一种提升-40℃低温风球墨铸铁冲击性能的熔炼生产工艺
阅读说明：本技术 一种提升-40℃低温风球墨铸铁冲击性能的熔炼生产工艺 (Smelting production process for improving impact performance of nodular cast iron at low temperature of-40 DEG C ) 是由 王美喜 占进 余帆 季虎 王强 张守全 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提升-40℃低温风球墨铸铁冲击性能的熔炼生产工艺,具体涉及铸铁技术领域,将脱硫和调整后的铁水从脱硫包倒入保温电炉中,在保温电炉上方设置随流漏斗,随流漏斗中储备有改性石墨粉末,铁水倒入保温电炉的过程中,随流漏斗中的改性石墨粉末和铁水一起流入保温电炉中,铁水和改性石墨粉末添加完全后将保温电炉中铁水温度升温。本发明通过将铸件附铸试块中的石墨颗数密度由60-90个/mm2提高至140-160个/mm2,同时能将铸件性能稳定在：抗拉强度≥370MPa,屈服强度≥225MPa,延伸率≥22.5％,-40℃低温冲击≥12J,超出人们要求的铸件力学性能要求,而且该生产工艺不进行任何热处理工艺,生产工艺简单有效,生产的产品完全符合客户的需要。(The invention discloses a smelting production process for improving the impact performance of nodular cast iron at a low temperature of-40 ℃, and particularly relates to the technical field of cast iron. The invention improves the number density of graphite particles in the casting accessory casting test block from 60-90/mm 2 to 140-160/mm 2, and simultaneously can stabilize the casting performance as follows: the tensile strength is more than or equal to 370MPa, the yield strength is more than or equal to 225MPa, the elongation is more than or equal to 22.5 percent, the low-temperature impact at minus 40 ℃ is more than or equal to 12J, the mechanical property requirement of the casting required by people is exceeded, in addition, the production process does not carry out any heat treatment process, the production process is simple and effective, and the produced product completely meets the requirement of customers.)
技术领域
本发明涉及铸铁技术领域，具体为一种提升-40℃低温风球墨铸铁冲击性能的熔炼生产工艺。
背景技术
随着化石能源的不断消耗并导致环境恶化，世界各国都认识到了发展可再生能源的重要性，风能是一种可再生无污染的清洁能源，受到各国的重视，风能的大力开发是解决生产以及生活能源的可靠途径，因此世界风电产业得到迅速发展，近几年更是以较高的增速位居各类新能源之首。
由于风力发电机组多建于海边和沙漠等多风地带，这些地方气候条件十分恶劣，机组通常要在-20℃甚至-40℃的环境下服役，这就要求铸件在低温条件下仍能保持一定性能，特别是低温冲击韧性。和普通球铁件的生产相比，这种耐低温冲击球铁对生铁、废钢、球化剂及孕育剂等原辅材料，球铁的化学成分和过程控制及热处理等方面都提出了全新的要求。
随着风电行业的快速发展,人们对球墨铸铁低温冲击铸件性能指标要求越来越高，QT400-18AL(-20℃)球墨铸铁材料已被各国列入国家标准。QT400-18AL(-40℃)低温球墨铸铁材料在近几年内也越来越多被引用到产品要求内。QT400-18AL(-40℃)低温球墨铸铁的力学性能既要满足QT400-18AL(-20℃)球墨铸铁的拉伸性能，又要满足QT350-22AL(-40℃)的低温冲击性能，力学性能要求高，化学成分控制范围窄，尤其是终Si量的控制，因此针对该类铸件的生产难度极大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升-40℃低温风球墨铸铁冲击性能的熔炼生产工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种提升-40℃低温风球墨铸铁冲击性能的熔炼生产工艺，包括以下步骤：
步骤一：按照重量百分比称取40-60％的生铁、10-20％的回炉料和10-30％的废钢置于中频感应电炉中加热至1500-1550℃进行熔化，完全熔化后取样进行光谱分析和热分析；
步骤二：根据步骤一中光谱分析和热分析的结果对铁水进行脱硫和碳、硅含量的调整，调整后铁水成分为：C：3.65-3.75wt％、Si：0.9-1.0wt％、Mn≤0.15wt％、P≤0.035wt％、S≤0.012wt％，其余为铁和不可避免的杂质；
步骤三：将脱硫和调整后的铁水从脱硫包倒入保温电炉中，在保温电炉上方设置随流漏斗，随流漏斗中储备有改性石墨粉末，铁水倒入保温电炉的过程中，随流漏斗中的改性石墨粉末和铁水一起流入保温电炉中，铁水和改性石墨粉末添加完全后将保温电炉中铁水温度升温至1440-1460℃；
步骤四：预先在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb，将步骤三中保温电炉内的铁水倒入浇包中，在倒入三分之二的铁水时加入孕育剂，使得铁水发生球化和一次孕育反应；
步骤五：铁水球化、孕育后在铁水表面撒铁水扒渣剂进行扒渣处理，扒渣处理完成后将浇包中铁水浇入铸型；
步骤六：浇注结束后，在砂型中缓慢冷却至400℃以下，从铸型中清出得到在-40℃耐冲击的风球墨铸铁。
在一种优选的实施方式中，所述步骤一中生铁采用球铁用铸造Q10生铁，生铁的组分包括有C：4.00-4.50wt％、Si：0.50-0.90wt％、Mn≤0.15wt％、P≤0.04wt％、S≤0.02wt％、有害合金元素≤0.10wt％，剩余为铁；所述回炉料为铁素体球墨铸铁回炉料；所述废钢为优质废钢薄片，组分包括有C≤0.15wt％、Si≤0.40wt％、Mn≤0.30wt％、P≤0.02wt％、S≤0.03wt％、Cr≤0.06wt％、Ti＜0.03wt％。
在一种优选的实施方式中，所述步骤二中脱硫处理时采用CaO和CaC2作为脱硫剂，CaO和CaC2的粒度＜10mm，所述碳含量调整时采用固定碳≥99％的增碳剂，增碳剂的粒度0.5-5mm；所述硅含量调整时采用硅75铝，组分中含硅量为72-80％，粒度5-100mm。
在一种优选的实施方式中，所述步骤三中改性石墨粉末的制备方法为：将称取的石墨粉末放入醋酸盐和硫酸溶液的混合溶液中，在40-60℃下浸泡处理2-3小时，然后水洗3-5次，水洗完成后放入高温炉进行高温膨胀，高温炉的温度为700-750℃，高温膨胀的时间为15-25秒，高温膨胀完成后冷却至室温得到改性石墨粉末。
在一种优选的实施方式中，所述醋酸盐和硫酸溶液的浓度为85-95％，水洗温度为5-15℃。
在一种优选的实施方式中，所述步骤三中脱硫调整后铁水温度为1380-1400℃，铁水和改性石墨粉末添加完全后以2-4℃/min的速率升温至1440-1460℃，且随流漏斗流速为7.5-15kg/min。
在一种优选的实施方式中，所述步骤四中球化剂选用稀土硅镁球化剂，组成成分包括5.0-7.0wt％Mg、0.10-0.50wt％RE、40-50wt％Si以及余量的铁，按浇注铁水重量百分比计，球化剂用量为1.0-1.1wt％；所述孕育剂包括覆盖剂、一次孕育剂和随流孕育剂，所述覆盖剂选用低硅孕育剂，组成成分包括40-60wt％Si、1.5-2.5wt％Ba、0.2-1.0wt％Ca以及余量的铁；所述一次孕育剂选用硅钙钡孕育剂，组成成分包括72-78wt％Si、2.0-3.0wt％Ba、1.0-2.0wt％Ca以及余量的铁；所述随流孕育剂选用硫氧孕育剂，组成成分包括65-80wt％Si、0.5-1.5wt％Ca以及余量的铁；按浇注铁水重量百分比计，覆盖剂用量为0.3-0.5wt％，一次孕育剂用量为0.4-0.8wt％，随流孕育剂用量为0.10-0.20wt％。
在一种优选的实施方式中，所述步骤五中撒铁水扒渣剂为珍珠岩，珍珠岩中的SiO2≥72％，粒度1-3mm，浇注过程中加入随流孕育剂，浇注温度为1330-1350℃。
在一种优选的实施方式中，所述步骤六中得到的风球墨铸铁的抗拉强度≥370MPa、屈服强度≥225MPa、延伸率≥22.5％、-40℃低温冲击≥12J。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1、本发明生产的风球墨铸铁通过将铸件附铸试块中的石墨颗数密度由60-90个/mm2提高至140-160个/mm2，同时能将铸件性能稳定在：抗拉强度≥370MPa,屈服强度≥225MPa,延伸率≥22.5％,-40℃低温冲击≥12J，超出人们要求的铸件力学性能要求，能将QT400-18AL(-40℃)低温球墨铸铁的性能合格率由不足50％提高至90％以上，而且该生产工艺不进行任何热处理工艺,生产工艺简单有效,生产的产品完全符合客户的需要；
2、本发明将铁水脱硫调整后利用随流漏斗进行随流增碳处理，能够在球化孕育处理前的铁水中形成大量弥散分布的细小异质核心，提高铁液的形核能力，同时可以对废弃的石墨粉末进行废物利用，达到降本增效的目的，而且随流增碳处理时采用改性石墨粉末，利用醋酸盐和硫酸溶液混合液对石墨粉末进行酸性处理，然后使酸处理后的石墨粉末高温膨胀，使得石墨粉末孔隙度较高，提高原铁液的形核能力，从而增加风球墨铸铁的墨球数量，能提高石墨粉的纯度。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例生产工艺产品的金相显微组织；
图2是本发明对比例生产工艺产品的金相显微组织；
图3是本发明实施例中随流漏斗增碳剂添加结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
请参阅图1和图3，本发明提供一种提升-40℃低温风球墨铸铁冲击性能的熔炼生产工艺，包括以下步骤：
步骤一：按照重量百分比称取50％的生铁、15％的回炉料和20％的废钢置于中频感应电炉中加热至1525℃进行熔化，完全熔化后取样进行光谱分析和热分析；
步骤二：根据步骤一中光谱分析和热分析的结果对铁水进行脱硫和碳、硅含量的调整，调整后铁水成分为：C：3.70wt％、Si：0.95wt％、Mn≤0.15wt％、P≤0.035wt％、S≤0.012wt％，其余为铁和不可避免的杂质；
步骤三：将脱硫和调整后的铁水从脱硫包倒入保温电炉中，在保温电炉上方设置随流漏斗，随流漏斗中储备有改性石墨粉末，铁水倒入保温电炉的过程中，随流漏斗中的改性石墨粉末和铁水一起流入保温电炉中，铁水和改性石墨粉末添加完全后将保温电炉中铁水温度升温至1450℃；
步骤四：预先在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb，将步骤三中保温电炉内的铁水倒入浇包中，在倒入三分之二的铁水时加入孕育剂，使得铁水发生球化和一次孕育反应；
步骤五：铁水球化、孕育后在铁水表面撒铁水扒渣剂进行扒渣处理，扒渣处理完成后将浇包中铁水浇入铸型；
步骤六：浇注结束后，在砂型中缓慢冷却至400℃以下，从铸型中清出得到在-40℃耐冲击的风球墨铸铁。
在一种优选的实施方式中，所述步骤一中生铁采用球铁用铸造Q10生铁，生铁的组分包括有C：4.00-4.50wt％、Si：0.50-0.90wt％、Mn≤0.15wt％、P≤0.04wt％、S≤0.02wt％、有害合金元素≤0.10wt％，剩余为铁；所述回炉料为铁素体球墨铸铁回炉料；所述废钢为优质废钢薄片，组分包括有C≤0.15wt％、Si≤0.40wt％、Mn≤0.30wt％、P≤0.02wt％、S≤0.03wt％、Cr≤0.06wt％、Ti＜0.03wt％。
在一种优选的实施方式中，所述步骤二中脱硫处理时采用CaO和CaC2作为脱硫剂，CaO和CaC2的粒度＜10mm，所述碳含量调整时采用固定碳≥99％的增碳剂，增碳剂的粒度0.5-5mm；所述硅含量调整时采用硅75铝，组分中含硅量为72-80％，粒度5-100mm。
在一种优选的实施方式中，所述步骤三中改性石墨粉末的制备方法为：将称取的石墨粉末放入醋酸盐和硫酸溶液的混合溶液中，在50℃下浸泡处理3小时，然后水洗4次，水洗完成后放入高温炉进行高温膨胀，高温炉的温度为730℃，高温膨胀的时间为20秒，高温膨胀完成后冷却至室温得到改性石墨粉末。
在一种优选的实施方式中，所述醋酸盐和硫酸溶液的浓度为90％，水洗温度为10℃。
在一种优选的实施方式中，所述步骤三中脱硫调整后铁水温度为1390℃，铁水和改性石墨粉末添加完全后以3℃/min的速率升温至1450℃，且随流漏斗流速为10kg/min。
在一种优选的实施方式中，所述步骤四中球化剂选用稀土硅镁球化剂，组成成分包括6.0wt％Mg、0.30wt％RE、45wt％Si以及余量的铁，按浇注铁水重量百分比计，球化剂用量为1.1wt％；所述孕育剂包括覆盖剂、一次孕育剂和随流孕育剂，所述覆盖剂选用低硅孕育剂，组成成分包括50wt％Si、2wt％Ba、0.6wt％Ca以及余量的铁；所述一次孕育剂选用硅钙钡孕育剂，组成成分包括75wt％Si、2.5wt％Ba、1.5wt％Ca以及余量的铁；所述随流孕育剂选用硫氧孕育剂，组成成分包括75wt％Si、1.0wt％Ca以及余量的铁；按浇注铁水重量百分比计，覆盖剂用量为0.4wt％，一次孕育剂用量为0.6wt％，随流孕育剂用量为0.15wt％。
在一种优选的实施方式中，所述步骤五中撒铁水扒渣剂为珍珠岩，珍珠岩中的SiO2≥72％，粒度1-3mm，浇注过程中加入随流孕育剂，浇注温度为1340℃。
对比例：
请参阅图2，本发明提供一种提升-40℃低温风球墨铸铁冲击性能的熔炼生产工艺，包括以下步骤：
步骤一：按照重量百分比称取50％的生铁、15％的回炉料和20％的废钢置于中频感应电炉中加热至1525℃进行熔化，完全熔化后取样进行光谱分析和热分析；
步骤二：根据步骤一中光谱分析和热分析的结果对铁水进行脱硫和碳、硅含量的调整，调整后铁水成分为：C：3.70wt％、Si：0.95wt％、Mn≤0.15wt％、P≤0.035wt％、S≤0.012wt％，其余为铁和不可避免的杂质；
步骤三：预先在浇包底部放置球化剂、覆盖剂及合金Sb，将步骤二中的铁水倒入浇包中，在倒入三分之二的铁水时加入孕育剂，使得铁水发生球化和一次孕育反应；
步骤四：铁水球化、孕育后在铁水表面撒铁水扒渣剂进行扒渣处理，扒渣处理完成后将浇包中铁水浇入铸型；
步骤五：浇注结束后，在砂型中缓慢冷却至400℃以下，从铸型中清出得到在-40℃耐冲击的风球墨铸铁。
在一种优选的实施方式中，所述步骤一中生铁采用球铁用铸造Q10生铁，生铁的组分包括有C：4.00-4.50wt％、Si：0.50-0.90wt％、Mn≤0.15wt％、P≤0.04wt％、S≤0.02wt％、有害合金元素≤0.10wt％，剩余为铁；所述回炉料为铁素体球墨铸铁回炉料；所述废钢为优质废钢薄片，组分包括有C≤0.15wt％、Si≤0.40wt％、Mn≤0.30wt％、P≤0.02wt％、S≤0.03wt％、Cr≤0.06wt％、Ti＜0.03wt％。
在一种优选的实施方式中，所述步骤二中脱硫处理时采用CaO和CaC2作为脱硫剂，CaO和CaC2的粒度＜10mm，所述碳含量调整时采用固定碳≥99％的增碳剂，增碳剂的粒度0.5-5mm；所述硅含量调整时采用硅75铝，组分中含硅量为72-80％，粒度5-100mm。
在一种优选的实施方式中，所述步骤三中球化剂选用稀土硅镁球化剂，组成成分包括6.0wt％Mg、0.30wt％RE、45wt％Si以及余量的铁，按浇注铁水重量百分比计，球化剂用量为1.1wt％；所述孕育剂包括覆盖剂、一次孕育剂和随流孕育剂，所述覆盖剂选用低硅孕育剂，组成成分包括50wt％Si、2wt％Ba、0.6wt％Ca以及余量的铁；所述一次孕育剂选用硅钙钡孕育剂，组成成分包括75wt％Si、2.5wt％Ba、1.5wt％Ca以及余量的铁；所述随流孕育剂选用硫氧孕育剂，组成成分包括75wt％Si、1.0wt％Ca以及余量的铁；按浇注铁水重量百分比计，覆盖剂用量为0.4wt％，一次孕育剂用量为0.6wt％，随流孕育剂用量为0.15wt％。
在一种优选的实施方式中，所述步骤四中撒铁水扒渣剂为珍珠岩，珍珠岩中的SiO2≥72％，粒度1-3mm，浇注过程中加入随流孕育剂，浇注温度为1340℃。
分别选取实施例和对比例生产的浇注铸件为风电4MW底座，浇注重量25T，壁厚50-200mm，其附铸试块(70×70×170mm)的力学性能的检测结果如表1所示：
表一
经过多次实验可以得出，如表一所示实施例采用炉前随流增碳工艺生产得到的附铸试块抗拉强度为371.11MPa，屈服强度为227.54MPa，伸长率为25.171％，-40℃冲击(V型缺口)的平均值为12.5J，力学性能明显大于不进行炉前随流增碳工艺生产的附铸试块，本发明将铁水脱硫调整后利用随流漏斗进行随流增碳处理，能够在球化孕育处理前的铁水中形成大量弥散分布的细小异质核心，提高铁液的形核能力，同时可以对废弃的石墨粉末进行废物利用，达到降本增效的目的，而且随流增碳处理时采用改性石墨粉末，利用醋酸盐和硫酸溶液混合液对石墨粉末进行酸性处理，能提高石墨粉的纯度，然后使酸处理后的石墨粉末高温膨胀，使得石墨粉末孔隙度较高，提高原铁液的形核能力，从而增加风球墨铸铁的墨球数量。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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