（材料科学与工程专业论文）非合金化铸态高强度铸铁型材的工艺技术研究.pdf

摘要 论文题目：非合金化铸态高强度铸铁型材的工艺技术研究 学科专业：材料科学与工程 研究生：刘党伟签 名剖：乜痞 指导教师：张云鹏教授签名 摘要 本文在目前铸铁型材水平连铸技术发展现状的基础上，阐述了高强度铸铁型材的优 异性能与高生产成本之间的突出矛盾，提出了低成本下通过非合金化“三次喷冷 工艺得 到铸态高强度铸铁型材的技术思想。在现有z s l 0 2 型铸铁型材水平连铸生产线上，依据 铸铁物理冶金学原理，在型材共析转变温度分别对西6 0 、西7 5 和多1 0 0 三种球铁型材采取 “三次喷冷措施，并对不同喷冷工艺条件下的型材试样进行了组织和力学性能分析。 由于“三次喷冷 的激冷作用，喷水后型材会存有一定量的残余应力，残余应力的存 在势必对型材的质量造成一定的影响。为此，在本次试验中，事先保证喷冷后型材表面温 度在5 0 0 左右，使型材在后续空冷环境下发生自温退火过程，最大限度降低了“三次喷 冷”的负作用。 通过实施“三次喷冷”工艺，型材基体中珠光体数量较喷冷前明显增多。通过工艺参 数的优化，当采用3 个水包，水包间距达到1 5 0 m m ，喷水强度达到5 8 2 m 3 h 1 时，3 种型 材的珠光体含量均达到7 0 左右。其力学性能分别达到：蛳o 型材，硬度2 9 1 h b ，强度 6 8 5 m p a ；咖7 5 型材，硬度2 9 3 h b ，强度6 5 0 m p a ；痧1 0 0 型材，硬度达到3 0 1 h b ，强度 6 5 5 m p a 。 。 铸铁型材的强度除了依赖于其基体组织外，球化效果的好坏对铸铁型材的力学性能也 有重要的影响。为此，本文在国内现有连铸企业球化处理工艺的基础上提出了球化处理蓖 渣工艺。通过蓖渣工艺前后试样对比分析结果表明，球化处理蓖渣工艺后球铁型材的球化 级别提高2 个等级。现场的统计结果表明，采用球化处理蓖渣工艺，球化剂用量减少2 2 。 在铸铁水平连铸生产实际中，部分型材产品表面常出现“拉伤”和“疤皮 缺陷，型 材表面的“拉伤 和“疤皮”缺陷虽然不是普遍现象，然而它的出现却降低了连铸产品的 质量。本文通过对型材“拉伤 和“疤皮 缺陷提出形成机理，提出改进性措施并做了现 场验证。多次试验结果表明，工艺改进后的型材表面无“拉伤 和“疤皮缺陷。 关键字：非合金化；三次喷冷；高强度铸铁型材；拉伤；疤皮 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：l a b r e s e a r c ho nc r a f tt e c h n o l o g yo fn o n a l l o y h i g h s t r e n g t hc o n t i n u o u sc a s t i n gi r o na sc a s t m a j o r ：m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g n a m e ：d a n g w e il i u s u p e r v i s o r ：p r o f y u n p e n gz h a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e s i g n a t u r e b a s e do nt h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fh i g h s t r e n g t hc o n t i n u o u sc a s t i n gi r o np r o f i l e s ，t h i s p a p e re x p o u n d e dt h eo b v i o u sc o n t r a d i c t i o n sb e t w e e nt h eo u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c ea n dh i g h c o s t so ft h ec u r r e n th i g h s t r e n g t hc o n t i n u o u sc a s t i n gi r o n ，a n dp u tf o r w a r dt h et e c h n o l o g yi d e a t h a ta i mi st oo b t a i nh i 曲一s t r e n g t hc o n t i n u o u sc a s t i n gi r o np r o f i l e sb y t h i r dc o l ds p r a y ” a c c o r d i n g a sc a s t i r o n p h y s i c a lm e t a l l u r g y ，i na c t u a lz s l - 0 2c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t l i n e ，t h i sp a p e rp u ti n t ou s et h et e c h n o l o g yo f “t h i r dc o l ds p r a y i ne u t e c t o i dt e m p e r a t u r ei n o r d e rt ot r e a tt h e 西6 0 ，咖7 5a n d 西10 0t h r e ec l a s s e so fc o n t i n u o u sc a s t i n gi r o n , a n da n a l y z e dt h e s a m p l em i c r o s t r u c t u r ea n de a c hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa td i f f e r e n ts p r a yo fc o l dc o n d i t i o n s b e c a u s eo ft h es t i n g i n ge f f e c to f t h i r dc o l ds p r a y ”，t h ec o n t i n u o u sc a s t i n gi r o nw i l lh a v e s o m er e m n a n ts t r e s s i tw i l la f f e c tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o n t i n u o u sc a s t i n gi r o n t h u s ，i nt h i se x p e r i m e n t a t i o n , w em a n a g e dt op l e d g et h et e m p e r a t u r eo fc o n t i n u o u sc a s t i n gi r o n a b o u t5 0 0 b e c a u s eo ft h ea n n e a la c t i o no ft h ec o n t i n u o u sc a s t i n gi r o n t h es i d e e f f e c to f t h i r dc o l ds p r a y ”f a l lo b v i o u s l y w h e n t h i r dc o l ds p r ) ，”h a v eb e e np u ti n p r a c t i c e ，p e a r l i t ei n c r e a s e do b v i o u s l yi nt h e c o n t i n u o u sc a s t i n gi r o n a f t e rp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nc o m p a g e d ，w h e nt h ea m o u n to fw a t e r p o c k e t sw a st h r e e ，d i s t a n c eo fw a t e rp o c k e ti s1 5 0 m m ，a n dw a t e rf l u xi s5 8 2 m 3 h t h e p e r c e n t a g ec o n t e n to ft h ep e a r l i t eh a sb e e nr e a c h e d7 0p e r c e n t t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h r e ec l a s s e sh i g h - s t r e n g t hc o n t i n u o u sc a s t i n gi r o nh a v er e s p e c t i v e l yr e a c h e d ：西6 0c o n t i n u o u s c a s t i n gi r o n ，i t sh a r d n e s sw a s2 9 1h b ，a n di t st e n s i l es t r e n g t hw a s6 8 5m p a ；咖7 5c o n t i n u o u s c a s t i n gi r o n ，i t sh a r d n e s sr e a c h e d2 9 3h b ，a n di t st e n s i l es t r e n g t hr e a c h e d6 5 0m p a ；痧10 0 。c o n t i n u o u sc a s t i n gi r o n , i t sh a r d n e s sw a s3 01h b ，a n di t st e n s i l es t r e n g t hr e a c h e d6 5 5m p a i na d d i t i o nt ot h es t r e n g t h p r o f i l e so fc o n t i n u o u sc a s t i n gi r o nd e p e n do ni t sb o d y ，t h ee f f e c t o fs p h e r o i d z i n gp e r f o r m a n c ea l s oh a v ea ni m p o r t a n ti m p a c to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c o n t i n u o u sc a s t i n g i r o n t h e r e f o r e ，o nt h eb a s i so ft h ee x i s t i n gd o m e s t i ce n t e r p r i s e s s p h e r o i d i s a t i o no nt h ec a s t i n gp r o c e s s ，t h i sa r t i c l ep u tf o r w a r dt h e s p h e r o i d z i n gs k i m t e c h n o l o g y t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs a m p l e sw i t hb e f o r ea n da f t e rs k i mt e c h n o l o g y ， i i 摘要 t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta f t e rs p h e r o i d z i n gs k i mt r e a t m e n tc o n t i n u o u sc a s t i n gn o d u l a ri r o n p r o f i l e so fs p h e r o i d z i n gc l a s si n c r e a s e dt w og r a d el e v e l s i nt h ef i e l do fs t a t i s t i c sa l s os h o w e d t h a tu s i n gs p h e r o i d z i n gs k i mt e c h n o l o g y ，t h es p h e r o i d t i ca g e n tr e d u c e d2 2 i nt h ea c t u a lp r o d u c t i o no fc o n t i n u o u sc a s t i n gi r o n ，t h es t a f ff o u n dt h a ts o m ep r o d u c t s s u r f a c ee x i s t e dp r o f i l eo f i n j u r y a n d s c a rp a p e r d e f e c t s ，w h i c hd a m a g e dt ot h eq u a l i t yo ft h e c o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t 1 1 1 e r e f o m ，t h i sa r t i c l ep u tf o r w a r dt h em e c h a n i s mo ff o r m i n g p r o f i l e sd e f e c t st h r o u g ht h e i n j u r y a n d s c a rp a p e r ，a n dt oi m p r o v em e a s u r e sa n dv e r i f yt h e s c e n e m a n yt i m e st e s tr e s u l t ss h o w e dt h a ta f t e rt h ei m p r o v e dt e c h n o l o g yt h ep r o f i l eo ft h e s u r f a c ed i d n te x i s t e dt h e i n j u r y a n d s c a rp a p e r d e f e c t s k e y w o r d s ：n o n - - a l l o y ；t h i r dc o l ds p r a y ；h i g h s t r e n g t hc a s ti r o nb a r ；i n j u r y ；s c a r sp a p e r i i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明；本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以：括注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本人 并已经在 论文作者签名：薹蝉，衙多月印e t 学位论文使用授权声明 导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文韵部分使用权，即：1 ) 己获学位的研究生按学校规定 提交印刷舨和电子版学位论文，学技可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、测览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 、 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文储馘：锄师翰：哟殛夕月| i ! | 7 ，昌 卜 j 1 绪 e 1 绪论 用水平连续铸造方法获得的具有等截面的铸铁坯称为铸铁型材。铸铁型材水平连铸工 艺技术始于上世纪5 0 年代，用该技术生产的铸铁型材在国内外称之为致密铁棒( d e n s e b a r s ) 。铸铁型材因其组织致密、耐压气密性好、机械性能优良、出品率高、生产成本低 等优势在机械制造等领域得到了迅速发展和广泛应用。铸铁型材生产成品率高，对原材料 利用率高并且生产工艺简单，节约材料、燃料及动力消耗，可给企业带来显著经济效益。 铸铁型材水平连铸，属于机械化程度高、生产环境好、劳动强度低、废弃污染物排量少的 现代化高科技铸造产业，有利于文明生产和环境治理。3 。 1 1 铸铁型材水平连铸技术简介 图1 1 为铸铁型材水平连铸生产线示意图，如图所示，它由保温炉、结晶器、牵引机、 切割机、压断机等设备构成。熔化铁液经球化孕育处理( 或孕育处理) 后注入保温炉内， 铁液流入固定在保温炉下部的结晶器水冷石墨型中与事先置入的与引锭杆连接的引锭头 铸合在一起，并在结晶器内的石墨型中开始凝固，当形成具有一定厚度的外壳时，在牵引 机牵引下，以一定的拉制工艺( 拉拔周期、拉停比、步长、拉拔速度) 按步进式将型材拉 出结晶器。型材通过牵引机后卸除引锭杆并由同步切割机按一定的长度在铸铁型材上切 口，铸铁型材通过压断机被压断后即成为铸态连铸型材产品。铁液周期性地倒入保温炉， 铸铁型材在高压力补缩条件下顺序凝固并不断被牵引出结晶器形成连续生产。通过更换不 同的结晶器和适当改变工艺参数，该技术可生产出不同种类的铸铁型材( 如：球墨铸铁型 材、灰铸铁型材、白口铸铁型材等) ，所生产的铸铁型材可以是多种等截面的形状( 如圆 形、方形、矩形、六方形、半圆形、梅花形等) ，同步机切割机行进路程的可改变性使得 拉出的型材长度不受限制1 4 - 5 j 。 图1 1 铸铁型材水平连铸生产线示意图 f i g 1 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fh o r i z o n t a lc o n t i n u o u sc a s t i n gi r o n 1 2 铸铁型材水平连铸技术的工艺特点 铸铁型材水平连铸技术是一种特种铸造方法，和普通铸造方法相比，它有着自身的工 艺特点：6 - 7 1 ( 1 ) 水平连铸方法不需要复杂的地下工作，其生产过程不受空间限制，生产工艺稳 西安理工大学硕士学位论文 定。 ( 2 ) 采用封闭式结晶器，高温铁水经由保温炉下部进入结晶器，溶渣充分上浮，保 证了进入结晶器铁液的纯净。 ( 3 ) 与砂型铸造相比，由于该工艺不使用型砂或涂料等传统造型材料，所以连铸型 材不会因为夹砂而引起表面缺陷。 ( 4 ) 铸铁型材是在石墨型内成形的，石墨的耐火度很高，不与铁水浸润，用该技术 生产的铸铁型材表面光洁度高，尺寸精度高。 ( 5 ) 水冷结晶器的激冷作用使铸铁型材在很高冷却速度( 砂铸的3 0 倍) 下凝固啪， 因而可以得到细小的晶粒，从而大大地改善了型材的综合机械性能，特别是韧性有很大的 提高。 ( 6 ) 由于保温炉与结晶器内的铁水有很大的铁水压头，保温炉中的铁水可对正在凝 固的型材充分补缩，因而大大地减少了铸造缩孔与疏松缺陷，提高了型材的致密性和断面 的均匀性。 ( 7 ) 在相同的强度条件下，铸铁型材比砂铸铸件断面组织更加均匀，具有优良的加 工性能。 ( 8 ) 连铸生产各工艺参数可自动控制，有利于满足大批量生产条件下对毛坯质量稳 定性的要求。 ( 9 ) 生产成本低、节材、节能、无污染、生产周期短、效率高。 1 3 铸铁型材的组织性能特点 由于铸铁型材是在水冷石墨型内成形的，石墨型高的导热系数使得冷却速度非常高， 结晶器的激冷作用使得组织非常细小，良好的补缩性能使得致密度明显高于一般砂型铸 件，综合机械性能得到明显提高，且生产工艺成熟，质量可靠，成品率高达9 5 ，使成 本下降2 0 , - 4 0 ，具有其它铸造方法无可比拟的成本和性能优势。 1 3 1 铸铁型材的组织特点 由于水平连铸技术工艺的特殊性，与砂型铸造工艺相比，用该工艺生产的铸铁型材 有以下组织性能特点。 ( 1 ) 化学成分特点：铸铁型材凝固速度较高，在成分上选择了稍高的碳当量，避免 出现白1 3 组织t 9 1 , ( 2 ) 组织特点：普通灰铸铁型材表层为细小片状石墨( 外周为一层细小的d 型石 墨，内部为相对细小的a 型石墨和铁素体及珠光体基体) 。球墨铸铁型材组织中石墨球细 小圆整，球化率高，球数多，无晶间碳化物，正常状态下型材表面的球数可达9 0 0 个m m z ， 垅半径处有6 0 0 个m m 2 ，心部也有5 0 0 个m m 2 以上1 1 0 1 0 铁素体基体球铁仃b - - 4 0 0 - - 5 0 0 n m m 2 ，6 = 1 0 2 5 ；珠光体与铁素体混合型基体球铁仃b = 5 0 0 , - 6 0 0 n m m 2 ，6 = 7 1 0 ；珠光体基体球铁仃b = 6 0 0 , - 、, 7 0 0 n m m 2 ，艿 2 t i l l 。经热处理后可以获得各种需要 2 1 绪论 的基体组织和性能。此外，在连铸球铁型材中，由于沿断面石墨球的大小、数量是不同的， 因而基体组织也有所不同。在表层，由于显著的激冷作用，石墨球细小、圆整度高、数量 多。愈向型材内部，受激冷作用影响越小，石墨球径越大，数量越少。 1 3 2 铸铁型材的性能特点 a 灰铸铁型材的力学性能 通过对不同直径的灰铸铁型材及砂铸的棒材对比测定发现铸铁型材的力学性能具有 以下特点t 1 2 l ： ( 1 ) 虽然连铸圆灰铸铁型材的碳当量均高于砂型铸件，但强度要比砂型铸的高出 5 0 6 0 m p a 。 ( 2 ) 弹性模量高达1 o 1 3 x 1 0 5 m p a ，而一般的砂型铸棒为0 7 1 0 x 1 0 5 m p a 。 ( 3 ) 虽然组织中铁素体量多，但其布氏硬度仍比同直径的砂铸棒材高出h b 3 0 5 0 。 ( 4 ) 连铸型材的性能受断面影响较小，具有较好的断面齐一性。 ( 5 ) 连铸型材的旋转弯曲疲劳性能( 以n ， 5 x 1 0 6 而未断裂的应力值确定) 比砂铸 试样的高5 0 1 1 3 1 。 b 球铁型材的力学性能 表1 1 为球铁型材和普通球墨铸铁的力学性能比较1 1 4 1 由于连铸球铁型材组织中石 墨球多而细小分散，与砂型铸件相比在强度相近条件下，断后伸长率均有较大提高。 表1 1 连铸球铁型材和普通球墨铸铁的力学性能 t a b 1 一lt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f c o n t i n u o u sc a s t i n gn o d u l a ri r o na n do r d i n a r yn o d u l a ri r o n 注：l z 代表连续铸造；q t 代表球墨铸铁。 表1 2 为连铸球铁9 0 0 保温2 h 后，2 3 5 c 等温2 h 获得的等温淬火a d i 与砂铸等温 淬火a d i 的力学性能对比数据1 1 5 1 0 通过表中数据可以明显看出，连铸a d i 和砂铸a d i 在球化等级相同的情况下，硬 度稍高，石墨球大小高一个等级，抗拉强度高出2 0 m p a ，断后伸长率提高了6 。 西安理工大学硕士学位论文 表1 2 连铸a d i 和砂铸a d i 的力学性能 t a b 1 2t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f c o n t i n u o u sc a s t i n g a d ia n do r d i n a r ya d i 铸铁型材的组织致密，使其耐压性和耐气密性较砂型铸件得到显著提高。表1 - 3 为 西1 3 0 和q 1 6 0 铸铁型材耐压性试验结果9 1 6 1 。 表1 3 铸铁型材的耐压性试验结果 t a b 1 - 3t h et e s tr e s u l to fc o n t i n u o u sc a s t i n gi r o np r e s s u r ew i t h s t a n d 1 4 铸铁型材的应用范围 经过几十年的不断发展，水平连铸铸铁型材的种类已由当初的灰铸铁发展到合金铸 铁、球墨铸铁、合金球铁、奥贝专用球铁及耐蚀铸铁等多个品种。水平连铸铸铁型材的形 状由当初的圆形、方形、矩形等简单截面向异形截面不断发展。据文献1 1 0 , 1 7 - 2 0 1 报导，工 业发达国家在许多重要领域广泛应用铸铁型材，并且在使用铸铁型材代替砂型铸铁、铸钢、 铜基合金等方面取得了很多实际应用经验。德国t e c h n i c a - g u s s 公司七十年代初生产圆形 截面型材占6 0 ，方形型材大约占3 0 ，其它大约占10 。异形截面型材也得到了应用， 如汽车用轴承盖等。英国七十年代就生产了矩形、方形截面、凹形及特殊异形截面铸铁型 材，并开发了连铸铣床工作台等1 2 1 1 八十年代连铸铸铁型材毛坯的产量已达到了机床制 造业所用铸铁件的2 1 2 1 1 1 另外据文献因1 报导1 9 8 5 年美国已经可以生产2 6 种不同形状 截面型材；1 9 7 5 年由日本神户制铁所提供的型材在液压、气动行业占3 5 ，一般产业占 2 0 ，汽车动力占1 0 ，电力工业机械占5 ，纺织机械占5 ，金属模具占5 ，其它行 业占2 0 t 2 2 1 0 铸铁型材由于成本低，组织细小致密，切削加工性能好，力学性能高及耐压性好等优 异性能，已开始在液压、机床、冶金机械、印刷机械、纺织机械、制冷机械、农业机械、 食品机械、通用机械、铁路运输、石油钻探及模具等行业中得到推广应用眨3 。2 4 1 。从目前 推广应用过程中所得到的信息看，在国内应用较多的是液压、制冷机械、通用机械等行业。 应用较多的如液压件的通用阀体、旋转式空调压缩机滚动活塞、铁路机车转向架奥贝衬套， 通用机械设备零件等，并取得良好的经济效益和社会效益t 2 5 - 2 6 1 0 4 1 绪论 表1 4 为铸铁型材在以上行业内应用的具体实例t 2 7 1 并且由铸铁型材所加工的零部 件已成为相应零部件的升级换代产品1 3 1 。 表1 4 铸铁型材的应用领域 t a b 1 - 4t h ea p p l i c a t i o nd o m a i no fc o n t i n u o u sc a s t i n gi r o n 近年来，液压件行业一直是水平连铸铸铁型材推广工作的重点。随着液压行业的快速 发展，对液压件需求量的增大及对液压件各项性能的要求不断提高，液压件铸件质量问题 己经成为制约我国机械产品质量提高的老大难问题，“跑、漏、渗 现象比较严重。针对 这一情况，我们选择了一些典型零件，如液压阀、集成块、油缸导向套活塞等，改铸铁件 为铸铁型材加工成型，取得了比较显著的效果。铸铁型材推广工作的另一个重点就是引进 设备的零配件的国产化，如无锡纺织机械厂引进西德的强力绞丝机上槽筒轴；西安东方机 械厂和南京金陵机械厂引进美国冰箱压缩机上的转子和( 滚套) ；东风汽车公司引进美国 汽车发动机上的奥贝球铁齿轮等。这些零配件的要求很高，用铸铁型材加工可使毛坯报 废率大幅降低2 4 1 。 1 5 国内外水平连铸技术的发展历程及发展现状 1 5 1 国外水平连铸技术发展历程 1 9 5 2 年a n m y a s s o y d o v 和i d d u d n i k 提出了铸铁水平连续铸造报告，在报告中第 一次提出了用水平连铸工艺生产铸铁型材，1 9 5 4 年h a r o l d a n d r e w s 公司解决了水冷结晶 器的密封系统，成功地用于垂直连铸机上并开始试生产铸铁型材，接着，英国的s h e e p b r i g ea l l o yc a s t i n g 公司研制出世界上第一台水平连铸机，1 9 5 8 年瑞士的w e r t l i 公司设计 并制造出世界上第一台短结晶器密封式水平连铸机，并在r i e t e r 公司投入工业化生产，开 辟了铸铁型材工业化生产的先河。此后，美日德俄( 原苏联) 等国相继引进、开发此项技 术。6 0 年代美国w e l l sm a n u f a c t u r i n g 公司从瑞士引进设备6 台，从原西德引进4 台，成 为世界上产量最大的铸铁型材生产厂。6 0 年代末，日本神户铸铁所从原西德引进设备， 经消化吸收后又自制了多台设备，铸铁型材年产量超过3 万吨。随后各先进国家也相继引 5 西安理工大学硕士学位论文 进设备及生产技术。如今，德国的t e c h n i c a - g u s s 公司的水平连续铸造机有5 4 种类型，分 布在多个国家，其中三分之一用于铸铁型材的生产，每条生产线只需l 2 人控制。瑞士 的w e i t l i 公司已制造了1 3 0 台水平连铸机提供给世界2 0 多个国家应用，不仅生产灰铁、 球铁，而且掌握了生产高c r 及n i 的白口铸铁生产工艺。目前拥有比较成熟和先进的铸铁 型材连续铸造技术的主要国家有瑞士、德国、美国、日本等工业发达国家1 2 9 - 3 4 | 。 1 5 2 国内水平连铸技术发展历程 我国于上世纪8 0 年代中期开始研制铸铁型材水平连铸机，1 9 8 6 年由西安理工大学( 原 陕西机械学院) 在实验室建成了试验装置，并制造出直径为6 0 m m 的连铸型材，后在机 械部组织下，由西安理工大学负责，西安交通大学、清华大学和山川机床铸造厂参加的“七 五”国家科技攻关项目于1 9 8 6 年开始“稀土镁球墨铸铁型材水平连铸设备、工艺及组织性 能的研究 项目，合作研制生产设备和工艺，1 9 8 7 年研制出z s l o l 型生产线，并投入了 批量生产，年产量为1 0 0 0 吨，可生产鳓o 垡 1 5 0 毫米的圆截面灰铁和球铁型材。1 9 9 2 年 再次研制出了z s l 0 2 型连铸生产线，实现了全线半自动化，年产量为2 0 0 0 吨，可生产 烈o 西2 5 0 毫米的圆形及非圆形截面的铸铁型材。与此同时，沈阳元众铸铁型材制造有限 公司与沈阳铸造所联合引进瑞士w e r t l i 铸铁水平连铸机开始生产铸铁型材，并且由此设计 了l z x l - 2 0 型铸铁水平连铸机t 4 1 至今，国内已有7 家企业安装了该机型生产线。自1 9 9 1 年起，我国自行设计的连铸机投放市场，标志着该项目作为成熟技术，在我国进入了工业 化生产阶段。迄今为止，该项技术已在山西、河北、河南、江苏、陕西、辽宁等地建成了 八条生产线，为我国铸铁型材生产打下初步基础，但所形成的生产能力仍远不能满足市场 发展的需要 。 1 5 3 国内外发展现状 进入新世纪，国际市场竞争日趋激烈，原材料、能源以及劳动力价格的增长对铸铁型 材产品参与市场竞争提出了新的挑战，连铸生产企业只有不断提高产品的质量和增加产品 的附加值以及降低产品的生产成本，才能在市场竞争中立于不败之地。目前，拥有比较成 熟和先进铸铁型材连续铸造技术的国家( 如瑞士、韩国、德国、美国、日本等) 在铸铁型 材生产工艺方面都向生产控制自动化、型材截面尺寸多元化、型材截面形状多样化、型材 种类全面化等方面发展1 3 6 - 3 7 1 。 生产工艺控制自动化，也称生产工艺控制仪器化，就是在铸铁型材生产中需要严格控 制的工艺环节使用仪器来控制。众所周知，在铸铁型材水平连铸技术中，熔化铁水的温度 及化学成分、保温炉膛温度，铁水成分及液面高度、结晶器水冷系统的冷却速度、拉拔工 艺参数等工艺因素对铸铁型材的性能产生重要影响。若采用仪器化控制手段，使得各个控 制单元都通过仪器反应的数据来表征，对连铸工艺参数进行有效定量监控和优化分析，才 能保证连铸过程的顺利进行，减少生产的盲目性，降低连铸型材废品率，进而降低连铸产 品的生产成本。实现连铸控制工艺要素参数化，发展生产工艺控制自动化是未来连铸企业 6 1 绪论 发展的主要方向。 型材截面尺寸多元化是指在目前市场竞争及市场需求下，依据客户需要来生产所需截 面尺寸的铸铁型材。目前国内市场上主流尺寸在西3 0 西3 0 0 内，在这种情况下，如果生 产的型材截面尺寸多样化，最小尺寸可以做到咖3 0 以下，最大尺寸做到面，5 0 0 甚至更大。 型材尺寸越小，其组织越致密，组织均一性大幅提高；尺寸越大，可以扩大铸铁型材应用 范围，在某些领域甚至可以替代钢材。实现型材截面尺寸多元化，是增强铸铁型材在多元 化市场上赢得客户信赖和提高产品占有率的有效手段。 在小直径铸铁型材方面，西安理工大学时胜利等人做了大量研究并开发出了双流小直 径水平连铸生产设备，在保证产品质量的前提下，显著地提高了生产效率。该技术在国内 目前处于领先水平t 3 8 1 。 型材截面形状多样化指的是依据客户需要来生产不同截面形状的铸铁型材，这样可以 扩大型材产品的应用范围，最大限度地降低客户的生产成本。如客户需要一个正六边形的 等截面铸铁型材，一种做法是用圆截面的铸铁型材通过切削加工来完成，另一种做法就是 通过连铸企业工艺改造直接生产出正六边形等截面铸铁型材，这种方法使得产品加工余量 大大降低，不仅为客户节省了生产成本，而且提升了型材产品的附加值。 型材种类全面化指的是依据客户需要可以生产出球墨铸铁型材、灰铸铁型材、白口铸 铁型材和其它合金铸铁型材。在机械行业中，机构零部件载荷条件不同，对材料力学性能 要求不同，所选用的材质也不尽相同。不同的材料需求带动了早期钢材和其它材料的迅速 发展。在机械结构设计中，和钢相比，虽然铸铁种类很少，其材料自身潜力没有得到更深 层次的挖掘，因而制约了铸铁的发展，然而铸铁却具有廉价、良好铸造性能以及特殊的力 学性能等方面的优势。在当今市场原材料价格不断提升的背景下，如果采用新工艺、新方 法能生产不同性能的铸铁产品，则可在保证产品质量的前提下大幅度提升机械产品性能。 通过对铸铁水平连铸技术做进一步的改进，对铸铁型材产品性能做进一步的改善，可明显 扩大型材产品在机械制造行业的应用范围。 国内连铸企业也是在这样的背景下不断发展壮大的，目前国内原材料、能源和劳动力 价格均得到了大幅提高。铸铁水平连铸技术应该在保证产品质量的前提下着眼于降低生产 成本或开发出具有更优异性能的连铸型材产品。 1 6 问题的提出 水平连铸铸铁型材按石墨形态主要分为两大系列：灰铸铁型材和球墨铸铁型材( 简称 球铁型材) ；按基体组织主要分为珠光体基体和铁素体基体两大系列。就同一种铸铁型材 而言，珠光体基体的铸铁型材较铁素体基体的铸铁型材具有更高的强度。在实际生产应用 中，珠光体球铁型材占实际应用的主体地位，称为高强度铸铁型材。为了得到高强度铸铁 型材，人们除了一方面通过改进球化处理和铸造工艺来改善石墨球的大小、数量和分布； 另一方面，在改善基体组织方面也做了很多的研究。迄今为止，人们对基体组织的改善可 采取的方法主要有两种：一种是加入合金元素，使型材在连铸过程中基体组织直接转变为 7 西安理工大学硕士学位论文 珠光体；另一种是对铸态的型材进行正火热处理，通过热处理使其基体组织转变为珠光体。 两种方法虽然都能得到高强度铸铁型材，但由于前一种方法需要加入贵重的合金元素、后 一种方法需要大量的电能消耗，它们都会使型材的生产成本大幅度增加，降低了铸铁型材 的技术经济效益。 1 7 本课题的研究任务和意义 随着近年来合金材料和能源价格的不断上涨，高强度铸铁型材的优异性能与高生产成 本之间的矛盾日益突出。本课题根据连铸球铁铸铁型材的生产特点，在保证型材球化良好 的前提下，探索一种既不加入合金元素，也不进行热处理，但仍可得到高强度铸铁型材的 新方法，在迸一步提升铸铁连铸技术水平的同时，可望将其生产成本大幅度降低，从而显 著提高铸铁型材的技术经济效益。 铸铁型材水平连铸的一个重要特点是型材移出结晶器时并未完全凝固，凝固的外壳里 边还有大量的液芯，较普通铸造而言，相当于“铸件”在很高的温度就脱离了“铸型 而 裸露出来，这样的特点就使得对“铸件”直接喷水冷却成为可能。实际生产中，型材一移 出结晶器，便受到喷水冷却，此刻，型材的表面温度在9 0 0 左右，而芯部温度高于液相 线。喷水的目的是为了提高生产率以及防止拉漏事故。喷水持续到型材内部凝固基本结束 为止，通常称为“二次喷冷 3 们。本课题提出的技术思想是球铁型材连铸“二次喷冷 工艺之后，当球铁型材温度处于共析温度与共晶温度区间时再一次进行喷水冷却，简称“三 次喷冷 ，在此温度区间通过提高冷却速度，使型材的基体组织共析转变后成为珠光体， 从而提高型材的强度，得到高强度铸铁型材。 铸铁水平连铸技术是我国国家科技成果重点推广项目，目前已在国内十余省市建立了 铸铁型材生产线，形成了年产约5 万吨的生产能力，国家相关部门正在积极组织制定其技 术标准。作为用于机械加工制造行业的一种新型工程材料，铸铁型材因其特有的优良性能 已被列入机械工程材料手册，其产量和应用范围正在迅速扩大。根据国际上铸铁型材应用 比较广泛的多个国家的统计数据看，铸铁型材约占铸铁件产量的5 。我国目前的铸件产 量约一千三百万吨，以此推算，仅国内近期的铸铁型材需求量便可达6 5 万吨。该项技术 成果推广应用后，每吨高强度铸铁型材可以节省合金材料或热处理成本约5 0 0 元，每年国 内高强度铸铁型材的生产成本可因此降低3 2 5 亿元。可见，该项技术成果具有广泛的推 广应用前景，可为国内企业带来显著的经济效益。 1 8 本课题研究的内容、关键技术和研发目标 本课题研究的主要内容包括： ( 1 ) 由于球铁型材中石墨形态对铸铁型材的强度有明显影响，也影响到铸铁型材的 抗疲劳强度。另外，细小圆整的石墨球对金属基体的割裂作用最小，在“三次喷冷”工艺 中不易造成应力集中而使型材出现裂纹源而发生断裂事故。另外，球状石墨对铸铁强度的 贡献可使铸铁型材的强度提高一个等级。为了保证型材具有良好的球化效果，需对铸铁型 8 1 绪论 材球化处理工艺做进一步改进。 ( 2 ) 铸铁型材的表面缺陷( 表面“拉伤”和“疤皮”缺陷) 一直是困扰连铸界多年 的技术难题，影响了铸铁型材的“三次喷冷 工艺方案的实施。此时，“三次喷冷”工 艺的实施会导致型材表面应力集中而出现表面微裂纹，这时型材会出现开裂问题，从而出 现拉断事故，直接影响铸铁型材连铸生产过程的进行。因此，研究型材表面拉伤和疤皮缺 陷形成的机理和解决措施也是本次课题的任务之一。 ( 3 ) 在对上述工艺做出机理分析并通过实施改进工艺，得到了球化效果良好和表面 无拉伤、疤皮缺陷的球铁型材，最终在型材温度高于并接近共析转变点的位置，设置喷水 冷却环节，研究：a 在连铸生产过程中，进行“三次喷冷 是否可以直接促使铸铁型材经 共析转变成为珠光体组织；b “三次喷冷”的工艺因素对珠光体转变的影响规律；c “三 次喷冷 是否有其它负作用。 本课题的关键技术在于重点研究“三次喷冷 的工艺因素诸如：喷水的形式、喷水的 强度、喷水的覆盖面积等对于铸铁型材珠光体转变的影响。 本课题的研发目标在于确定出“三次喷冷 各工艺因素的优化组合，使铸铁型材基体 组织在较大的冷却速度下经共析转变使基体中珠光体的数量显著增加，从而达到不通过合 金化或热处理而得到高强度铸铁型材的目的。这样，可以大幅度降低高强度铸铁型材的生 产成本。实现低成本下通过水平连铸“三次喷冷 工艺得到高强度铸铁型材。 9 西安理工大学硕士学位论文 2 铸铁型材的制备和强化措施 2 1 铸铁的物理冶金理论基础 铸铁型材水平连铸技术是按照连续铸造工艺得到铸铁件的一种特殊铸造方法，它的冶 金过程符合铸铁凝固基本理论，其基体组织的改变遵循铸铁固态相变原理。 2 1 1 铸铁的第一阶段石墨化 a 铁碳合金双重相图 铸铁中碳以石墨和渗碳体两种形式出现，石墨是稳定相，渗碳体是一个亚稳定相，其 在热力学上是不稳定的，在一定条件下其将分解为石墨。根据铸铁成分和冷却速度的不同， 铸铁的结晶过程和组织形成规律，可用f e f e 3 c 相图和f e c ( 石墨) 相图综合在一起形成 的铁碳双重相图来描述。如图2 1 为铸铁凝固双重相图，其中实线表示f e f e 3 c 相图，虚线 表示f e c ( 石墨) 相图。铸铁凝固到底按照f e f e 3 c 相图凝固还是按照f e c ( 石墨) 相图 凝固，主要取决于铸铁凝固过程中的第一阶段石墨化程度 4 0 1 。 p ： 瑙 赠 c o c 1 0 0 图2 - 1 铸铁凝同双重相 f i g 2 - 1t h ed o u b l ep h a s ed i a g r a m s h uo f c a s ti r o ns o l i d i f i c a t i o n b 铸铁石墨化过程的热力学和动力学条件 铸铁灰口凝固的本质是碳原子在凝固时以石墨形态析出，即铸铁的第一阶段石墨化。 广义讲，凡是非晶质碳通过高温( 或高压) 使碳原子扩散聚合结晶成石墨的过程，均叫石 1 0 2 铸铁型材的制备和强化措施 墨化。在铸铁的石墨化过程中，铁液中的碳不以渗碳体而以石墨形式析出。 ( 1 ) 热力学条件 图2 2 是铸铁中各种组织自由能随温度而变化的曲线。由图中可以看出： 世 口口 姐 丑 皿 1 1 4 子1 1 5 4 温度t c 图2 2 铸铁中各种组织自由能随温度变化曲线 f i g 2 2t h ef r e ee n e r g yc h a n g eo fa l lc l a s so ft i s s u ev i at e m p e r a t u r ei n c r e a s ei nc a s ti r o n l 、当温度高于l1 5 4 时，由于共晶液体的自由能值f l 最低，因此不会发生任何相变。 2 、当合金过冷到1 1 5 4 。c 1 1 4 8 。c 范围时，共晶液体自由n 。g “