大型船用蠕墨鑄鐵機體工藝要點探究

田普昌，許景峰，姜愛龍，楊淑欣，王 杰，張敏之

（1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261001；2.濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261101）

隨著全球化進程的不斷推進，作為跨國運輸主要方式的船運，其運輸時間、距離和頻次都有了大幅度的上升，由此對船體發(fā)動機性能提出了更高的要求。蠕墨鑄鐵機體具有強度高、防爆性好等特點，且蠕鐵的應用提高了發(fā)動機的耐久性和使用壽命，故被廣泛應用在商用車和工程機械等領域。但由于船用機體噸位大，蠕化過程極難控制，生產難度很大，導致目前船用市場上機體材質基本為灰鐵和球鐵，還未推出相關大型蠕鐵系列產品。因此探究和改進大型蠕鐵船用機體的工藝過程具有十分重要的現(xiàn)實意義。綜合目前蠕墨鑄鐵的生產，本文以公司自主研制的材質為RuT400 的大型船用WH20 機體鑄件為例，選擇從熔煉工藝、蠕化處理、檢測優(yōu)化三個方面來闡述大型船用蠕墨鑄鐵件生產的工藝要點，實現(xiàn)批量穩(wěn)定生產。

1 熔煉工藝

1.1 原材料控制

蠕墨鑄鐵在工業(yè)生產中的原材料有生鐵、廢鋼、回爐料、增碳劑等。原材料的選擇在很大程度上決定了熔煉鐵水的成分，而鐵水成分的控制一直以來是蠕墨鑄鐵生產的難點之一。因此選用材質穩(wěn)定，成分單一的原材料（如采用低硫、低鈦、低磷、高碳低硅的生鐵及形狀規(guī)則、厚度均勻的碳素鋼板等）對推動蠕墨鑄鐵件生產的持續(xù)和穩(wěn)定具有重要的積極意義。對于生產過程更難控制的大型船用蠕鐵件來說，原材料的控制更為重要。如材質為RuT400 船用WH20 機體鑄件配料比可見表1.若原材料控制不當，可能會導致鐵水內S 元素含量不穩(wěn)定，某些微量元素過多而改變石墨形態(tài)等結果，影響了機體的性能，造成產品的報廢，進而導致資源的浪費及成本的升高。

1.2 熔煉過程控制

本公司熔煉生產設備采用的為德國ABP 公司生產的8 t 和20 t 兩種型號的中頻電磁感應電爐，該設備具有極好的適應性，能夠熔化多種成分、溫度的鐵水，滿足了不同型號產品生產的需求。由于感應電爐調整成分較為簡便，通過合理控制鐵水成分及其范圍（見表2），可提高大型船用蠕墨鑄鐵件質量的一致性。

表1 船用WH20 機體鑄件原材料配料比（質量分數(shù)，%）

感應電爐生產的鐵水具有白口傾向大及收縮傾向大等特點。由于過冷傾向較大，需在1 500 ℃～1 550 ℃的溫度下靜置5 min～15 min，在靜置狀態(tài)下會使爐內沉渣上浮，起到凈化鐵水效果。其中靜置時間不宜過長，以免電爐表層鐵水過度氧化。

表2 原鐵水成分（質量分數(shù)，%）

1.3 出鐵量控制

精確控制蠕化處理鐵水量是控制蠕化穩(wěn)定生產的重要條件。蠕化處理加入的蠕化劑量是根據(jù)出鐵量計算得到的，出鐵量的變化會影響蠕化效果。另外鑄件重量是一定的，出鐵量過多（能源浪費及增加后處理難度）或過少（鐵量較少，冷卻時造成后續(xù)鐵量供應不足，易造成蠕鐵件的縮孔）都不利于蠕鐵件的生產。

1.4 鐵水包的選擇

一般來說，澆包處理鐵液的重量約為1 t～5 t，不滿足大型船用蠕鐵件的生產，因此本公司自行設計了幾款大噸位蠕鐵包，處理鐵液重量最大可達10 t.船用WH20 機體鑄件采用的澆包處理鐵水重量可達8 t，如圖1 所示。蠕鐵澆包與灰鐵澆包略有不同，其高徑比多為1.2～1.5，為“細長型”。目的是為了提高蠕化劑的吸收率，增加鎂蒸氣和鐵液的接觸時間。

圖1 澆包實物圖

1.5 出鐵溫度控制

大型船用蠕墨鑄鐵件生產過程中出鐵量大，出鐵時間長，需要嚴格控制其出鐵溫度。這是因為大型蠕鐵件在蠕化處理及澆注等過程中用時較多，溫度下降較大，易造成鑄件出現(xiàn)縮松等缺陷，故需要適當提高出鐵溫度，一般溫度范圍為1 480 ℃～1 520 ℃.

2 蠕化處理

2.1 包芯線成分

目前喂線法常采用含Mg 質量分數(shù)為5%～7%的包芯線，但大型船用蠕鐵件在進行蠕化處理時由于喂線長度及喂線時間長，使鐵水中浮渣增多，易在表面形成浮渣層，不利于進一步的蠕化處理，需要扒渣后進行二次喂線，導致過程復雜，增加了蠕化處理的不穩(wěn)定性。因此本公司研發(fā)采用了高含鎂量（10%～12%）包芯線，解決了大型船用蠕鐵件分步處理的難題。具體高鎂包芯線成分如表3.

表3 高鎂包芯線化學成分（質量分數(shù)，%）

2.2 蠕化處理溫度

對于大型船用蠕鐵件生產來說，要根據(jù)鐵水成分、鑄件大小、壁厚情況、澆注溫度及生產條件等因素確定蠕化處理溫度，一般來說，8t 的船用WH20 機體鑄件的蠕化處理溫度控制范圍為1450℃～1 480 ℃.

2.3 蠕化處理時間

在蠕化處理中，只有保證蠕化反應充分進行，才能穩(wěn)定鎂的吸收率，進而保證蠕化率，因此蠕化反應速度不宜過快。對于大噸位蠕鐵生產來說，綜合鐵水量較大以及蠕化線Mg 含量較高的影響，其蠕化時間為1 min～2 min，蠕化處理喂線速度為30 m/s～50 m/s.經多次測試，確定船用WH20 機體鑄件的蠕化時間約為70 s～80 s.

2.4 蠕化處理設備

2.4.1 喂線處理站

一般的蠕墨鑄鐵件生產采用的是叉車叉運運輸包的方式，而對于大型船用蠕墨鑄鐵件來說，叉車載重不夠，因此我們對喂線處理站進行了系列改造。改造后蠕化處理采用吊車吊運或者平板式運輸?shù)姆绞剑唧w如圖2 所示。同時蠕化站改為可以同時運行四種不同成分的包芯線，實現(xiàn)了“一機多用”，同時滿足了普通及大型船用蠕鐵件的蠕化處理。

圖2 喂線處理站

2.4.2 OCC 熱分析儀

為了更好地控制蠕墨鑄鐵件生產過程，采用德國生產的OCC 熱分析儀，其原理是通過測量鐵水的凝固曲線，提取并分析某些特征點，從而推斷鐵水成分含量、石墨形態(tài)、蠕化孕育能力等特點。通過使用OCC 熱分析技術可以準確判斷出鐵液的CE、液相線、蠕化和孕育效果，得到合格蠕化率的蠕墨鑄鐵材料。采用熱分析儀對蠕化處理后鐵水進行實時測試，得到結果如圖3，可以發(fā)現(xiàn)液相線溫度為1 140 ℃，孕育和蠕化情況良好等信息，通過熱分析儀，更加直觀了解蠕化過程中鐵液的變化。

3 蠕墨鑄鐵的檢測分析

3.1 鐵水的檢測

將熔煉后的鐵水通過C-S 分析和光譜測試分析，確定鐵水中的各元素的含量，重點關注C、S、Mn等元素的含量，并對各元素含量進行調控（如C 含量較低時加入增碳劑，C 含量較高時加入廢鋼等），確保各元素的含量在規(guī)定的范圍內。其中由于某些元素會隨著在爐內保溫時間的延長，損耗較為嚴重，因此需隔一定時間（2 h～3 h）測量爐內鐵水成分，以保證爐內鐵水成分合格。

3.2 鑄件的檢測

為了分析大型船用蠕鐵件本體的蠕化質量情況，選擇船用WH20 機體鑄件本體不同區(qū)域進行了蠕化率、內部超聲波及性能檢測。

3.2.1 成分檢測

對蠕化處理后的光譜試樣進行光譜分析后，得到試樣的化學成分，如表4 所示。對關鍵元素含量進行檢查，看是否滿足標準。

表4 光譜試樣化學成分表（質量分數(shù)，%）

3.2.2 蠕化率檢測

為了保證鑄件符合標準，對船用WH20 機體鑄件的不同位置進行金相測試，結果如圖4 所示，其中4a）為鑄件厚大位置，4b）為鑄件壁薄部分。從結果來看，厚達和壁薄部分蠕化率都約為80%，符合材質標準。

3.2.3 超聲波檢測

在鑄造生產中，由于材質的不同，超聲波在灰鐵、蠕鐵、球鐵中具有不同速率，并由其中發(fā)現(xiàn)了超聲波直線傳播速率隨蠕化率的升高而增加的特點，因此通過大量生產數(shù)據(jù)統(tǒng)計，建立起符合本公司產品的蠕化率及超聲波傳播速率的關系圖，如圖5 所示。研究表明，樣塊上下平面的平行度、超聲波探頭與試樣表面垂直度以及珠光體的含量的增加等對聲波聲速的影響較小，因此超聲波可以大規(guī)模的應用在復雜環(huán)境的工業(yè)生產中，作為檢測產品中是否產生片狀石墨的重要技術之一。由于大型船用蠕墨鑄鐵件體積較大，同一鑄件內的不同位置同樣可能產生蠕化狀態(tài)差距較大的情況，檢測較為困難，因此可以通過便攜式的超聲波檢測設備對鑄鐵件的關鍵位置進行測試。對船用WH20 機體鑄件的軸承檔、油底殼結合面等位置進行了超聲波檢測，得到的數(shù)值在圖5 所示B 區(qū)域的不同位置。這表明在較大機體中，蠕化情況有所波動，這與鐵水在鑄型中不同的冷卻速度有關。

圖3 熱分析儀檢測圖

圖4 不同位置船用WH20 機體金相圖片

圖5 蠕化率及超聲波傳播速率的關系

表5 船用WH20 性能指數(shù)

3.2.4 性能檢測

為了真實反映船用WH20 機體鑄件的性能，對本體進行了切割，分別進行了硬度、拉伸強度、伸縮率等性能的測試，結果如表5 所示。結果表明，鑄件本體性能符合RuT400 的標準要求。

4 結束語

對于大型蠕鐵件來說（如船用WH20 機體鑄件），通過精確控制工藝要點（如控制鐵水成分范圍、控制出鐵量、控制出鐵溫度、控制蠕化時間等工藝要點），爐前采用OCC 熱分析技術進行蠕化及孕育效果等實時檢測控制，優(yōu)化生產流程、嚴格產品質量檢測等生產工藝控制措施，可有效地提升產品合格率，實現(xiàn)大型船用蠕鐵件規(guī)模化穩(wěn)定生產。