[科普中國]-鐵合金錠

鐵合金錠是指將液態(tài)的鐵合金(俗稱鐵水)注入模中使之凝固成錠。除鋁熱法、鎢鐵和真空固態(tài)脫碳法還原產(chǎn)品之外，鐵合金的火法冶金過程最終都得到液態(tài)的鐵合金。

鐵合金澆鑄鐵合金澆鑄(ferroalloy casting)絕大多數(shù)品種的鐵合金生產(chǎn)為火法冶金過程。除鋁熱法、鎢鐵和真空固態(tài)脫碳法還原產(chǎn)品之外，鐵合金的火法冶金過程最終都得到液態(tài)的鐵合金。除?；?，澆鑄是將液態(tài)鐵合金變成固態(tài)鐵合金最常用的方法。其所用的設(shè)備多為鐵水包、錠模、澆鑄機(jī)等1。

澆鑄方法按所用設(shè)備的不同，鐵合金澆鑄有地坑(場地)澆鑄、錠模澆鑄和澆鑄機(jī)澆鑄3種方法。

地坑(場地)澆鑄法 在一個特殊構(gòu)造的地坑內(nèi)完成鐵合金的澆鑄。地坑的底部和側(cè)壁，預(yù)先鋪好與所澆鑄的合金有類似成分的固體合金，然后注入液態(tài)合金，并使之盡可能覆蓋整個地坑，形成薄薄的一層，鐵水即迅速凝固。凝固后的鐵合金，經(jīng)過一定時間的冷卻之后，其上可以再次注入液態(tài)合金。如此多次澆鑄，使整塊合金厚度達(dá)到1200～1800mm，充滿整個地坑。采用地坑澆鑄法時，在澆鑄場地內(nèi)至少應(yīng)有兩個地坑，輪流使用。一個地坑進(jìn)行澆鑄，另一個進(jìn)行取鐵和澆鑄的整理準(zhǔn)備工作。地坑澆鑄法的特點是勞動生產(chǎn)率高，不消耗錠模，生產(chǎn)費(fèi)用低，但其勞動條件較差。

錠模澆鑄法在一組或一個個錠模中進(jìn)行鐵合金的澆鑄。所澆鑄的合金品種和冶煉設(shè)備容量的不同，所用錠模的大小和材質(zhì)也不同。錠模在使用前要進(jìn)行預(yù)熱并噴灑涂料，受沖刷嚴(yán)重的部位還要墊上與所澆鑄的合金有類似成分的鐵合金(墊鐵)。鐵水注入錠模的速度和方法也是不同的，例如硅鐵采用分層多次澆注，中碳錳鐵、電爐金屬錳采用蓋渣澆鑄(渣鐵同時注入錠模，熔渣浮在上面，形成渣蓋)。合金凝固并經(jīng)過一段時間的冷卻之后，取出合金錠。錠模在做好噴灑涂料和墊鐵等準(zhǔn)備工作之后，可再次投入使用。錠模澆鑄法的特點是靈活性大，適應(yīng)任何品種鐵合金的澆鑄，勞動條件較好，但其勞動生產(chǎn)率較低，費(fèi)用較高。中國多采用這種方法。

澆鑄機(jī)澆鑄法在澆鑄機(jī)內(nèi)完成備模、注入合金、脫模等整個澆鑄過程的所有工序。盛滿液態(tài)鐵合金的鐵水包，用橋式起重機(jī)或鐵水包傾翻裝置將鐵水連續(xù)緩慢倒出，經(jīng)過流槽注入移動式的錠模，合金在錠模中凝固成錠，待其溫度自然(或輔以噴水)冷卻降至一定程度之后，錠模傾翻倒出合金錠(脫模)。空錠模經(jīng)過噴灑涂料并鋪墊一些合金底料后重新使用。澆鑄機(jī)澆鑄法的特點是生產(chǎn)率高，勞動條件好；但其投資大、生產(chǎn)費(fèi)用也大2。

澆鑄方式按其工藝位置的不同，鐵合金澆鑄有直接澆鑄和鐵水包澆鑄兩種方式。直接澆鑄是從電爐出鐵口流出液態(tài)鐵合金，經(jīng)渣鐵分離后，直接流入澆鑄地坑、錠?；驖茶T機(jī)內(nèi)完成澆鑄工作。其優(yōu)點是中間操作環(huán)節(jié)少，金屬收得率高，生產(chǎn)費(fèi)用低；缺點是對出鐵操作要求嚴(yán)格，需保持鐵水流量穩(wěn)定且應(yīng)達(dá)到渣鐵分離良好。鐵水包澆鑄則是從電爐出鐵口放出的合金先盛入鐵水包內(nèi)，然后將鐵水包通過起重運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)至適當(dāng)位置進(jìn)行澆鑄。這種澆鑄方式的優(yōu)點是對出鐵操作要求不嚴(yán)格，甚至渣鐵分離也可在鐵水包內(nèi)進(jìn)行，澆鑄位置可根據(jù)需要而改變；其缺點是中間操作環(huán)節(jié)多，生產(chǎn)費(fèi)用高。中國通常采用這種方式[3]。

鐵水包在非直接澆鑄方式中，用于盛放、運(yùn)輸液態(tài)合金的設(shè)備。此外，它還經(jīng)常起渣鐵分離的作用，即合金與熔渣從出鐵口放出之后流入鐵水包內(nèi)，合金因比重大而留在包內(nèi)，熔渣則上浮并從溢渣口溢出。有時還在鐵水包內(nèi)進(jìn)行爐外精煉。盛放各種液態(tài)鐵合金的鐵水包，主要有兩類，即有襯鐵水包和無襯鑄鋼鐵水包。

有襯鐵水包由包體和內(nèi)襯兩部分組成。包體是一鋼結(jié)構(gòu)體，由包殼、耳軸、澆鐵口和溢渣口等組成。包殼由普通鋼板焊制。用于吊運(yùn)鐵水包的耳軸鉚固在包殼上。澆鐵口和溢渣口則直接焊在包殼上，并大都位于鐵水包的上部；有的鐵水包將澆鐵口和溢渣口合并在一起。設(shè)在鐵水包上部的澆鐵口和溢渣口實際上是一短流槽。熔渣或合金通過此流槽溢流入渣罐內(nèi)或進(jìn)行澆鑄。錳硅合金和硅鉻合金鐵水包的澆鐵口常常裝在外殼側(cè)壁的最下端。因為這一類鐵合金在鐵水包內(nèi)較長時間鎮(zhèn)靜后，將有碳化硅(SiC)從合金中析出并上浮，從而使鐵水包內(nèi)下層合金中的碳含量降低。在下端裝設(shè)澆鐵口，可以做到分層澆鑄，得到不同碳含量的產(chǎn)品。同時可保證上浮到渣中的SiC不會被金屬再次吸收。設(shè)在鐵水包側(cè)壁下端的澆鐵口，其外側(cè)有一插板，插板下有一小短流槽。在盛接鐵水之前，澆鐵口先用耐火材料封死并用插板擋住，以防因鐵水壓力過大造成“漏包”事故。澆鐵前取下插板，去掉封堵澆鐵口的耐火材料，鐵水即流出。改變鐵水包的傾翻速度或傾角(適用于帶下澆口的鐵水包)，可以調(diào)節(jié)澆鑄速度。

鐵水包內(nèi)襯一般由3層組成。最外層(即與鐵水包包殼直接接觸的一層)是隔熱層，其作用是保溫和防止包殼變形，一般采用耐火纖維氈或石棉板襯筑。第2層是保護(hù)層，其作用是當(dāng)工作層被蝕薄時防止漏穿事故，一般采用黏土磚砌筑。最內(nèi)一層是工作層，根據(jù)所盛接合金的不同，采用不同材質(zhì)的耐火材料。多數(shù)品種鐵合金用的鐵水包工作層為黏土磚內(nèi)襯，硅鈣合金采用碳質(zhì)材料內(nèi)襯，中、低碳鉻鐵和微碳鉻鐵則采用鎂磚內(nèi)襯。

新砌筑的鐵水包，在使用前需用煤氣、焦炭或木料進(jìn)行烘烤。烘烤后的鐵水包，除去內(nèi)襯中的水分，以減少爆炸危險，并避免向合金中侵入氫。且烘烤后的鐵水包內(nèi)襯形成一個整體，可提高其耐沖刷、耐侵蝕的性能，延長使用壽命。

無襯鑄鋼鐵水包使用前先在包內(nèi)掛上一層爐渣，作為鐵水包的內(nèi)襯，然后再盛接鐵水。所掛爐渣要求熔點高、不會因與合金發(fā)生反應(yīng)而造成合金的污染。一般來講，中、低碳錳鐵、低碳和微碳鉻鐵等多采用無內(nèi)襯的鑄鋼鐵水包，高碳鉻鐵因其爐渣熔點高也可使用這種鐵水包。其結(jié)構(gòu)由包體和耳軸兩部分組成。包體上帶有溢渣口。鑄鋼包體的壁厚通常不小于50～80mm。壁厚過小則包體容易變形難以保證其堅固性，同時掛渣層的厚度也薄，使用將不安全。耳軸直接鑄在包體內(nèi)，其位置應(yīng)高于包重心200mm左右，以保證鐵水包吊運(yùn)過程中的穩(wěn)定3。

錠模用于容盛液態(tài)鐵合金并使之在其中凝固成合金錠的器具。鐵合金作為煉鋼的脫氧劑和合金添加劑，使用時一般是以塊狀(個別品種以粉劑或芯線狀態(tài))加入盛鋼桶內(nèi)的。因而對鐵合金錠的要求主要是化學(xué)成分均勻、致密、夾雜物少，便于加工成所需的塊度或細(xì)粉狀。不同品種的鐵合金，其凝固溫度不同，凝固后的結(jié)晶組織轉(zhuǎn)變也不同，鐵合金錠的機(jī)械性能相差很大。為了得到便于加工的鐵合金錠，需采用不同材質(zhì)、不同模鐵比的錠模，以達(dá)到不同凝固速度、不同冷卻速度的效果。大體上說來，鐵合金澆鑄常用的錠模有3類：鑄鐵錠模、襯渣錠模和碳質(zhì)錠模[3]。

鑄鐵錠模多呈上口為矩形的淺盆狀。硅鐵、微碳鉻鐵等錠模深度為100mm左右。這種淺錠模能使合金迅速凝固，防止化學(xué)成分偏析；還可使韌性合金增加脆性，有利于下步精整和破碎成塊。錳鐵、錳硅合金等采用較深些的錠模，其深度為150～200mm。錠模的寬度和長度可根據(jù)操作的方便而調(diào)整，一般為1000～3000mm。為了脫模方便，錠模內(nèi)壁要有一定的斜度，一般與水平面的夾角為30°～40°。模鐵比對鐵水初凝和提高錠模使用壽命有很大關(guān)系。硅鐵、微碳鉻鐵等的模鐵比取10～15，高碳錳鐵、錳硅合金取3～4較為適宜。鑄鐵錠模損壞的主要表現(xiàn)是其表面嚴(yán)重龜裂、沖刷侵蝕成深坑以至于造成脫模困難和錠模炸裂等。選擇合適的材質(zhì)也是提高錠模使用壽命的重要措施。鑄鐵中的磷會降低鑄件的導(dǎo)熱性，同時磷共晶與金屬基體有不同的熱膨脹系數(shù)，會增加錠模開裂傾向，故應(yīng)嚴(yán)格控制磷含量，最好是小于0.1%。鑄鐵錠模表面的龜裂與模子表面的局部氧化和鑄鐵生長(由于鑄鐵結(jié)晶組織轉(zhuǎn)變而使其體積增大，同時結(jié)構(gòu)也變得疏松)有關(guān)系。鑄鐵中保持硅含量為1.4%～1.9%和加入少量的鉻(如0.2%～0.5%)，能提高錠模受熱抗氧化的能力和降低鑄鐵生長速率，從而減少錠模內(nèi)表面的龜裂，提高錠模使用壽命。此外，在操作上注意控制合金的澆鑄溫度、錠模自身溫度，做好噴刷涂料和局部墊鐵工作，都有利于提高錠模的使用壽命。有的廠家采用拼裝式鑄鐵錠模。這種錠模便于制造，可部分更換其中已嚴(yán)重?fù)p壞的鑄件是它的優(yōu)點。

襯渣錠模在鑄鐵或鑄鋼的錠模內(nèi)襯上一層爐渣而成。在襯渣錠模內(nèi)，注入金屬和熔渣，成為蓋渣澆鑄。這樣澆鑄的鐵合金，凝固較慢，凝固后冷卻也較慢，可減少易碎合金的脆性和氣體含量，可減少10mm以下金屬碎屑的數(shù)量，有利于提高合金的質(zhì)量和收得率。鐵中、低碳錳鐵、電爐金屬錳等鐵合金，特別適于采用襯渣錠模進(jìn)行澆鑄。

碳質(zhì)錠模由加工炭塊拼裝或用電極糊搗固燒結(jié)而成。炭塊拼裝錠模的四周用角鋼固定炭塊，炭塊之間的縫隙用電極糊或耐火泥填塞；電極糊搗固燒結(jié)錠模，是在預(yù)先做好的鋼板容器內(nèi)砌黏土磚，然后搗固電極糊，并用木柴進(jìn)行焙燒。炭質(zhì)錠模用于不怕合金增碳而又希望有較低凝固速度和冷卻速度的鐵合金的澆鑄2。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)