消失模生产焦罐车耐热衬板的工艺改进

2018-01-12张有功

铸造设备与工艺 2018年1期

吴军，张有功，孙涛

（安钢集团信阳钢铁有限责任公司，河南信阳 464100）

生产焦炭的工艺有干熄焦工艺和湿熄焦工艺，现在大多数厂家都在使用干熄焦工艺。信钢公司使用的也是干熄焦工艺，用该工艺生产焦炭，不仅能实现污染物零排放，而且还能回收焦炭的余热用于发电，在环境保护和能源回收利用方面具有重大意义。

焦罐车是炼焦生产中的重要设备，焦罐车主要结构为钢结构框架和锁在框架上的衬板。使用过程中，焦罐车承接着焦炉中烧好的红焦炭，通过升降机将焦罐车提升至干熄炉顶部，然后从焦罐车底部卸入干熄炉，再利用氮气来熄灭焦炭。焦罐车在盛满焦炭时，内部温度是900℃～1 000℃，卸完焦碳等待接焦时，内部又骤然降温。所以说焦罐车内的耐热衬板是焦罐车的重要备件，如果没有衬板的保护，烧红的焦炭直接与焦罐车的钢结构接触，骤冷骤热将会使钢结构变形严重影响使用。这种工况就要求衬板不但要耐高温、有一定的韧性，而且耐激冷激热性能要好，使用过程中不能有变形、烧蚀和开裂现象，否则易发生衬板碎片脱落。如果衬板断裂脱落，既起不到保护钢结构的作用，还可能掉落到运焦皮带上造成运焦皮带的损坏。所以说，炼焦生产的正常进行及整个焦罐车使用周期长短，主要由耐热衬板质量好坏决定。

1 成分选择

耐热合金的种类很多，耐热合金究竟适合不适合生产工况的使用条件，就要根据各元素的控制和实际使用效果来检验，最终选出最优的成分配比。

铬系铸铁是耐热合金的一种，包括低铬铸铁（w（Cr）0.5%～0.2%）和高铬铸铁（w（Cr）16%～20% 、w（Cr）28%～35%），当铬的质量分数大于 25%时，组织为铁素体，耐热性能提高。选用高铬铸铁（w（Cr）28%～32%，w（C）2.0%～2.2%）生产焦罐车衬板，使用2～3个月就有断裂的现象。经过分析认为，虽然耐热铸铁耐高温（最高使用温度1 000℃～1 100℃）、硬度高，使用过程中不变形，但是其耐激冷激热性能差，脆性大、产生冷裂倾向大，在焦罐车这种时热时冷的工作环境中容易导致断裂。

选用另一种耐热钢生产衬板，控制化学成分（质量分数，%）为：w（C）0.6～0.8、w（Si）0.5～0.7、w （Mn）0.2～0.4、w （P）≤0.04、w （S）≤0.03、w（Cr）23～25、w（Mo）0.2～0.3、w（Ni）6～7.使用过程中，虽然比铬系耐热铸铁使用周期稍长，耐高温强度高、变形量小，但在4～5个月后衬板出现裂纹，分析原因是化学成分控制不合理，特别是碳与铬形成的共晶碳化物增多，且硅、锰含量低，韧性降低、脆性增加。

最后选用牌号为ZG30Cr24Ni7SiN的耐热铸钢，控制化学成分（质量分数，%）为：w（C）0.3～0.4、w（Si）1.8～2、w（Mn）1.3～1.5、w（P）≤0.04、w（S）≤0.03、w（Cr）23～26、w（Mo）（N）0.4～0.5、w（Ni）7～9.

ZG30Cr24Ni7SiN属于奥氏体高铬镍耐热钢，其不但有单一的奥氏体组织、在高温下有较高的强度和塑性，耐腐蚀能力强，耐激冷激热性能好，适用于1 100℃左右的工作环境，而且贵重合金的含量不高，利于铸造成本的控制。各元素区间的选择及其在耐热钢中的作用如下：

碳在耐热钢中对奥氏体腐蚀性能危害很大，碳含量过高，不仅耐蚀性能下降而且裂纹敏感性增大、抗冲击性能下降，并且碳量高时，碳与铬、钼等形成的共晶碳化物增多，虽然硬度能提高，但韧性降低，使衬板容易开裂，早期选用的耐热钢就是因为碳含量高而开裂。碳含量控制的太低，则基体的高温强度、硬度均有所下降，故将碳质量分数控制在0.3%～0.4%较好。

硅在耐热钢中不但能提高钢的耐热性，而且还能提高抗高温腐蚀性、淬透性和抗回火性。但是硅含量高时容易导致铸件冷脆，含量低时，铸件的韧性较差，受到外力冲击时容易断裂，所以硅的质量分数不超过2%.

锰在耐热钢中有利的一面是能提高钢的淬透性、稳定奥氏体组织，但也有增加回火脆性和晶粒粗化不利的一面。锰降低钢的冲击韧性，高的含锰量，更有可能获得穿晶组织，降低钢的耐腐蚀性，所以锰的质量分数控制在1.3%～1.5%.

铬在耐磨钢和耐热钢中都是重要的元素，具有良好的抗高温腐蚀性能和抗高温氧化性能。当钢中有足够高的含铬量时，铬能在金属表面上形成阻止腐蚀性气体向钢中扩散的氧化膜，可以提高钢的抗氧化性能。因此，钢的抗高温氧化性能主要取决于钢中铬的含量，当铬质量分数超过12%时，钢的抗高温氧化性能明显增加，当铬质量分数超过23%时，钢的抗高温氧化的性能在1 000℃～1 100℃的工作环境中是最好的，并且在激冷激热过程中不会出现相变应力。因此，衬板铬质量分数控制在23%～26%较好。

镍不仅是稳定奥氏体的元素也是形成奥氏体的元素，与铬、钼一起使用时，钢的综合性能能得到有效改善，如钢的热强度和耐腐蚀性能等，是耐热钢中的重要元素。同时，与铬、钼结合使用，可适当降低镍的含量，以获得单一奥氏体组织，所以镍的质量分数可控制在7%～9%.

钼既能提高钢的热强性和淬透性，还具有抗高温蠕变的能力。但它又是强碳化物形成元素，与碳结合易生成一次碳化物、二次碳化物，钼含量过高脆性增加。当钼质量分数为0.5%时，可降低回火脆性、提高耐热钢的热稳定性。本次钼质量分数控制在0.4%～0.5%.

2 其他细节的改进

衬板变形，是影响焦罐车使用周期的因素之一。生产衬板过程中的变形，要尽量避免。为了防止焦罐衬板在制模、组模、挂涂料、浇注过程中出现的变形、裂纹，从以下几个细节进行改进：

1）消失模工艺生产衬板，模型由EPS泡沫切成，所有筋板与筋板的相交处及筋板与衬板结合处均设置圆弧R=10 mm，凹腔内部不要出现90°的直角，如图1所示。防止铸造应力和缩孔的产生，减小裂纹的可能。

2）组模时2块为1组，件与件之间要均匀设置4根拉筋，防止铸件凝固收缩时的变形。拉筋宽×厚为50 mm×10 mm，拉筋过厚，筋与衬板接触面易形成缩孔；过薄，金属液流不过去形成浇不足，起不到拉筋作用。模型与模型间距200 mm，并且在模型四周用竹签加固，防止模型在涂挂、烘干、埋箱浇注过程中的变形。衬板组模工艺见图1.浇注采用模型竖立顶注的浇注方式，有利于铁水迅速充满型腔。浇注后，冷却时间不低于24 h才能吊出铸件，不能吊出过早，防止激冷变形。

3）浇注温度控制在1 580℃～1600℃，负压控制在 0.03 MPa～0.04 MPa，保压时间 6 min.负压过低可能导致溃型，过高仍能导致铸件变形，所以选择合理的负压也是防止铸件变形关键要素之一。

4）衬板上螺栓孔距衬板边缘要＞50 mm，防止从螺栓孔处开裂。

5）衬板长、宽尺寸按图纸下偏差生产，目的是装配时板与板之间要有足够的间隙有利于铸件的自由收缩。