压力情况下，要经受常温到1000℃左右周期性热烘烤，同时经受含氧、硫等腐蚀性高温气流冲击，致使炉篦条表面逐渐氧化、熔蚀而出现变形、生长甚至开裂，高温强度不够时出现变形、断裂等，导致烧结机漏料或塌陷，严重影响正常生产。市场炉篦条使用寿命多在一年左右。为有效降低成本，减少停机时间，应重点在抗氧化能力强的化学成分设置、提高高温强度及高效率生产工艺方案方面展开研究。

3 化学成分设计[1]

根据炉篦条频繁高低温变化的特殊使用环境及失效情况分析看，在材质选择上应该主要提高其高温抗氧化性能及提高高温强度，同时兼顾合金抗蠕变性能，针对以上条件，铬系耐热铸铁符合要求。

（1）碳 合金中C元素一般以片状石墨和碳化物（Fe3C）形式存在。随着含碳量的增加，Fe3C数量有所增加，这能有效提高合金在高温状态下的强度和耐磨性，同时片状石墨量有所增加，基体、石墨相界增加，这加大了高温时石墨烧损的趋势，导致合金抗氧化、抗蠕变性能下降。当加入铬元素时能有效增加碳化物数量，提高高温强度，为此，将wC控制在2.0%以下。高铬铸铁碳对硬度的影响如图2所示。

图2 高铬铸铁碳对硬度的影响曲线

（2）铬 Cr元素在耐热合金中至关重要。高温强度与高温抗氧化性随铬含量同时增加或降低。铬在高温下与氧结合形成高熔点、致密的Cr2O3保护膜，这种保护膜能均匀、严密地覆盖在合金表面，将合金与氧气隔开，有效地阻止或减缓了合金由外向内的氧化，从而使合金具备抗氧化性能，且抗蠕变性能也有所提高。当合金中wCr在 12%～15%时，渗碳体将变成（FeCr）3C及稳定的M7C3型碳化物，韧性及耐磨性提高。当wCr＞25%时，则形成稳定的铁素体基体组织，没有相变发生，对耐热十分有利，因此将wCr控制在25%～27%。

（3）镍 Ni元素加入合金后，不与其他元素形成碳化物，完全固溶于基体中，起到固溶强化、提高综合力学性能的作用。同时提高合金淬透性，一定程度上可提高合金的抗氧化能力，但由于价格较贵，因此一般控制在wNi＝1.0%～1.2%。

（4）锰 在合金中Mn是强烈阻碍石墨化元素，促进碳化物的形成。Mn可使铁液去硫（FeS+Mn=Fe+MnS），起到脱硫作用。但锰易氧化，使合金抗氧化性能降低，在生产耐磨铸铁时一般控制wMn≤1.5%。

（5）硅 在铁液中，Si有控制铁液氧化、调整白口化倾向作用。而在高铬铸铁中加入Si则可改善抗氧化能力，当wSi≤0.2%时可获得全白口组织。但在生产中控制低硅较为困难，在抗磨铸铁生产实践中总结出wSi≤0.4%时不会起到较大副作用，反而提高了铸件导热和阻止裂纹扩展的能力。

（6）磷、硫 S在铸铁中是有害元素，形成低熔点硫化物分布在晶界处，使铸件高温力学性能急剧下降，一般要求wS≤0.025%；在高合金材料中，P多以极脆的磷共晶形式存在，对铸件常温性能影响较大，一般控制在wP≤0.03%。

4 熔炼控制

由于中频感应电炉难以实现合金冶炼全过程，因此在熔炼耐磨铸铁合金时必须选用干净的原料，除油、除锈且杂质少。熔炼过程中必须加入专用造渣剂，多次扒渣操作，严格控制合金夹杂物含量。由于加入大量Cr，合金液流动性较差，因此应适当提高浇注温度，但在炉中高温区不得停留时间过长，避免Cr元素过量氧化烧损，一般浇注温度控制在1440℃左右[2]。

由于合金含量较高，在熔炼过程中合金元素被氧化，导致氧含量较高，除在出炉前用锰铁预脱氧外，在浇包中还必须进行插铝终脱氧，一般插铝加入量在1.0%～1.5%。

上述成分的高铬铸铁铸件硬度较高，但实践中发现炉篦条由于韧性差，经常出现断裂情况，并且生产中抗蠕变性能不良，出现变形、氧化情况。经分析是组织晶粒粗大，存在较大长条状共晶碳化物并呈网状分布，严重破坏了基体的连续性，同时表面氧化膜隔绝氧的作用不强。为此，我们在生产中摸索出采用含镁重稀土进行变质处理来改善该材质的综合性能。其原理是镁与重稀土是性质极活泼的元素，在熔炼过程中与金属液中有害元素P、S形成化合物轻质渣而被扒掉，同时可以部分起到脱氧作用，较好地净化了金属液，减少晶界夹杂，提高强度；小部分化合物作为异质核心起到细化初生奥氏体和共晶碳化物作用，进一步提高了金属强度；另外，在重稀土及镁强过冷元素作用下，结晶时在树枝晶前沿富集，迫使奥氏体枝晶多晶形成，可有效阻碍网状碳化物形成，同时重稀土及镁吸附在共晶碳化物表面，使碳化物在形成生长过程中更加孤立化、圆整化，从而降低合金脆性。稀土的加入还可强化炉篦条表面形成的氧化膜的保护作用，因为稀土会减小氧化膜生长速度，且以离子或氧化物形式存在于主要氧化物Cr2O3中，明显降低氧化皮中游离氧压，从而使Cr2O3更加稳定；稀土固溶于氧化皮中，抑制了氧化物颗粒生长，改善了氧化物塑性，使氧化膜不易开裂；稀土吸收在基体与氧化膜之间的空位，起到消除空洞、提高氧化膜黏附力，进一步起到抗氧化作用。变质处理前后断口情况对比（放大同样倍数）如图3所示。

图3 变质处理前后断口情况对比

5 生产方案

传统的生产方法有若干种：有的采用潮模砂工艺铸造炉篦条，劳动强度大，效率低，铸件表面质量较差；有的采用壳芯砂造型，人工埋砂浇注，铸件表面质量有所提高，但生产效率满足不了要求，生产环境较差；还有的采用消失模工艺组串浇注生产，但工序较多，工艺较复杂。

图4 一芯双面多腔

我公司生产现场采用粒度为0.150～0.300mm（100/50目）的热固化覆膜砂[3]，通过射芯机200℃左右热固化成形，一芯双面多腔，如图4所示。生产中采用多芯组合并在芯片间做激冷处理的叠浇工艺，取消人工埋箱操作，从人工端包浇注2～5支提高到集中浇包浇注每次22～24支，大幅提高了质量和效率，如图5所示。

图5 叠浇工艺

按以上工艺方案生产炉篦条，生产效率提高5倍以上，合理匹配化学成分，并经脱氧、变质处理，在烧结机使用后，使用寿命达到18个月以上。

6 结束语

1）新炉篦条化学成分为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）熔炼过程进行变质处理，保证残留wRE＝0.03%～0.05%、wMg＝0.01%～0.03%，降低硫及氧的有害作用，大幅提高了抗蠕变性能，强化了抗氧化性能。

3）上述材质的炉篦条高温强度和硬度有所提高，尤其抗氧化性能大大加强，现场使用寿命提高近1.5倍。

4）覆膜砂造射芯机型，叠箱浇注，生产效率比原工艺提高5倍以上。