鄧守梁，萬黎明

本鋼（集團）機械制造公司 遼寧本溪 117000

1 序言

爐篦條（見圖1）是煉鐵廠燒結臺車重要零件之一，其質量對燒結臺車裝配、運轉影響較大，尤其是爐篦條的使用壽命嚴重制約著運轉成本和生產效率。當前，市場生產爐篦條的鑄造方案很多，材質設計上差別較大。有的企業(yè)采用合金鋼，有的采用球墨鑄鐵，有的采用冷硬鑄鐵及高鉻鑄鐵等。工藝方法從粘土砂鑄造、消失模鑄造到覆膜砂鑄造工藝多種多樣。但從近些年發(fā)展趨勢看，逐漸趨向消失模及覆膜砂鑄造工藝生產，材質以高鉻鑄鐵為主，產品質量有所提高，使用壽命在一年左右。一般煉鐵廠中等規(guī)模燒結線每年需要10萬～20萬件爐篦條，因此通過研究分析爐篦條失效原因，進行成分優(yōu)化及適當熔煉處理來提高使用壽命，研究高效率生產工藝方案是爐篦條生產企業(yè)應關注的問題。

圖1 爐篦條

2 爐篦條失效分析

爐篦條在承受一定靜壓力情況下，要經受常溫到1000℃左右周期性熱烘烤，同時經受含氧、硫等腐蝕性高溫氣流沖擊，致使爐篦條表面逐漸氧化、熔蝕而出現(xiàn)變形、生長甚至開裂，高溫強度不夠時出現(xiàn)變形、斷裂等，導致燒結機漏料或塌陷，嚴重影響正常生產。市場爐篦條使用壽命多在一年左右。為有效降低成本，減少停機時間，應重點在抗氧化能力強的化學成分設置、提高高溫強度及高效率生產工藝方案方面展開研究。

3 化學成分設計[1]

根據(jù)爐篦條頻繁高低溫變化的特殊使用環(huán)境及失效情況分析看，在材質選擇上應該主要提高其高溫抗氧化性能及提高高溫強度，同時兼顧合金抗蠕變性能，針對以上條件，鉻系耐熱鑄鐵符合要求。

（1）碳 合金中C元素一般以片狀石墨和碳化物（Fe3C）形式存在。隨著含碳量的增加，F(xiàn)e3C數(shù)量有所增加，這能有效提高合金在高溫狀態(tài)下的強度和耐磨性，同時片狀石墨量有所增加，基體、石墨相界增加，這加大了高溫時石墨燒損的趨勢，導致合金抗氧化、抗蠕變性能下降。當加入鉻元素時能有效增加碳化物數(shù)量，提高高溫強度，為此，將wC控制在2.0%以下。高鉻鑄鐵碳對硬度的影響如圖2所示。

圖2 高鉻鑄鐵碳對硬度的影響曲線

（2）鉻 Cr元素在耐熱合金中至關重要。高溫強度與高溫抗氧化性隨鉻含量同時增加或降低。鉻在高溫下與氧結合形成高熔點、致密的Cr2O3保護膜，這種保護膜能均勻、嚴密地覆蓋在合金表面，將合金與氧氣隔開，有效地阻止或減緩了合金由外向內的氧化，從而使合金具備抗氧化性能，且抗蠕變性能也有所提高。當合金中wCr在 12%～15%時，滲碳體將變成（FeCr）3C及穩(wěn)定的M7C3型碳化物，韌性及耐磨性提高。當wCr＞25%時，則形成穩(wěn)定的鐵素體基體組織，沒有相變發(fā)生，對耐熱十分有利，因此將wCr控制在25%～27%。

（3）鎳 Ni元素加入合金后，不與其他元素形成碳化物，完全固溶于基體中，起到固溶強化、提高綜合力學性能的作用。同時提高合金淬透性，一定程度上可提高合金的抗氧化能力，但由于價格較貴，因此一般控制在wNi＝1.0%～1.2%。

（4）錳 在合金中Mn是強烈阻礙石墨化元素，促進碳化物的形成。Mn可使鐵液去硫（FeS+Mn=Fe+MnS），起到脫硫作用。但錳易氧化，使合金抗氧化性能降低，在生產耐磨鑄鐵時一般控制wMn≤1.5%。

（5）硅 在鐵液中，Si有控制鐵液氧化、調整白口化傾向作用。而在高鉻鑄鐵中加入Si則可改善抗氧化能力，當wSi≤0.2%時可獲得全白口組織。但在生產中控制低硅較為困難，在抗磨鑄鐵生產實踐中總結出wSi≤0.4%時不會起到較大副作用，反而提高了鑄件導熱和阻止裂紋擴展的能力。

（6）磷、硫 S在鑄鐵中是有害元素，形成低熔點硫化物分布在晶界處，使鑄件高溫力學性能急劇下降，一般要求wS≤0.025%；在高合金材料中，P多以極脆的磷共晶形式存在，對鑄件常溫性能影響較大，一般控制在wP≤0.03%。

4 熔煉控制

由于中頻感應電爐難以實現(xiàn)合金冶煉全過程，因此在熔煉耐磨鑄鐵合金時必須選用干凈的原料，除油、除銹且雜質少。熔煉過程中必須加入專用造渣劑，多次扒渣操作，嚴格控制合金夾雜物含量。由于加入大量Cr，合金液流動性較差，因此應適當提高澆注溫度，但在爐中高溫區(qū)不得停留時間過長，避免Cr元素過量氧化燒損，一般澆注溫度控制在1440℃左右[2]。

由于合金含量較高，在熔煉過程中合金元素被氧化，導致氧含量較高，除在出爐前用錳鐵預脫氧外，在澆包中還必須進行插鋁終脫氧，一般插鋁加入量在1.0%～1.5%。

上述成分的高鉻鑄鐵鑄件硬度較高，但實踐中發(fā)現(xiàn)爐篦條由于韌性差，經常出現(xiàn)斷裂情況，并且生產中抗蠕變性能不良，出現(xiàn)變形、氧化情況。經分析是組織晶粒粗大，存在較大長條狀共晶碳化物并呈網狀分布，嚴重破壞了基體的連續(xù)性，同時表面氧化膜隔絕氧的作用不強。為此，我們在生產中摸索出采用含鎂重稀土進行變質處理來改善該材質的綜合性能。其原理是鎂與重稀土是性質極活潑的元素，在熔煉過程中與金屬液中有害元素P、S形成化合物輕質渣而被扒掉，同時可以部分起到脫氧作用，較好地凈化了金屬液，減少晶界夾雜，提高強度；小部分化合物作為異質核心起到細化初生奧氏體和共晶碳化物作用，進一步提高了金屬強度；另外，在重稀土及鎂強過冷元素作用下，結晶時在樹枝晶前沿富集，迫使奧氏體枝晶多晶形成，可有效阻礙網狀碳化物形成，同時重稀土及鎂吸附在共晶碳化物表面，使碳化物在形成生長過程中更加孤立化、圓整化，從而降低合金脆性。稀土的加入還可強化爐篦條表面形成的氧化膜的保護作用，因為稀土會減小氧化膜生長速度，且以離子或氧化物形式存在于主要氧化物Cr2O3中，明顯降低氧化皮中游離氧壓，從而使Cr2O3更加穩(wěn)定；稀土固溶于氧化皮中，抑制了氧化物顆粒生長，改善了氧化物塑性，使氧化膜不易開裂；稀土吸收在基體與氧化膜之間的空位，起到消除空洞、提高氧化膜黏附力，進一步起到抗氧化作用。變質處理前后斷口情況對比（放大同樣倍數(shù)）如圖3所示。

圖3 變質處理前后斷口情況對比

5 生產方案

傳統(tǒng)的生產方法有若干種：有的采用潮模砂工藝鑄造爐篦條，勞動強度大，效率低，鑄件表面質量較差；有的采用殼芯砂造型，人工埋砂澆注，鑄件表面質量有所提高，但生產效率滿足不了要求，生產環(huán)境較差；還有的采用消失模工藝組串澆注生產，但工序較多，工藝較復雜。

圖4 一芯雙面多腔

我公司生產現(xiàn)場采用粒度為0.150～0.300mm（100/50目）的熱固化覆膜砂[3]，通過射芯機200℃左右熱固化成形，一芯雙面多腔，如圖4所示。生產中采用多芯組合并在芯片間做激冷處理的疊澆工藝，取消人工埋箱操作，從人工端包澆注2～5支提高到集中澆包澆注每次22～24支，大幅提高了質量和效率，如圖5所示。

圖5 疊澆工藝

按以上工藝方案生產爐篦條，生產效率提高5倍以上，合理匹配化學成分，并經脫氧、變質處理，在燒結機使用后，使用壽命達到18個月以上。

6 結束語

1）新爐篦條化學成分為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）熔煉過程進行變質處理，保證殘留wRE＝0.03%～0.05%、wMg＝0.01%～0.03%，降低硫及氧的有害作用，大幅提高了抗蠕變性能，強化了抗氧化性能。

3）上述材質的爐篦條高溫強度和硬度有所提高，尤其抗氧化性能大大加強，現(xiàn)場使用壽命提高近1.5倍。

4）覆膜砂造射芯機型，疊箱澆注，生產效率比原工藝提高5倍以上。