RQTSi5中硅耐热球墨铸铁生产实践

RQTSi5中硅耐热球墨铸铁生产实践
在工业生产中有些铸件常在高温下工作,如各类炉子的配件、石油化工、冶金设备等等附件，由于它们受到高温的作用，容易发生破坏，为提高其寿命，要求铸铁在高温下具有抵抗破坏的性能。

长期以来较为重要的耐热零件是使用高合金钢制造，生产难度大，且成本也高，而用廉价的普通灰铸铁代替合金钢虽成本低，但耐热效果又不如合金钢好，因此就出现了具有抗氧化、抗生长性能的耐热铸铁。

我国国家标准GB9437-88〈〈耐热铸铁件〉〉中有铬系、硅系与铝系三种类型的耐热铸铁与耐热球球铁，它们都具有不一致的耐热效果与不一致的用途。

国内虽有少量生产但生产的厂家不多，因此这类耐热铸铁常常用普通灰铸铁代替，效果差，寿命低，不能满足需求，因而耐热铸铁有一定的市场。

我厂是专业铸造厂，只生产普通灰铸铁，有一些客户需要耐热铸铁，我厂又不能满足，只能到别处去做或者改为普通灰铸铁代替，这与专业铸造厂的称呼不相称。

为习惯改革开放新的形势，扩大我厂产品的品种，提高经济效益，工厂提出开发中硅耐热球铁的任务，经研究决定在本厂退火炉门、炉框与熔铝坩埚等铸件上进行中硅耐热球铁试生产，现小结如下：
一、铸铁的高温破坏
铸铁在高温时比较容易破坏的原因是氧化与生长两者之故。

1、铸铁的氧化
在高温下铸铁氧化开始是在铸铁表面很快产生一层氧化膜，这层膜在570℃以上从外向内形成Fe2O3 与Fe3O4及FeO三层，这三层厚度之比约为1：10：100，能够看出氧化层中要紧是大量的FeO,若与Fe2O3 及Fe3O4比较起来FeO的结晶不完整，比重小，故很容易为铁原子或者氧原子所穿透，因而氧化加剧了。

假如在铸铁中加入一些铝、硅与铬等元素，能在铸铁表面产生一层致密的具有优良保护性的Ai2O3 、SiO2与Cr2O3氧化膜，这层膜起到了保护作用使氧不易透过，减轻了进一步的氧化，提高了铸铁的抗氧化能力。

2、铸铁的生长
铸铁的生长是随高温及时间的增加，铸铁的体积有了不可逆转的增长，体积膨胀，然而当温度重新降下来时，体积不能复原，发生比重下降，
强度下降，变形龟裂等现象，使铸件破坏。

其原因是加热时氧通过铸件上的微孔、裂纹及石墨片深入到铸铁的内部，氧化了铁、硅、锰等元素，该氧化物的比重小于铁，因此体积发生了不可逆的增长，即内部氧化是生长的重要原因。

中硅球铁之因此具有好的耐热性能，正是由于它含硅量高，在高温下铸件表面形成较坚实的SiO2膜，隔绝了氧进一步的氧化，也正由于石墨成为球状，石墨之间相互不连续，孤立存在，氧不可能通过球装石墨深入到内部氧化，因此抗生长性也很好，从下表1中可知中硅球铁在900℃时的生长量与氧化增重量都比中硅铸铁及普通灰口铸铁小，因而耐热效果好。

二、中硅耐热球铁化学成分的确定
1、硅量的选定
在球铁中，硅达到一定含量时能提高材质的抗拉强度，屈服强度与硬度，但明显地降低塑性与韧性，硅对球铁机械性能的影响见图1.当硅含量达5%时，抗拉强度达最高值，硬度也很高，但延伸率与冲击韧性却很低，脆性很大。

由此看出硅对中硅球铁脆性的影响是非常敏感的。

在冲天炉熔炼过程中，严格操纵含硅量是非常重要的。

有关资料介绍，当硅含量达4.0% 以上可使球铁的抗氧化、生长性能显著改善。

增加含硅量，除了改变抗氧化，还能改善抗硫的腐蚀能力。

当球铁含硅量为4.42%时，工作温度为850℃，加热150小时的平均氧化速度不超过0.5克/米2·小时，其生长率不超过0.2%而含硅5~6%的耐热铸铁在工作温度900℃加热150小时的平均氧化速度高达 3.6~8.7克/米2·小时，生长率为0.21~0.84%，鉴于上述情况，我们将中硅球铁的硅含量操纵在4.7~5.3%，
超过5.3%时材质变得更易脆裂。

2、锰量的确定
锰是一种反石墨化元素，锰含量过高时不但降低中硅球铁的耐热性(易出现珠光体相，破坏了单相组织)，而且降低其性能(降低流淌性，加大形成缩孔倾向，使球铁变得硬而脆),因此锰含量越低越好，锰最好在0.3%下列，在熔炼过程中通常不加锰。

3、磷与硫
众所周知，对球铁来说，磷与硫是有害元素，对耐热球铁来说更是如此，因此，大磷、硫含量越低越好。

三、中硅球铁铁水的熔化与处理
1.铁水的熔炼与硅量的操纵
我们使用5t/小时,喷氧熔炼酸性冲天炉熔化铁水,在熔炼过程中,硅元素在铁水中的增减情况较为复杂,如何把硅稳固地操纵在 4.7~5.3%范围内就成为熔炼工作的技术关键,我们从下列几方面进行操纵:
1.1严格炉料管理
原材料要通过严格选择与认真化验,务必保证金属炉料都要严格过秤.
1.2在熔炼过程中,硅元素的烧损与硅合金的汲取率是影响硅元素
增减的重要因素,为此务必稳固冲天炉的熔化状况,使硅元素的
烧损率与汲取率不发生忽高忽低的波动.
1.3出铁水量的多少,不仅影响球化化质量,而且影响硅的含量,因
此要采取必要的措施,以保证出铁水量的稳固、正确。

2.铁水的处理与操纵
我厂使用的球化剂是QRMg8RE7球化剂，使用堤坝式浇包冲入法处理中硅球铁铁水。

考虑到原铁水含硅量高，铁水温度较高（1450~1500℃），把球化剂量适当提高些，为提高球化剂的汲取率，缓解沸腾作用，确保球化处理正常，故在球化剂上加盖一层生铁屑，使反应缓慢进行。

在炉前除用金相观察外，还用三角试片快速观察，当球化及孕育处理正常时，三角试块两侧及顶部有明显缩凹，试块断面呈银灰色，组织细密，中心缩松。

四、结果：
1．化学成分（见表2）
从表2可知：93-131炉的RQSi5实际成分全部达到GB9437-88国家标准的规定，其中Si含量达到标准中间值，也同时符合选定Si含量4.7~5.3%的范围内，其性能应该是达到预期要求的。

2．机械性能（见表3）
从表3中可知：93-131炉的RQTSi5实际机械性能全部达到GB9437-88 家
标准的规定，其铸件本体硬度为HB250-265也符合标准规定。

3．金相(见图2)
从图2可看出：93-131炉RQTSi5铸态铁素体含量在85%以上，球化率2~3级，石墨大小6级，磷共晶等级硬相<0.5%.
五、使用效果
用RQTSi5铁水浇注了加热炉门、炉框及熔铝坩锅，经使用，在800℃左右的空气介质中的耐使用寿命比普通灰口铸铁高1~2倍，经济效益显著，但发现下列情况：
1．《有色金属铸造手册》规定熔化铝合金的铸铁坩锅使用RQTSi5中硅耐热球铁制造是一种较合适的材料，我们用这材料浇注成了坩锅进行试用，发现在其外部与空气介质、火焰接触的表面，抗氧化、抗变形与抗生长的效果很好，比普通灰口铸铁的耐热效果好得多，但在其内部与铝液接触部分侵蚀非常严重，如图3所示，其侵蚀程度比HT200普通灰铁制造的坩锅还要严重。

分析其原因：众所周知，硅与铝在液态时可相互溶解，溶解度极大，见图4-铝-硅二元合金状态图。

在800℃时铝液可溶解30%左右的硅。

中硅球铁的硅含量在5%左右，是HT200含硅量1.5%的三倍多，高含量的硅容易在高温下溶解到铝液中去，这就是中硅球铁坩锅在熔炼铝合金时内壁侵蚀速度比HT200普通灰口铁要快、侵蚀程度严重的要紧原因。

因此，中硅球铁耐热效果好，但不耐铝液侵蚀。

图3 熔铝坩埚内壁侵蚀示意图
图4 铝---硅二元合金状态图
2.中硅球铁件在加热时如生温速度很快或者将冷的铸件突然放到高温中,铸件承受不了热冲击,很容易断裂.分析其原因,由于中硅球铁含硅量高,造成了脆性转变温度升高,从室温刚开始加热时是在脆性范围内,受不了热冲击而造成断裂的缘故.根据有关资料介绍,含硅 4.1%的球墨铸铁脆性转变温度为150℃,而含5%硅的球铁就更高了.通常低硅球铁则低于-40℃,差距2~3百度.只有缓慢加热超过脆性转变温度后才很少出现断裂现象.因此中硅球铁不适用于加热速度快、热冲击大的铸件，如钢锭模等铸件。

六、小结
1．含硅量5%左右的RQTSi5中硅球铁铸成的铸件，在空气介质中耐热温度达800℃以上，使用寿命比HT200普通灰口铁提高1~倍。

2．生产中硅球铁的关键在于硅含量是否能操纵在范围以内，因此在冲天炉熔炼过程及处理过程中，务必严格炉料管理，操纵配料成分，操纵出铁量与严格球化及孕育处理，才能准确操纵含硅量。

3．由于中硅球铁虽在空气介质中耐热效果好，但由于硅高不能承受铝液的侵蚀（耐热但不耐铝液侵蚀），因此该材料不适合作为熔化铝合金的坩锅材料。

4．由于中硅球铁含硅量大，使球铁的脆性转变温度大大高于室温，不能承受热冲击，容易断裂，因此中硅球铁不能用于受热冲击大的铸件，如钢锭模等。

本项目要紧参加人员：卜根福、朱万柳、徐诒昕、张棣、李顺平
执笔：卜根福。