本发明属于连铸技术及其连铸铸铁型材应用技术领域，涉及一种具有a型石墨组织的空心铸铁管材的制备方法。
背景技术：
当前，发动机干式缸套或活塞环等零件一般采用离心铸造或消失模铸造的方法先铸造出毛坯，然后经机械加工生产出成品缸套或活塞环。采用消失模铸造缸套或活塞环毛坯，因铸造时浇冒口的存在，会使得铸造时铁水的利用率降低；而采用离心铸造时，为了保证铸坯成分的组织均匀和致密，对缸套一般要给铸坯的尺寸预留10mm以上的加工余量，而干式缸套的尺寸一般约为2.0～3.5mm，并有进一步减小的趋势，有的已经减薄到1.0～1.5mm，因此应用以上铸造方法生产干式缸套或活塞环铸坯，铁水或材料的利用都不高。据计算，有的铁水利用率不到20％。因此提高干式缸套生产时铁水的利用率对降低干式缸套的生产效率和生产成本以及实现干式缸套生产的节能减排和绿色铸造都有重要的经济与实现意义。
虽然垂直提拉连铸能获得成分与组织均匀、致密，壁厚在5mm以上的空心管型材，使用该方法生产的空心管型材做毛坯加工干式缸套或活塞环，能使铸造铁水的利用率达到80％，极大的降低缸套或活塞环的生产效率和生产成本，同时实现缸套或活塞环的绿色铸造与节能减排。但是，该空心管中的石墨形态一般是d型石墨或球形石墨，不能满足机械手册中干式缸套或活塞环的石墨形态为a型石墨的要求(a型石墨的铸铁导热性和抗震性好)。因此，若能用垂直提拉连铸生产出具有a型石墨形态的空心铸铁管型材，则能解决干式缸套或活塞环目前生产中所面临的瓶颈问题，推动干式缸套或活塞环生产技术的极大进步，具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种具有a型石墨组织的空心铸铁管材的制备方法，解决了现有垂直提拉连铸方法制备得到的铸铁型材不能满足机械手册中干式缸套或活塞环的石墨形态为a型石墨，导致干式缸套或活塞环生产效率低和性能差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种具有a型石墨组织的空心铸铁管材的制备方法，具体的操作过程包括以下步骤：
步骤1.设计加工连铸结晶器的大小，按照获得铸铁石墨组织结构的要求设计结晶器中冷却水道的大小，然后按照垂直提拉连铸的规范把结晶器安装到垂直提拉连铸要求的结晶炉上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤2.配料：将铸造生铁、废钢、75硅铁进行化学分析，按照一定组分质量百分数称取原材料；
步骤3.熔炼：将步骤2称取的生铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水；
步骤4.浇注：将熔炼的铁水倒入在底部放有称量好的粒径在0.5～3mm范围内的75硅铁粉的浇包中并在浇包中静置1～3min，同时将步骤1设计好的结晶器的进水口和出水口分别接上水管，控制进水口水温不超过15℃～25℃，进水口和出水口的温差不超过50℃～70℃；然后，将在浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照一定的拉拔工艺进行垂直提拉连铸的拉拔，即得到灰铸铁型材；
步骤5.按照缸套、活塞环零件的技术要求，对步骤4得到的灰铸铁型材进行机械加工出缸套、活塞环零件。
本发明的其他特点还在于，
制备出的空心管型材的石墨组织为a型石墨。
步骤1中垂直连铸结晶器的内腔设计成正方形，正方形的边长为玻璃模具坯体直径尺寸再加5mm，结晶器中每个冷却水道的横截面积为100mm2。
步骤2中原料中各组分的质量百分数应满足如下：c为2.5％～3.5％、si为1.1％～2.5％、mn为0.6％～1.2％、s<0.15％、p<0.15％，其余为fe和其他不可避免的杂质。
步骤3中铁水熔炼温度为1510℃～1540℃，出炉温度为1420℃～1440℃。
步骤4中结晶器中冷却水的流速2m/s～5m/s。
步骤4中铁水的浇注温度为1310℃～1350℃。
垂直提拉连铸的拉拔工艺是“拉-停-拉-停”周期循环，其中，拉的时间是1s，停的时间是2～5s，拉拔速度为10mm/s～20mm/s。
本发明的有益效果是，一种具有a型石墨组织的空心铸铁管材的制备方法，解决了现有垂直提拉连铸方法制备得到的铸铁型材不能满足机械手册中干式缸套或活塞环的石墨形态为a型石墨，导致干式缸套或活塞环生产效率低和性能差的问题。通过控制垂直提拉连铸方法过程中所需的铁水冷却条件和拉拔工艺参数，连铸出具有a型石墨组织的灰铸铁管型材，解决了目前垂直连铸技术难以生产具有a型石墨空心管型材的技术难题，填补了垂直连铸技术不能生产具有a型石墨空心管型材的技术空白。同时，以此铸铁管型材作为毛坯，机加工出发动机缸套、活塞环等零件，提高缸套、活塞环零件的生产效率、降低了其生产成本，实现缸套、活塞环零件的绿色铸造，促进了缸套、活塞环零件制造技术的进步。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种具有a型石墨组织的空心铸铁管材的制备方法，具体的操作过程包括以下步骤：
步骤1.设计加工连铸结晶器的大小，按照获得铸铁石墨组织结构的要求设计结晶器中冷却水道的大小，然后按照垂直提拉连铸的规范把结晶器安装到垂直提拉连铸要求的结晶炉上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤1中垂直连铸结晶器的内腔设计成正方形，正方形的边长为玻璃模具坯体直径尺寸再加5mm，结晶器中冷却水道为单一冷却水道，且水道的横截面积为100mm2；
步骤2.配料：将铸造生铁、废钢、75硅铁进行化学分析，按照一定组分质量百分数称取原材料；
步骤2中原料中各组分的质量百分数应满足如下：c为2.5％～3.5％、si为1.1％～2.5％、mn为0.6％～1.2％、s<0.15％、p<0.15％，其余为fe和其他不可避免的杂质。
步骤3.熔炼：将步骤2称取的生铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，铁水熔炼温度为1510℃～1540℃，出炉温度为1420℃～1440℃；
步骤4.浇注：将熔炼的铁水倒入在底部放有称量好的粒径在0.5～3mm范围内的75硅铁粉的浇包中并在浇包中静置1～3min，同时将步骤1设计好的结晶器的进水口和出水口分别接上水管，控制进水口水温为15℃～25℃，进水口和出水口的温差为50℃～70℃；然后，将在浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照一定的拉拔工艺进行垂直提拉连铸的拉拔，即得到灰铸铁型材；
其中，结晶器中冷却水的流速2m/s～5m/s；铁水的浇注温度为1310℃～1350℃；垂直提拉连铸的拉拔工艺是“拉-停-拉-停”周期循环，其中，拉的时间是1s，停的时间是2～5s，拉拔速度为10mm/s～20mm/s。
步骤5.按照缸套、活塞环零件的技术要求，对步骤4得到的灰铸铁型材进行机械加工出缸套、活塞环零件。
制备出的空心管型材的石墨组织为a型石墨。
在本发明中，参考铁水凝固过程中铸铁型材中a型石墨形成的条件与要求，通过系统研究铁水的浇铸温度、连铸的拉拔速度以及结晶器的冷却水道的结构、冷却水的流量和进出口水温的高低等参数对垂直连铸空心铸铁型材中石墨形态大小的影响规律，确定出了在垂直连铸工艺中获得具有a型石墨空心铸铁型材所需的连铸条件，即在本发明提供的垂直连铸参数条件下，则可以用垂直连铸方式生产出具有a型石墨形态的空心铸铁管型材。
实施例1
步骤1.垂直连铸结晶器的内腔设计成正方形，正方形的边长为玻璃模具坯体直径尺寸再加5mm，按照获得铸铁石墨组织结构的要求设计结晶器中冷却水道的大小，结晶器中冷却水道为单一冷却水道，且水道的横截面积为100mm2，然后按照垂直提拉连铸的规范把结晶器安装到垂直提拉连铸要求的结晶炉上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤2.配料：将铸造生铁、废钢、75硅铁进行化学分析，按照一定组分质量百分数称取原材料，原料中各组分的质量百分数应满足如下：c为2.5％、si为1.1％、mn为0.6％、s为0.01％、p为0.01％，其余为fe和其他不可避免的杂质；
步骤3.熔炼：将步骤2称取的生铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，铁水熔炼温度为1510℃，出炉温度为1420℃；
步骤4.浇注：将熔炼的铁水倒入在底部放有称量好的粒径在0.5～3mm范围内的75硅铁粉的浇包中并在浇包中静置1min。同时将步骤1设计好的结晶器的进水口和出水口分别接上水管，控制进水口水温为15℃，进水口和出水口的温差为50℃；然后，将在浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照一定的拉拔工艺进行垂直提拉连铸的拉拔，即得到灰铸铁型材；
其中，结晶器中冷却水的流速2m/s；铁水的浇注温度为1310℃；垂直提拉连铸的拉拔工艺是“拉-停-拉-停”周期循环，其中，拉的时间是1s，停的时间是2s，拉拔速度为10mm/s。
步骤5.按照缸套、活塞环零件的技术要求，对步骤4得到的灰铸铁型材进行机械加工出缸套、活塞环零件。
制备出的空心管型材的石墨组织为a型石墨。
实施例2
步骤1.垂直连铸结晶器的内腔设计成正方形，正方形的边长为玻璃模具坯体直径尺寸再加5mm，按照获得铸铁石墨组织结构的要求设计结晶器中冷却水道的大小，结晶器中冷却水道为单一冷却水道，且水道的横截面积为100mm2，然后按照垂直提拉连铸的规范把结晶器安装到垂直提拉连铸要求的结晶炉上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤2.配料：将铸造生铁、废钢、75硅铁进行化学分析，按照一定组分质量百分数称取原材料，原料中各组分的质量百分数应满足如下：c为3.5％、si为2.5％、mn为1.2％、s为0.1％、p为0.1％，其余为fe和其他不可避免的杂质；
步骤3.熔炼：将步骤2称取的生铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，铁水熔炼温度为1540℃，出炉温度为1440℃；
步骤4.浇注：将熔炼的铁水倒入在底部放有称量好的粒径在0.5～3mm范围内的75硅铁粉的浇包中并在浇包中静置1min。同时将步骤1设计好的结晶器的进水口和出水口分别接上水管，控制进水口水温为25℃，进水口和出水口的温差为70℃；然后，将在浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照一定的拉拔工艺进行垂直提拉连铸的拉拔，即得到灰铸铁型材；
其中，结晶器中冷却水的流速5m/s；铁水的浇注温度为1350℃；垂直提拉连铸的拉拔工艺是“拉-停-拉-停”周期循环，其中，拉的时间是1s，停的时间是5s，拉拔速度为20mm/s。
步骤5.按照缸套、活塞环零件的技术要求，对步骤4得到的灰铸铁型材进行机械加工出缸套、活塞环零件。
制备出的空心管型材的石墨组织为a型石墨。
实施例3
步骤1.垂直连铸结晶器的内腔设计成正方形，正方形的边长为玻璃模具坯体直径尺寸再加5mm，按照获得铸铁石墨组织结构的要求设计结晶器中冷却水道的大小，结晶器中冷却水道为单一冷却水道，且水道的横截面积为100mm2，然后按照垂直提拉连铸的规范把结晶器安装到垂直提拉连铸要求的结晶炉上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤2.配料：将铸造生铁、废钢、75硅铁进行化学分析，按照一定组分质量百分数称取原材料，原料中各组分的质量百分数应满足如下：c为3％、si为2％、mn为0.9％、s为0.15％、p为0.15％，其余为fe和其他不可避免的杂质；
步骤3.熔炼：将步骤2称取的生铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，铁水熔炼温度为1530℃，出炉温度为1430℃；
步骤4.浇注：将熔炼的铁水倒入在底部放有称量好的粒径在0.5～3mm范围内的75硅铁粉的浇包中并在浇包中静置2min。同时将步骤1设计好的结晶器的进水口和出水口分别接上水管，控制进水口水温为20℃，进水口和出水口的温差为60℃；然后，将在浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照一定的拉拔工艺进行垂直提拉连铸的拉拔，即得到灰铸铁型材；
其中，结晶器中冷却水的流速4m/s；铁水的浇注温度为1330℃；垂直提拉连铸的拉拔工艺是“拉-停-拉-停”周期循环，其中，拉的时间是1s，停的时间是4s，拉拔速度为15mm/s。
步骤5.按照缸套、活塞环零件的技术要求，对步骤4得到的灰铸铁型材进行机械加工出缸套、活塞环零件。
制备出的空心管型材的石墨组织为a型石墨。
实施例4
步骤1.垂直连铸结晶器的内腔设计成正方形，正方形的边长为玻璃模具坯体直径尺寸再加5mm，按照获得铸铁石墨组织结构的要求设计结晶器中冷却水道的大小，结晶器中冷却水道为单一冷却水道，且水道的横截面积为100mm2，然后按照垂直提拉连铸的规范把结晶器安装到垂直提拉连铸要求的结晶炉上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤2.配料：将铸造生铁、废钢、75硅铁进行化学分析，按照一定组分质量百分数称取原材料，原料中各组分的质量百分数应满足如下：c为2.7％、si为1.5％、mn为1.0％、s为0.08％、p为0.06％，其余为fe和其他不可避免的杂质；
步骤3.熔炼：将步骤2称取的生铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，铁水熔炼温度为1520℃，出炉温度为1435℃；
步骤4.浇注：将熔炼的铁水倒入在底部放有称量好的粒径在0.5～3mm范围内的75硅铁粉的浇包中并在浇包中静置1min。同时将步骤1设计好的结晶器的进水口和出水口分别接上水管，控制进水口水温为20℃，进水口和出水口的温差为70℃；然后，将在浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照一定的拉拔工艺进行垂直提拉连铸的拉拔，即得到灰铸铁型材；
其中，结晶器中冷却水的流速3m/s；铁水的浇注温度为1320℃；垂直提拉连铸的拉拔工艺是“拉-停-拉-停”周期循环，其中，拉的时间是1s，停的时间是3s，拉拔速度为12mm/s。
步骤5.按照缸套、活塞环零件的技术要求，对步骤4得到的灰铸铁型材进行机械加工出缸套、活塞环零件。
制备出的空心管型材的石墨组织为a型石墨。
实施例5
步骤1.垂直连铸结晶器的内腔设计成正方形，正方形的边长为玻璃模具坯体直径尺寸再加5mm，按照获得铸铁石墨组织结构的要求设计结晶器中冷却水道的大小，结晶器中冷却水道为单一冷却水道，且水道的横截面积为100mm2，然后按照垂直提拉连铸的规范把结晶器安装到垂直提拉连铸要求的结晶炉上，且在结晶器的结晶口安装引锭头，引锭头与引锭杆相连，并通过牵引机牵引拉拔；
步骤2.配料：将铸造生铁、废钢、75硅铁进行化学分析，按照一定组分质量百分数称取原材料，原料中各组分的质量百分数应满足如下：c为3.2％、si为2.3％、mn为0.7％、s为0.1％、p为0.1％，其余为fe和其他不可避免的杂质；
步骤3.熔炼：将步骤2称取的生铁和废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，铁水熔炼温度为1520℃，出炉温度为1425℃；
步骤4.浇注：将熔炼的铁水倒入在底部放有称量好的粒径在0.5～3mm范围内的75硅铁粉的浇包中并在浇包中静置1min。同时将步骤1设计好的结晶器的进水口和出水口分别接上水管，控制进水口水温为25℃，进水口和出水口的温差为60℃；然后，将在浇包中静置处理后的铁水倒入结晶炉中，使进入结晶器的铁水包裹住引锭头并结晶凝固后开始引锭牵引，按照一定的拉拔工艺进行垂直提拉连铸的拉拔，即得到灰铸铁型材；
其中，结晶器中冷却水的流速3m/s；铁水的浇注温度为140℃；垂直提拉连铸的拉拔工艺是“拉-停-拉-停”周期循环，其中，拉的时间是1s，停的时间是3s，拉拔速度为18mm/s。
步骤5.按照缸套、活塞环零件的技术要求，对步骤4得到的灰铸铁型材进行机械加工出缸套、活塞环零件。
制备出的空心管型材的石墨组织为a型石墨。