热模法球墨铸铁管金相组织与内在质量的研究

1、热模法球墨铸铁管金相组织与内在质量的研究【摘要】 通过实验得出不同铁水与废钢搭配比例，不同铁水成分对热模法球墨铸铁管金相组织的影响，并确定了临界含碳量和碳当量值。对影响球墨铸铁管的球墨大小、数量、共晶团大小等因素，以及热模法球墨铸铁管的缩松夹渣问题，进行了初步分析。一、前言DN1200及以上规格，大部分都采用涂料热模法工艺进行生产。相对于水冷金属型工艺而言，热模法具有设备简单、成本尤其模具成本大幅降低等优点，因此，国内外铸管厂家在DN1000以上规格广泛使用此工艺。相比于水冷金属型工艺，热模法由于在管模与铁水之间多了一层隔热效果较好的涂料层，并且外部采用的是喷淋冷却，冷却速度相对较慢，所以造成

2、外表面质量不如水冷型生产的管子平整光滑，内部组织上石墨球、共晶团相对较粗大，组织不如水冷型致密，并且内表面的缩松夹渣、石墨漂浮比较严重，这是热模法工艺的缺点，也正是要致力于研究解决和改善的问题。初期可能是在全公司铁水量不平衡的情况下首先组织热模法大管的生产，采用何种与工厂实际相适合的铁水使用工艺并能满足管子质量要求，也是首先要研究的问题。基于以上原因，有必要通过大量实验，并进行理论分析，研究分析不同铁水成分、工艺条件对热模法离心球墨铸铁管金相组织和内在质量的影响，从而为工艺的制定和质量的改善提供依据。二、铁水成分试验（一）、实验方案：考虑若高炉铁水量较少，那么铁水与废钢的比例如何搭配，什么样的

3、成分才适合，管子质量、生产节奏、成本消耗等方面会有那些大的变化，需要实验验证，据此编排了以下实验方案。方案一、原料采用25%高炉铁水，75%废钢，加增碳剂增碳到3.3-3.5%，碳当量控制与目前控制相同，在4.0-4.2之间；方案二、将电炉铁水含碳量降低到2.5%，球化铁水碳当量控制在3.1-3.3%之间，加入高炉铁水与废钢比例约为5：5。方案三、将电炉铁水含碳量降低到3.0%，球化铁水碳当量控制在3.5-3.7%之间，加入高炉铁水与废钢比例约为6：4。（二）、试验过程方案一：加增碳剂增碳2009年11月19日15：00试验开始加入熔化废钢，17：00升到正常出铁温度（1440）结束。（1）、

4、所用原料：高炉铁水，入电炉温度1240，成分如下（%）：CSiSPMn4.07820.78810.02530.05320.20981. 高效增碳剂：主要指标如下（%）：CSP吸收率95±20.050.04902废钢：加入的主要废钢成份（%）CSiSPMn0.064870.03830.002350.004650.20415（2）、试验步骤：1. 先进行理论计算：用两吨铁水，6吨废钢，200kg增碳剂，增碳剂含碳量按95%，吸收率按90%计算，得出熔炼后电炉铁水含碳量为3.19%。2. 兑入2吨铁水后加入100kg增碳剂，然后加入3吨废钢升温后取样进行分析，根据分析结果计算实际吸收率，实

5、际四次废钢（0.68、0.7、0.77、0.73吨）加入量为2.88吨。升温至1300取样，分析结果如下：CSiSPMn3.51340.39970.01410.03620.1447根据成分得到增碳剂的吸收率约为95%。3. 加入100kg增碳剂，再按95%吸收率配加废钢。加入废钢三次（0.97、0.73、1.41吨）3.11吨，升温至1310取样，其中1.41吨的废钢为混合废钢，S、Mn较高，分析结果如下：CSiSPMn3.36220.37860.01550.03390.02838按增碳剂吸收率95%计算，废钢含碳量按0.1%计算，理论值为：（2*0.04078+0.2*0.95*0.95+5

6、.99*0.001）/（2+5.99+0.2）=3.2729%，和实际值差0.09。4高炉铁水比例25%，废钢比例75%（3）、管子质量检测数据：浇注两支管子，铸字号9255、9256。内壁质量和正常管没有什么区别。金相性能检验结果：含碳量管号位置性能金相断面情况抗拉屈服延伸%珠光体渗碳体3.36碳9255中间3853650200局部组织疏松外壁48037515（4）、小结：外观、内在质量与目前均无太大变化（5）、其他数据1、耗电量分析：化废钢前电炉读数为1517804度，升温至1440出铁时为1521676度，共耗电3872度，吨铁水电耗484度/吨。目前熔炼热模废钢加入量20%，吨铁水电耗

7、为276度/吨。则铁水电耗增加208度/吨，约100元/吨。2、增碳剂成本：0.2*5812/8=145.3元/吨3、废钢含硅量较低，需多加硅铁，按实际和标准模型，需增加硅铁7.56kg/t,则成本增加：7.56*5.7=43.09元/吨 。4、铁水升温融化时间用了120分钟，处理时间增长了一倍多（目前单炉平均升温时间58分钟），电炉能力需核算。5、因加热融化冷料时间延长，电炉炉衬使用寿命会降低，目前炉衬寿命为50-55天。方案二：铁水含碳量降到2.5%2009年11月20日13：50开始加入废钢，15：15升到正常出铁温度（1440）结束，升温处理时间为85分钟。（1）、实验步骤1、调好一炉

8、正常成分的铁水，先给热模出一包，然后向电炉中加废钢调成分，电炉剩余铁水量大概在10吨，调整前电炉铁水成分如下：CSiSPMn3.42670.86490.02330.04520.28292、先加入了2.8吨废钢（0.96+1.84），电炉铁水成分如下：CSiSPMn2.88180.75750.02020.04040.2653、然后加入了1.56吨废钢，共计4.36吨，电炉铁水成分如下：CSiSPMn2.6480.70260.02030.03950.25924、最后加入0.88吨废钢，共计加5.16吨，调整后电炉成分如下：CSiSPMn2.54170.67940.01990.0380.25415、

9、球化后成分如下： CSiSPMnMgCE2.55542.05750.00830.03970.26660.06613.2416、高炉铁水比例53%，废钢比例47%（2）、质量检测浇注两支管子，铸字号9337、9338。1、外观内壁相比正常管比较光滑，缩痕现象减轻，插口2.5米有片状氧化皮，承口内壁有缩痕（见图1）。2、缩松夹渣情况从落锤砸开的管子断面来看，波浪形的局部的缩松夹渣依然存在（见图2） 。管子明显比正常管好砸，比较脆，一锤下来就碎了很多块，而正常管要砸好几锤才能开。 图1内表面照片 图2断面情况3、金相结果：（照片见图4）含碳量管号位置性能金相断面情况抗拉屈服延伸%珠光体渗碳体2.54

10、碳9337中间380315040451015局部组织疏松外壁37032502.54碳9338中间390310040451015局部组织疏松外壁3503190外壁5105100 图3 正常金相 图4 含碳2.5%金相：珠光体含量35%，渗碳体10%，石墨球数量明显减少（3）、小结管子质量不合格，但内壁质量有改善。方案三：铁水含碳量降到3.0%（1）、实验步骤在方案二做完出了一包铁水的基础上，再兑入3.4吨高炉铁水，使电炉铁水含碳量升到2.98%后出铁。1、调后的电炉铁水如下表所示：CSiSPMn2.980.83940.01980.04060.24622、球化后成分如下：CSiSPMnMgCE2.

11、85592.0390.00740.04080.24720.09763.5363、高炉铁水比例65%，废钢比例35%。（2）、管子质量检测数据：浇注两支管子，铸字号9339、9340。1、外观内壁相比正常管比较光滑，表面的缩痕沟纹不太明显，有少量轻微沟纹，插口2.0米有少量的片状氧化皮。2、缩松夹渣情况从送到落锤砸开的管子断面来看，波浪形的局部的缩松夹渣依然存在，渣层分布比较均匀。在落锤试验，破坏情况和正常管差不多，管子断面颜色正常。3、金相结果（照片见图5、图6）：环样断面情况含碳量管号位置性能金相抗拉屈服延伸%珠光体渗碳体2.98碳9339中间3553150405015局部组织疏松外壁460

12、320102.98碳9340中间39731003510局部组织疏松外壁4353159管片断面情况含碳量管号位置性能金相抗拉屈服延伸%珠光体渗碳体2.98碳9340中间5703607401局部组织疏松外壁59037011 图5 正常金相 图6 含碳量2.98%，环样金相 珠光体20%，石墨球数量减少 （3）、小结在目前工艺控制条件下，将含碳量降到3.0%，碳当量降低到3.6左右，内壁质量有所改善，但金相不合，增加了在性能方面的不稳定性，从金相结果看管子珠光体含量超标，插口部位和中间都含有渗碳体，而且插口部分严重超标。（三）、正常管与实验管冷却曲线对比（见图7）含碳3.5%正常铁水冷却曲线 含碳2

13、.5%铁水冷却曲线 含碳3.0%铁水冷却曲线图7从上面冷却曲线可看出1、含碳3.5%正常铁水因为碳当量接近共晶成分，过冷度不大，在1130度会有一个共晶凝固的平台，凝固时按稳定系结晶。共晶凝固的时间一般为75秒左右；铁水从1220度凝固到750度时间为8分36秒。2、含碳2.5%铁水因碳当量非常低，过冷度增大，因远离共晶成分，从凝固曲线上基本看不出有共晶平台，凝固速度加快，具有很大的白口倾向，所以管子会出现渗碳体。铁水从1220度结晶到750度时间为6分27秒，比正常管快了1分51秒。3、含碳3.0%铁水的凝固曲线介于以上两种成分的铁水之间，也具有较大的白口倾向，共晶时是一个倾斜的曲线，在散热

14、条件较好的插口部位会出现较多的渗碳体。从铁水1220度凝固到750度时间为6分57秒。（四）、临界成分的确定从上面实验表明含碳2.86%，碳当量3.54%的球化铁水浇注的管子金相不合，那么，在目前工艺条件下，球化铁水的临界成份应是多少，还需进一步实验。实验以球化铁水3.55%碳当量基础上，每次增加0.1%来进行，终硅量基本保持不变。1、球化铁水含碳3.0%，碳当量3.65%。对浇注的管子金相组织检验跟踪，结果如下：项目球化等级石墨大小铁素体%珠光体%渗碳体%检验结果2772-74251-3金相检验视场内渗碳体大部分在1%，个别视场3%。2、球化铁水含碳3.1%，碳当量3.76%。对浇注的管子金

15、相组织检验跟踪，结果如下：项目球化等级石墨大小铁素体%珠光体%渗碳体%检验结果2774251金相检验视场内渗碳体个别视场1%。3、球化铁水含碳3.2%，碳当量3.86%。对浇注的管子金相组织检验跟踪，结果如下：项目球化等级石墨大小铁素体%珠光体%渗碳体%检验结果2775200根据实验与理论分析结果，工艺标准碳当量下限定在3.9%，含碳量下限定在3.2%。4、考虑到含碳量过高会引起石墨漂浮，含碳量上限定在3.5%，碳当量上限定在4.2%。（五）、分析：含碳量对球墨铸铁力学性能的影响主要是通过其对金属基体的影响起作用，以及通过对石墨球数量、球径大小及圆整度的变化来影响力学性能。含碳量高，则析出的石

16、墨数量多，石墨球数多，球径尺寸小，圆整度增加。而碳当量偏低，提供的石墨数量少，不利于铁水的石墨化，管子的石墨球数量较正常管减少了约有一半，共晶团也相对变得粗大，并增大白口倾向，因此使管子的塑性变差，延伸率偏低。当然，碳当量也不宜过高，过高则易形成石墨漂浮，严重降低铸铁的力学性能。实际上大管碳当量降低后，应该有利于减少缩松和夹渣，提高组织的致密度，从内表面质量的变化就能够看出来，但关键是由于含碳量降低后石墨化能力减弱，晶粒粗化，并易形成碳化物，又带来了很大的负面影响。三、晶粒大小的控制晶粒大小对金属的力学性能有很大影响，在常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。金属结晶时

17、，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的。晶粒的大小取决于形核率和长大速度的相对大小。形核率越大同时长大速度越小，晶粒越细小，反之会越粗大。因此，凡能促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒。对金属凝固晶粒大小的影响因素，主要为化学成分和凝固速度。对于球墨铸铁而言，主要采取下面两种措施1、控制过冷度在结晶温度范围内，随着过冷度的增大，形核率和长大速度均随之增加，但两者的增大速率不同，形核率增长率大于长大速度的增长率，因而过冷度越大，晶粒越细小。增加过冷度的方法主要是通过提高液态金属的冷却速度来实现。相对于水冷金属型工艺而言，热模法冷却速度慢，过冷度小，晶粒粗大。下面是同样成份的铁液分别在水冷7#机和热

18、模8#机浇注后的石墨数量与大小的对比，明显看出冷却速度对晶粒大小和数量的影响（见图8、图9）。 图8 7#机水冷金相 图9 8#机热模金相对于热模法而言，增大冷却速度的方法，一是减少涂料层的厚度，二是增大喷淋冷却水的流量和时间，三是降低管模温度和浇注温度。但由于受热模法铸管不能有游离渗碳体的限制，冷却速度不能过大。曾做过试验，涂料层厚低于1.0毫米时，管子就会出现游离渗碳体。因此，通过控制冷却速度来细化石墨球，改善金相组织，受到很大限制。2、孕育处理，控制成份，增加石墨形核核心另一个细化石墨球，改善金相组织的办法是加强孕育。孕育处理可以提供大量石墨形核核心，细化共晶团，改善石墨形态，并降低和消

19、除白口倾向。目前采用的孕育剂为75硅铁。为增强孕育效果，试验用了法国福士科公司生产的含Bi高效孕育剂，加入量与目前工艺相同，两支管同时实验，金相结果如下 图10加普通孕育剂金相 图11加高效孕育剂金相从金相图片来看，加高效孕育剂金相组织中石墨球比普通孕育剂稍微圆整，但效果不大，对这方面以后还需进一步研究。四、缩松分析热模法球墨铸铁管内表面不确定的、局部的缩松夹渣的形成，与热模法工艺、设备以及球墨铸铁本身的凝固特性有关，它的存在对热模法球墨铸铁管质量有很大影响。虽然管子整体质量合格，但存在的问题是，一方面造成做性能样时，即使样棒上一点微小的缩松也会造成性能值不合，另一方面，夹渣和缩松的面积或深度

20、过大，也会影响管子整体强度。1、电镜分析对同一管片我们取了正常部位和夹渣缩松部位两个样片，送到高校进行电镜分析。分析发现，缩松处的镁和硅的含量要高于正常部位。对缩松处的夹杂物进行分析，形状为长条或不规则形状，如图12。 图12通过能谱分析夹杂物中元素情况：（a） (b)_pt1(b)_pt2 (b)_pt3(c)夹杂物中各元素含量如下表所示：COMgPSMnFe(a)pt113.998.375.130.970.141.9669.43COMgSiPSMnFeCe(b)pt122.0432.5418.032.570.140.9418.465.30(b)pt230.780.530.141.0267.

21、53(b)pt318.229.005.382.030.081.8463.47OMgPSMnFe(c)pt125.7725.611.190.070.8446.52分析结果显示，黑色夹杂物主要由镁的氧化物、硫化物和少量的稀土化合物组成。应该是在铁水凝固过程中镁的氧化物、硫化物和少量的稀土化合物由于偏析作用富集在最后凝固处。2、管模的影响从热模管子内表面质量看，主要为遍布网状缩痕，而缩松即分布在网状缩痕的下面，缩松程度基本和缩痕程度成正比。目前使用的是铸造多节管模，六米长的管模用四个法兰连接，外加两个拖轮辊道，因此，冷却过程极易造成冷却的不均匀，即使通过调整冷却水的分布来控制，但因管模壁厚较厚且相差较大，效果也不是很好。冷却的不均匀会带来凝固的不均匀，从而造成最后凝固部位不能很好的补缩，