一种铸铁水平连续铸造结晶器及铸铁型材的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种铸铁水平连续铸造结晶器及铸铁型材的制备方法，其中结晶器包括结晶体本体，结晶器本体的高纯石墨铸型前端设置下水口式隔离环。本发明铸铁水平连续铸造结晶器，通过在高纯石墨铸型的前端设置下水口式隔离环，利用下水口式隔离环的阻挡作用迫使铁水不能以层流方式进入高纯石墨铸型，而必须以受迫紊流形式进入高纯石墨铸型中，充分利用铁水紊流流动时产生的高速冲刷作用，将凝固前沿向后推移，使铁水进入结晶器水冷铁套强制冷却区域后再结晶凝固。采用本发明结晶器生产的铸铁型材表面光洁，避免出现下疤皮的现象，组织致密、均匀，硬度分布均匀，力学性能得到一定程度的提高，切削加工性能好，加工余量小，降低了生产成本。
【专利说明】
一种铸铁水平连续铸造结晶器及铸铁型材的制备方法
技术领域
[0001 ]本发明属于铸铁材料及铸造冶金技术领域，涉及一种铸铁水平连续铸造结晶器，本发明还涉及利用该结晶器制备铸铁型材的方法。
【背景技术】
[0002]铸铁水平连续铸造是现代高品质铸铁毛坯生产的新型技术，已被列为国家级科技成果重点推广项目。“铸铁水平连铸技术”被国家环保总局和国家经贸委联合公告2003年第23号[国家重点行业清洁生产技术导向目录]第16项，被认定为重点优先发展的清洁制造技术项目。由于铸铁型材具有组织致密、石墨细小、综合机械加工性能好、耐压性能和抗疲劳性能特别优良、铸造缺陷少等特点，已经在机械、液压、冶金、纺织、印刷等行业和领域得到了广泛应用，成为目前产品升级和更新换代的铸铁首选材料。
[0003]铸铁型材的生产是一个连续生产过程，按照需要调整成分和孕育后或经球化再孕育后的铁水浇入保温炉，经安装于保温炉下部的结晶器冷却凝固成一定厚度的凝壳，再经牵引机以“拉-停-拉”工艺拉出结晶器外，连续生产铸铁型材。
[0004]由于铸铁型材生产过程铁水是在水冷石墨铸型内得到冷却凝固成形的，其冷却效果会直接影响水平连铸工艺的顺利实施和铸铁型材的微观组织及外观质量。然而，高纯石墨铸型高的导热系数致使铁水冷却速度非常快，因而当铁水进入石墨铸型与石墨接触后，石墨的急冷作用使铁水迅速降温并形核，凝固前沿始终逆向于牵引拉拔方向，向保温炉方向生长。当形核核心不断长大，沿着石墨铸型内壁生长。由于重力作用，铁液中的晶核会沉积下来，下部的晶核密度相较上部更多，在凝固过程中，枝晶在晶核基础上生长，因此下部会优先凝固，并且在重力作用下，下部铁水与结晶器的接触更为紧密，更加贴合，这就有利于发挥水冷结晶器石墨铸型的冷却作用，而石墨铸型内壁也可作为形核的核心，诱发形核并结晶。上部的铁水则与石墨铸型内壁的接触不是那么紧密，并且由于结晶潜热的释放，更加不利于上部铁水的凝固。在石墨铸型内下部的凝固前沿先于上部靠近保温炉，如图1所示。然而，由于在高温下石墨铸型内的铁水凝壳强度较低，尤其是下部凝壳较薄时，在拉拔时强度不足以使其高于凝壳与石墨铸型的摩擦力，此时凝壳被拉断而滞留于石墨铸型内或滞留于石墨铸型与保温炉的接口处，如图2所示。因此，在铸铁型材的表面总能看到均匀倾斜的步长线。在铸铁水平连铸生产工艺过程中，往往因为底部熔液先于上部凝固，拉拔停止后，铁水将拉断的这部分凝壳包裹起来，与前面的凝壳焊合，这样周期性的拉断，再由铁水焊合，再拉断，当拉拔若干个周期后，铸型内每次被拉断的凝壳不断生长，凝壳不断加厚，当其强度足以抵抗摩擦力时，与前面的凝壳一起拉拔向前运动。此时，由于拉拔过程中凝壳卷曲或翻转，铁水流入凝壳与石墨铸型间的气隙，即形成重皮或结疤。后续覆盖的铁水通过拉断的凝壳导热，这部分拉断的凝壳冷却能力相对于直接与石墨接触的铁水降低，冷却较慢，停留在1000°C左右高温下时间相对较长，因此型材金相组织相对粗大，这就是铸铁型材下疤皮间歇出现的原因。根据铸铁型材的截面尺寸的不同，下疤皮的厚度也不尽相同，有的甚至达到20_。下疤皮的主要危害是:出现下疤皮时，铸铁型材表面不光滑，常伴有重皮、未焊合及金相组织粗大问题，加工零件时下疤皮位置即使把重皮和未焊合缺陷加工掉，由于组织中晶粒尺寸不同或组织构成不同，宏观看外观色泽不相同。同时，由于这部分组织粗大，有可能会影响材料的力学性能和使用性能。
[0005]由此可见，铸铁水平连续铸造结晶器及其结构是控制凝固的核心，如何避免温度较低的铁水或较薄的凝壳在石墨铸型内靠近保温炉端长时间停留或断裂是消除下疤皮缺陷的关键。如何改变结晶器内的铁水流动状态，降低铁水进入结晶器石墨铸型内上部铁水的流速，加快底部铁水的流动速度，从而进而推迟底部铁水的凝固前沿位置，使铁水底部的凝固区域向结晶器内推移，避免凝固前沿靠近保温炉，这是解决问题的出发点。上述分析可知，优化结晶器石墨铸型的结构是消除下疤皮缺陷的关键。
[0006]目前，铸铁型材水平连续铸造普遍采用的结晶器石墨铸型结构有两种:一种是无隔离环，石墨铸型较水冷铁套长，伸出端直接塞进保温炉，并用接口耐火材料对接和密封；另一种是采用直通式隔离环，隔离环内径与石墨铸型内孔的直径相同或略小一点。这两种传统方法操作都比较简单、方便，但均不能解决下疤皮缺陷。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种铸铁水平连续铸造结晶器，解决了现有结晶器制备得到的铸铁型材出现下疤皮的问题。
[0008]本发明的另一个目的是提供一种利用上述结晶器制备铸铁型材的方法。
[0009]本发明所采用的技术方案是，一种铸铁水平连续铸造结晶器，包括结晶体本体，结晶器本体的高纯石墨铸型前端设置下水口式隔离环。
[0010]本发明的特点还在于，
[0011]下水口式隔离环通过隔离环止口和耐热接口材料与高纯石墨铸型连接。
[0012]下水口式隔离环的内孔截面形状根据高纯石墨铸型内孔的截面形状确定。
[0013]当高纯石墨铸型的外部截面为圆形、内孔截面为圆形时，下水口式隔离环的外部截面也为圆形，内孔截面形状为半圆形、内侧带有凸起的半圆形或半圆环形，其中内孔半圆部分的半径和高纯石墨铸型的内孔半径相同。
[0014]当高纯石墨铸型的外部截面为圆形、内孔截面为正六边形时，下水口式隔离环的外部截面也为圆形，内孔截面形状为相应的半正六边形、内侧带有半圆凸起的半正六边形或内侧带有梯形凸起的半正六边环形，其中，内孔截面形状的半正六边形尺寸与高纯石墨铸型的内孔正六边环形一致。
[0015]当高纯石墨铸型的外部截面为圆形、内孔截面为正方形，下水口式隔离环的外部截面也为圆形，下水口式隔离环的截面的内孔截面形状为相应的半正方形、内侧带有半圆凸起的半正方形或半正方环形，其中，内孔截面形状的半正方形尺寸与高纯石墨铸型的内孔正方形一致。
[0016]当高纯石墨铸型的外部截面为方形，内孔截面为正方形时，下水口式隔离环的外部截面也为方形，内孔截面形状为相应的半正方形、内侧带有矩形凸起的半正方形或半正方凹形，其中，内孔截面形状的半正方形尺寸与高纯石墨铸型的内孔正方形一致。
[0017]本发明所采用的第二个技术方案是，利用上述结晶器制备铸铁型材的方法，将结晶器安装在保温炉上，将铁水浇入保温炉后，以“拉-停-拉”工艺连续铸造铸铁型材。
[0018]本发明的特点还在于，
[0019]铸铁型材的步长控制在50?100mm。
[0020]本发明的有益效果是，本发明铸铁水平连续铸造结晶器，通过在高纯石墨铸型的前端设置下水口式隔离环，利用下水口式隔离环的阻挡作用迫使铁水不能以层流方式进入高纯石墨铸型，而必须以受迫紊流形式进入高纯石墨铸型中，充分利用铁水紊流流动时产生的高速冲刷作用，将凝固前沿向后推移，使铁水进入结晶器水冷铁套强制冷却区域后再结晶凝固。同时，改变“拉-停-拉”工艺中停的时间，提高拉停频率，使铁水在石墨铸型内的水冷区强制冷却，即使有部分断裂的凝壳，在下水口产生的紊流铁水的高速冲刷作用下也会重熔，从而避免出现下疤皮缺陷。
[0021]采用本发明结晶器生产的铸铁型材表面光洁，避免出现下疤皮的现象，组织致密、均匀，硬度分布均匀，力学性能得到一定程度的提高，切削加工性能好，加工余量小，降低了生产成本。整个系统使用安全，操作方便，具有生产效率高，节约能源等优点。
【附图说明】
[0022]图1是铸铁水平连续铸造无隔离环的普通结晶器结构示意图；
[0023]图2是图1结构凝壳拉断并产生疤皮缺陷的结构示意图；
[0024]图3是本发明铸铁水平连续铸造结晶器的结构示意图；
[0025]图4是图3的下水口隔离环安装局部放大图；
[0026]图5是当高纯石墨铸型的外部截面为圆形、内孔截面为圆形时，下水口式隔离环相对应的形状;其中a为高纯石墨铸型，b、c、d为下水口式隔离环相对应的形状；
[0027]图6是当高纯石墨铸型的外部截面为圆形、内孔截面为正六边形时，下水口式隔离环的形状;其中a为高纯石墨铸型，b、c、d为下水口式隔离环相对应的形状；
[0028]图7是当高纯石墨铸型的外部截面为圆形、内孔截面为正方形时，下水口式隔离环的形状;其中a为高纯石墨铸型，b、c、d为下水口式隔离环相对应的形状；
[0029]图8是当高纯石墨铸型的外部截面为方形，内孔截面为正方形时，下水口式隔离环的形状;其中a为高纯石墨铸型，b、c、d为下水口式隔离环相对应的形状。
[0030]图中，1.结晶器水冷铁套，2.进水口，3.出水口，4.保温炉炉体壁，5.耐热接口材料，6.下水口式隔离环，7.保温炉炉衬，8.铁水，9.高纯石墨铸型，10.铸铁型材。
【具体实施方式】
[0031 ]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0032]本发明铸铁水平连续铸造结晶器，如图3所示，包括结晶体本体，结晶器本体的高纯石墨铸型9前端设置下水口式隔离环6。
[0033]如图4所示，下水口式隔离环通过隔离环止口和耐热接口材料5与高纯石墨铸型9连接。
[0034]下水口式隔离环的内孔截面形状根据高纯石墨铸型内孔的截面形状确定。
[0035]如图5所示，当高纯石墨铸型的外部截面为圆形、内孔截面为圆形时，下水口式隔离环的外部截面也为圆形，内孔截面形状为半圆形、内侧带有凸起的半圆形或半圆环形，其中内孔半圆部分的半径和高纯石墨铸型的内孔半径相同。
[0036]如图6所示，当高纯石墨铸型的外部截面为圆形、内孔截面为正六边形时，下水口式隔离环的外部截面也为圆形，内孔截面形状为相应的半正六边形、内侧带有半圆凸起的半正六边形或内侧带有梯形凸起的半正六边环形，其中，内孔截面形状的半正六边形尺寸与高纯石墨铸型的内孔正六边环形一致。
[0037]如图7所示，当高纯石墨铸型的外部截面为圆形、内孔截面为正方形时，下水口式隔离环的外部截面也为圆形，下水口式隔离环的截面的内孔截面形状为相应的半正方形、内侧带有半圆凸起的半正方形或半正方环形，其中，内孔截面形状的半正方形尺寸与高纯石墨铸型的内孔正方形一致。
[0038]如图8所示，当高纯石墨铸型的外部截面为方形，内孔截面为正方形时，下水口式隔离环的外部截面也为方形，内孔截面形状为相应的半正方形、内侧带有矩形凸起的半正方形或半正方凹形，其中，内孔截面形状的半正方形尺寸与高纯石墨铸型的内孔正方形一致。
[0039]高纯石墨铸型的内孔截面形状决定了铸铁型材截面形状;高纯石墨铸型镶嵌在结晶器水冷铁套I中，结晶器水冷铁套I上设置进水口2和出水口3，结晶器水冷铁套I与高纯石墨铸型9，下水口式隔离环6及隔离环耐热接口材料5组成铸铁水平连铸结晶器;结晶器水冷铁套I安装于保温炉炉体壁4上，与保温炉炉体壁4相连的为保温炉炉衬7，炉衬内为铁水8，尚纯石墨铸型9内为铸铁型材I O。
[0040]利用上述结晶器制备铸铁型材的方法，将结晶器安装在保温炉上，将铁水浇入保温炉后，以“拉-停-拉”工艺连续铸造铸铁型材，其中铸铁型材的步长控制在50?100_。
[0041]本发明铸铁水平连续铸造结晶器生产铸铁型材的工作过程为:
[0042]冲天炉或电炉熔化的铁水经过碳当量等炉后检测与成分调整，再经炉前孕育或球化处理+孕育、温度和白口检验后，再经扒渣后浇入保温炉，铁水在自身重力静压力作用下经下水口式隔离环流入水冷结晶器的高纯石墨铸型内。由于增加了下水口式隔离环，铁水进入高纯石墨铸型时受到下水口式隔离环的阻挡作用迫使铁水不能以层流方式进入石墨铸型，而必须以受迫紊流形式进入石墨铸型中，充分利用铁水紊流流动时产生的高速冲刷作用，将凝固前沿向后推移，使铁水进入水冷铁套强制冷却区域后结晶凝固。
[0043]同时，由于下水口式隔离环改变了铁水进入高纯石墨铸型的流动方式，必须保证铁水的凝固前沿不能移至下水口式隔离环位置，否则必然形成冷隔缺陷或凝固的铁水将下水口式隔离环包裹住而拉拔时造成下水口式隔离环或高纯石墨铸型遭到破坏。因此，必须改变普通“拉-停-拉”工艺中停的时间，提高拉停频率，充分利用下水口式隔离环产生的紊流铁水的冲刷作用将拉断的凝壳重熔，使铁水在石墨铸型内的水冷区强制冷却，即使有部分断裂的凝壳，在下水口产生的紊流铁水的冲刷作用下也会重熔，从而避免出现下疤皮缺陷。当然，“改变‘拉-停-拉’工艺中停的时间”在实际生产控制时不容易实现，经对比研究和生产对比发现，采用下水口式隔离环后，生产时将铸铁型材的步长控制在50-100_，即通过控制常规生产铸铁型材的步长80-120mm减小至50-100mm，从而间接实现“改变‘拉-停-拉’工艺中停的时间”的目的。
[0044]采用下水口式隔离环的结晶器和相应的生产工艺可以通过使用不同截面形状的石墨铸型结晶器和生产工艺生产不同截面形状的铸铁型材。另外，通过铁水成分和炉前处理工艺的改变，实现不同材质的无下疤皮缺陷的铸铁型材生产。
[0045]采用本发明结晶器和相应的生产工艺，在增设下水口式隔离环之后，利用新的工艺在生产过程可以改变型材上部和下部的凝固顺序，缩小上下凝固前沿的差别，避免步长线过于倾斜，并缩小步长至50-100mm，从而缩小了型材的断面组织和性能差异，生产的铸铁型材无疤皮缺陷。
[0046]本发明铸铁水平连续铸造结晶器，结构紧凑合理，思路新颖。本发明与普通铸铁型材水平连续铸造相比，由于采用了下水口式隔离环结晶器，避免型材疤皮缺陷的产生，与此同时，系统使用安全，操作方便，提高了生产效率，使型材断面组织和硬度分布均匀，力学性能提高，切削加工性能提高，表面光洁，加工余量小，降低了成本。铸铁型材晶粒细小、组织致密，无铸造缺陷。整个系统使用安全，操作方便，具有生产效率高，节约能源等优点。
[0047]本发明不仅适合于铸铁型材的水平连续铸造，也适合其它金属及合金型材的连续铸造。
[0048]实施例1
[0049]采用下水口式隔离环结晶器水平连续铸造Φ80_灰口铸铁型材。
[0050]下水口式隔离环结晶器采用图5第一行的石墨铸型，下水口式隔离环采用图5第一行第一个，即半圆形截面的。石墨铸型9的内孔尺寸为Φ80πιπι。将浮硅孕育后的灰铁铁水浇入保温炉后，开始以“拉-停-拉”工艺双流水平连续铸造Φ 80mm灰口铸铁型材，铸铁型材的步长控制在60-70_，单班生产2.5吨/小时。
[0051 ] 实施例2
[0052]采用下水口式隔离环结晶器水平连续铸造Φ180_球铁型材。
[0053]下水口式隔离环结晶器采用图5第一行的石墨铸型，下水口式隔离环采用图5第一行第三个，即半环形截面的。石墨铸型9的内孔尺寸为Φ 180mm。将球化后的铁水采用浮硅孕育后浇入保温炉后，开始以“拉-停-拉”工艺单流水平连续铸造Φ 180_球铁型材，铸铁型材的步长控制在80-100mm，单班生产2.5吨/小时。
[0054]实施例3
[0055]采用下水口式隔离环结晶器水平连续铸造对边为120_正六边形截面球铁型材。
[0056]下水口式隔离环结晶器采用图5第二行的石墨铸型，下水口式隔离环采用图5第二行第二个，即中间形截面的。石墨铸型9的内孔尺寸为对边120_正六边形。将球化后的铁水采用浮硅孕育后浇入保温炉后，开始以“拉-停-拉”工艺单流水平连续铸造对边120mm正六边形截面球铁型材，铸铁型材的步长控制在70-90_，单班生产2吨/小时。
[0057]实施例4
[0058]采用下水口式隔离环结晶器水平连续铸造对边为150mm正方形截面球铁型材。
[0059]下水口式隔离环结晶器采用图5第三行的石墨铸型，下水口式隔离环采用图5第三行第二个，即中间形截面的。石墨铸型9的内孔尺寸为对边150_正方形。将球化后的铁水采用浮硅孕育后浇入保温炉后，开始以“拉-停-拉”工艺单流水平连续铸造对边150mm正方形截面球铁型材，铸铁型材的步长控制在60-90_，单班生产2.3吨/小时。
[0060]实施例5
[0061 ]采用下水口式隔离环结晶器水平连续铸造对边为200mm正方形截面灰口铸铁型材。
[0062]下水口式隔离环结晶器采用图5第四行的石墨铸型，下水口式隔离环采用图5第四行第三个，即半环形截面的。石墨铸型9的内孔尺寸为对边200mm正方形。将采用浮硅孕育后的铁水浇入保温炉后，开始以“拉-停-拉”工艺单流水平连续铸造对边200mm正方形截面球铁型材，铸铁型材的步长控制在80-100_，单班生产2.6吨/小时。
【主权项】
1.一种铸铁水平连续铸造结晶器，其特征在于，包括结晶体本体，结晶器本体的高纯石墨铸型(9)前端设置下水口式隔离环(6)。2.根据权利要求1所述的铸铁水平连续铸造结晶器，其特征在于，所述下水口式隔离环(6)通过隔离环止口和耐热接口材料与高纯石墨铸型(9)连接。3.根据权利要求1所述的铸铁水平连续铸造结晶器，其特征在于，所述下水口式隔离环(6)的内孔截面形状根据高纯石墨铸型(9)内孔的截面形状确定。4.根据权利要求3所述的铸铁水平连续铸造结晶器，其特征在于，当高纯石墨铸型(9)的外部截面为圆形、内孔截面为圆形时，下水口式隔离环(6)的外部截面也为圆形，内孔截面形状为半圆形、内侧带有凸起的半圆形或半圆环形，其中内孔半圆部分的半径和高纯石墨铸型(9)的内孔半径相同。5.根据权利要求3所述的铸铁水平连续铸造结晶器，其特征在于，当高纯石墨铸型(9)的外部截面为圆形、内孔截面为正六边形时，下水口式隔离环(6)的外部截面也为圆形，内孔截面形状为相应的半正六边形、内侧带有半圆凸起的半正六边形或内侧带有梯形凸起的半正六边环形，其中，内孔截面形状的半正六边形尺寸与高纯石墨铸型(9)的内孔正六边环形一致。6.根据权利要求3所述的铸铁水平连续铸造结晶器，其特征在于，当高纯石墨铸型(9)的外部截面为圆形、内孔截面为正方形，下水口式隔离环(6)的外部截面也为圆形，下水口式隔离环的截面的内孔截面形状为相应的半正方形、内侧带有半圆凸起的半正方形或半正方环形，其中，内孔截面形状的半正方形尺寸与高纯石墨铸型(9)的内孔正方形一致。7.根据权利要求3所述的铸铁水平连续铸造结晶器，其特征在于，当高纯石墨铸型(9)的外部截面为方形，内孔截面为正方形时，下水口式隔离环(6)的外部截面也为方形，内孔截面形状为相应的半正方形、内侧带有矩形凸起的半正方形或半正方凹形，其中，内孔截面形状的半正方形尺寸与高纯石墨铸型(9)的内孔正方形一致。8.利用权利要求1?7所述的结晶器制备铸铁型材的方法，其特征在于，将权利要求1?7所述的结晶器安装在保温炉上，将铁水浇入保温炉后，以“拉-停-拉”工艺连续铸造铸铁型材。9.根据权利要求8所述的制备铸铁型材的方法，其特征在于，铸铁型材的步长控制在50?10mm0
【文档编号】B22D11/047GK106001469SQ201610530313
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】徐春杰, 郭权芬, 冯港雯, 刘永辉, 张忠明
【申请人】西安理工大学