铁合金浇铸

铁合金浇铸(ferroalloy casting)

将液态的铁合金(俗称铁水)注入模中使之凝固成锭的工艺过程。绝大多数品种的铁合金生产为火法冶金过程。除铝热法、钨铁和真空固态脱碳法还原产品之外，铁合金的火法冶金过程最终都得到液态的铁合金。除粒化外，浇铸是将液态铁合金变成固态铁合金最常用的方法。其所用的设备多为铁水包、锭模、浇铸机等。

浇铸方法按所用设备的不同，铁合金浇铸有地坑(场地)浇铸、锭模浇铸和浇铸机浇铸3种方法。

地坑(场地)浇铸法在一个特殊构造的地坑内完成铁合金的浇铸。地坑的底部和侧壁，预先铺好与所浇铸的合金有类似成分的固体合金，然后注入液态合金，并使之尽可能覆盖整个地坑，形成薄薄的一层，铁水即迅速凝固。凝固后的铁合金，经过一定时间的冷却之后，其上可以再次注入液态合金。如此多次浇铸，使整块合金厚度达到1200～1800mm，充满整个地坑。采用地坑浇铸法时，在浇铸场地内至少应有两个地坑，轮流使用。一个地坑进行浇铸，另一个进行取铁和浇铸的整理准备工作。地坑浇铸法的特点是劳动生产率高，不消耗锭模，生产费用低，但其劳动条件较差。

锭模浇铸法在一组或一个个锭模中进行铁合金的浇铸。所浇铸的合金品种和冶炼设备容量的不同，所用锭模的大小和材质也不同。锭模在使用前要进行预热并喷洒涂料，受冲刷严重的部位还要垫上与所浇铸的合金有类似成分的铁合金(垫铁)。铁水注入锭模的速度和方法也是不同的，例如硅铁采用分层多次浇注，中碳锰铁、电炉金属锰采用盖渣浇铸(渣铁同时注入锭模，熔渣浮在上面，形成渣盖)。合金凝固并经过一段时间的冷却之后，取出合金锭。锭模在做好喷洒涂料和垫铁等准备工作之后，可再次投入使用。锭模浇铸法的特点是灵活性大，适应任何品种铁合金的浇铸，劳动条件较好，但其劳动生产率较低，费用较高。中国多采用这种方法。

浇铸机浇铸法在浇铸机内完成备模、注入合金、脱模等整个浇铸过程的所有工序。盛满液态铁合金的铁水包，用桥式起重机或铁水包倾翻装置将铁水连续缓慢倒出，经过流槽注入移动式的锭模，合金在锭模中凝固成锭，待其温度自然(或辅以喷水)冷却降至一定程度之后，锭模倾翻倒出合金锭(脱模)。空锭模经过喷洒涂料并铺垫一些合金底料后重新使用。浇铸机浇铸法的特点是生产率高，劳动条件好；但其投资大、生产费用也大。

浇铸方式按其工艺位置的不同，铁合金浇铸有直接浇铸和铁水包浇铸两种方式。直接浇铸是从电炉出铁口流出液态铁合金，经渣铁分离后，直接流入浇铸地坑、锭模或浇铸机内

完成浇铸工作。其优点是中间操作环节少，金属收得率高，生产费用低；缺点是对出铁操作要求严格，需保持铁水流量稳定且应达到渣铁分离良好。铁水包浇铸则是从电炉出铁口放出的合金先盛入铁水包内，然后将铁水包通过起重运输设备运至适当位置进行浇铸。这种浇铸方式的优点是对出铁操作要求不严格，甚至渣铁分离也可在铁水包内进行，浇铸位置可根据需要而改变；其缺点是中间操作环节多，生产费用高。中国通常采用这种方式。

铁水包在非直接浇铸方式中，用于盛放、运输液态合金的设备。此外，它还经常起渣铁分离的作用，即合金与熔渣从出铁口放出之后流入铁水包内，合金因比重大而留在包内，熔渣则上浮并从溢渣口溢出。有时还在铁水包内进行炉外精炼。盛放各种液态铁合金的铁水包，主要有两类，即有衬铁水包和无衬铸钢铁水包。

有衬铁水包由包体和内衬两部分组成。包体是一钢结构体，由包壳、耳轴、浇铁口和溢渣口等组成。包壳由普通钢板焊制。用于吊运铁水包的耳轴铆固在包壳上。浇铁口和溢渣口则直接焊在包壳上，并大都位于铁水包的上部；有的铁水包将浇铁口和溢渣口合并在一起。设在铁水包上部的浇铁口和溢渣口实际上是一短流槽。熔渣或合金通过此流槽溢流入渣罐内或进行浇铸。锰硅合金和硅铬合金铁水包的浇铁口常常装在外壳侧壁的最下端。因为这一类铁合金在铁水包内较长时间镇静后，将有碳化硅(SiC)从合金中析出并上浮，从而使铁水包内下层合金中的碳含量降低。在下端装设浇铁口，可以做到分层浇铸，得到不同碳含量的产品。同时可保证上浮到渣中的SiC不会被金属再次吸收。设在铁水包侧壁下端的浇铁口，其外侧有一插板，插板下有一小短流槽。在盛接铁水之前，浇铁口先用耐火材料封死并用插板挡住，以防因铁水压力过大造成“漏包”事故。浇铁前取下插板，去掉封堵浇铁口的耐火材料，铁水即流出。改变铁水包的倾翻速度或倾角(适用于带下浇口的铁水包)，可以调节浇铸速度。

铁水包内衬一般由3层组成。最外层(即与铁水包包壳直接接触的一层)是隔热层，其作用是保温和防止包壳变形，一般采用耐火纤维毡或石棉板衬筑。第2层是保护层，其作用是当工作层被蚀薄时防止漏穿事故，一般采用黏土砖砌筑。最内一层是工作层，根据所盛接合金的不同，采用不同材质的耐火材料。多数品种铁合金用的铁水包工作层为黏土砖内衬，硅钙合金采用碳质材料内衬，中、低碳铬铁和微碳铬铁则采用镁砖内衬。

新砌筑的铁水包，在使用前需用煤气、焦炭或木料进行烘烤。烘烤后的铁水包，除去内衬中的水分，以减少爆炸危险，并避免向合金中侵入氢。且烘烤后的铁水包内衬形成一个整体，可提高其耐冲刷、耐侵蚀的性能，延长使用寿命。

无衬铸钢铁水包使用前先在包内挂上一层炉渣，作为铁水包的内衬，然后再盛接铁水。所挂炉渣要求熔点高、不会因与合金发生反应而造成合金的污染。一般来讲，中、低碳锰铁、低碳和微碳铬铁等多采用无内衬的铸钢铁水包，高碳铬铁因其炉渣熔点高也可使用这种铁水包。其结构由包体和耳轴两部分组成。包体上带有溢渣口。铸钢包体的壁厚通常不小于50～80mm。壁厚过小则包体容易变形难以保证其坚固性，同时挂渣层的厚度也薄，使用将不安全。耳轴直接铸在包体内，其位置应高于包重心200mm左右，以保证铁水包吊运过程中的稳定。

锭模用于容盛液态铁合金并使之在其中凝固成合金锭的器具。铁合金作为炼钢的脱氧剂和合金添加剂，使用时一般是以块状(个别品种以粉剂或芯线状态)加入盛钢桶内的。因而对铁合金锭的要求主要是化学成分均匀、致密、夹杂物少，便于加工成所需的块度或细粉状。不同品种的铁合金，其凝固温度不同，凝固后的结晶组织转变也不同，铁合金锭的机械性能相差很大。为了得到便于加工的铁合金锭，需采用不同材质、不同模铁比的锭模，以达到不同凝固速度、不同冷却速度的效果。大体上说来，铁合金浇铸常用的锭模有3类：铸铁锭模、衬渣锭模和碳质锭模。

铸铁锭模多呈上口为矩形的浅盆状。硅铁、微碳铬铁等锭模深度为100mm左右。这种浅锭模能使合金迅速凝固，防止化学成分偏析；还可使韧性合金增加脆性，有利于下步精整和破碎成块。锰铁、锰硅合金等采用较深些的锭模，其深度为150～200mm。锭模的宽度和长度可根据操作的方便而调整，一般为1000～3000mm。为了脱模方便，锭模内壁要有一定的斜度，一般与水平面的夹角为30。～40。。模铁比对铁水初凝和提高锭模使用寿命有很大关系。硅铁、微碳铬铁等的模铁比取10～15，高碳锰铁、锰硅合金取3～4较为适宜。铸铁锭模损坏的主要表现是其表面严重龟裂、冲刷侵蚀成深坑以至于造成脱模困难和锭模炸裂等。选择合适的材质也是提高锭模使用寿命的重要措施。铸铁中的磷会降低铸件的导热性，同时磷共晶与金属基体有不同的热膨胀系数，会增加锭模开裂倾向，故应严格控制磷含量，最好是小于0.1%。铸铁锭模表面的龟裂与模子表面的局部氧化和铸铁生长(由于铸铁结晶组织转变而使其体积增大，同时结构也变得疏松)有关系。铸铁中保持硅含量为1．4%～1．9%和加入少量的铬(如0.2%～0.5%)，能提高锭模受热抗氧化的能力和降低铸铁生长速率，从而减少锭模内表面的龟裂，提高锭模使用寿命。此外，在操作上注意控制合金的浇铸温度、锭模自身温度，做好喷刷涂料和局部垫铁工作，都有利于提高锭模的使用寿命。有的厂家采用拼装式铸铁锭模。这种锭模便于制造，可部分更换其中已严重损坏的铸件是它的优点。