【摘要】介绍了烧结机进料系统衬板化学成分的合金元素组成，以及其冶炼工艺、铸造工艺和热处理工艺要点。
2000年底在鞍钢集团东鞍山烧结厂建成投产的360m³烧结机，其进料系统衬板的材料采用ZG310—570，使用寿命不到3个月，频繁更换衬板，对烧结生产造成很大影响，为此，我公司接受提高该衬板使用寿命的研制任务。从衬板的工况特点来看，主要承受200～300℃烧结矿在其表面滚动的磨料磨损，由于工况温度不高，因此其抗氧化性能可不用特殊考虑。据资料介绍，磨料磨损由两部分组成：一部分为切削机制引起的磨损，它主要取决于材料的硬度；另一部分为疲劳机制引起的磨损，反映材料的韧性。因此，冲击磨损与材料的硬度和韧性两个因素有关，所以要研制的衬板材料必须具有较高的硬度和冲击韧度。
一、衬板化学成分的选择
刚投产时，衬板采用Z310—570材料制造，这种材料耐磨性好，但脆性大，冲击韧度较差，在烧结矿料的反复冲击磨损下易脱落，最后造成脱落位置被逐渐磨穿而失效。
目前，有的厂家采用高锰钢材料，但高锰钢的原始硬度为180～229HBW，在非强烈冲击工况条件下，高锰钢得不到充分的加工硬化，造成抗磨性能差，使用寿命同样较短。
近年来，低合金钢作为耐磨钢使用日益引起人们的重视，由于低合金钢的力学性能，特别是硬度可在很大范围内调整，使钢具有良好的冲击韧度和耐磨性能，所以我们决定采用低合金钢做为衬板的材料。这种材料的基体为马氏体组织，在保证较好韧性的前提下具有足够的硬度。材料的化学成分范围选择如下：
(1)碳 碳是影响钢的组织和性能的主要元素，具有强化固溶体、提高淬透性的作用，与铬、锰等合金元素形成合金碳化物，碳含量的高低直接影响着淬火后的基体马氏体的类型，因此影响着钢的强度、硬度、韧性，从而影响着钢的耐磨性。据资料介绍，当w
c＞0.55％时，基体组织为粗大竹叶状马氏体，硬度高，但韧性差，不宜采用；碳含量低时，韧性较好，但由于不能形成一定量的碳化物，强度、硬度较低，耐磨性较差，且会使钢的熔点升高，流动性变差，易产生氧化和热裂。所以选择w
c=0.45％～0.55％。
(2)锰 加入Mn是为了增加淬透性，易获得马氏体组织。Mn一部分固溶强化基体，一部分与铬等合金元素形成碳化物，提高钢的强度和硬度，但锰量过高，易产生过多的残余奥氏体，显著降低材料的耐磨性，增加过热敏感性，因此选择w
Mn=0.5％～1.0％。
(3)硅 加入Si，不但可与锰配合明显提高淬透性，而且能在一定程度上抑制Mn带来的过热敏感性，避免了奥氏体晶粒长大的不良倾向，同时可使第一次回火脆性提到更高的温度。但是硅含量过高，易使韧性降低，因此确定w
Si＝0.3％～0.8％。
(4)铬 加入铬是为了提高钢的强度和硬度。铬是强碳化物形成元素，在钢中形成合金碳化物。铬溶于奥氏体中强化基体，增加钢的淬透性。回火时铬阻碍或减缓碳化物析出和聚集，使之保持较大的分散度。铬还能细化晶粒，提高回火稳定性。但含铬高会造成导热性差，在一次结晶中形成粗大树枝晶，增大铸件热裂倾向，促进回火脆性。因此确定w
Cr=1.5％～2.5％。
(5)钼 能消除或减弱回火脆性，发挥其提高淬透性、回火稳定性、细化晶粒、改善碳化物形态和分布的作用。钼和铬同时加入还可强烈抑制过冷奥氏体向珠光体转变，使钢具有较高的韧性，但由于价格昂贵，因此确定w
Mo=0.2％～0.4％。
(6)铜 不形成碳化物，以固溶态存在于基体中，可改善钢的韧性。此外还有类似镍的作用，能提高淬透性和基体的电极电位，增加钢的抗腐蚀性，这一点对在酸性介质下工作的耐磨件尤其重要，w
Cu为0.5％左右。
(7)硫和磷 属于钢中有害元素，在钢中易形成晶界夹杂物，增加钢的脆性及铸件在铸造和热处理过程中的开裂倾向。因此控制w
S≤0.04％、w
P≤0.04％。
(8)稀土元素 钢中硫元素和氧与铁形成硫化亚铁和氧化亚铁，它们在钢的凝固过程中溶解度降低而达到饱和，并在晶粒周界处析出。它们的熔点较低，在高温下发生软化，削弱了晶粒周界的强度。稀土元素对氧、硫的化学亲和力大于铁，能够夺取氧化亚铁中的硫，生成比钢液轻且在钢中溶解度极小的氧化物和硫化物，并上浮而进到炉渣中。因此，钢中加入微量稀土元素将使钢的晶粒周界得到进一步净化。
二、衬板的生产工艺
1.治炼工艺
在1t酸性中频感应电炉内冶炼钢，炉衬必须得到充分的干燥烧结，用废钢、75硅铁、锰铁、铬铁和废纯铜为炉料，原料中的硫、磷含量应尽量低，对人炉料严格化验，掌握成分，分批计算成分含量和应加入量。由于铬、铜烧损量小，用上述方法可省去炉前分析，而对硅、锰、碳则必须进行炉前化验。
配料：炉料平均含碳量按规格成分下限配入，炉料的平均含磷量和含硫量均应比规格成分的限量低0.005％～0.01％，铬铁、钼铁、铜在装料时加入。
合理的布料原则是在坩埚底部加小块料，小块料上加铁合金，上面再加中块料。坩埚边缘部位加大块料，并在大块料的缝隙中堵塞小块料。炉料应装紧实，以利于透磁和导电。
开始通电熔化时，供给60％左右的功率，待电流冲击停止后，逐渐将功率增至最大值，随着坩埚下部炉料熔化，经常注意捣料，防止搭桥，并陆续添加炉料。大部分炉料熔化后，加入碎玻璃造渣材料造渣，其加入量约为1.5％，炉料基本熔清后，取钢样进行全分析，并将其余的炉料加入炉内。炉料全熔后，减小功率，清炉扒渣，并另造新渣。
加入低碳锰铁和硅铁脱氧，并调整Si、Mn含量，然后加入铬铁调整Cr含量。测量钢液温度，要求出钢温度达到1620℃以上，并作圆杯试样，检查钢液脱氧情况。
钢液化学成分符合要求，脱氧情况良好时，每吨钢液插铝1kg进行终脱氧后停电，并倾炉出钢。
钢包在使用前应经过充分烘烤，可在电炉炼钢送电过程的同时开始烘烤，直到钢液出炉为止。在烘烤钢包过程中，应注意随时调整火力，原则是火力由小逐渐增大，以防止急火将耐火砖衬烤裂。
出钢前要求将钢包内衬烘烤至600℃以上(呈红色或暗红色)。
出钢后应使钢液在钢包内静置一段时间，以使悬浮在钢液中的气体和夹杂物上浮，然后再进行浇注。
由于衬板材料含有的合金元素会降低钢的导热性，并增大热容量，使铸件冷却变慢，造成晶粒粗大、力学性能不佳，因此为避免粗晶的出现，应采用适当低的浇注温度(1540～1570℃)。
2.铸造工艺
低合金钢和碳钢在铸造性能方面的主要差别表现在形成裂纹的倾向上，由于低合金钢中的元素偏析大，导热性又较低，致使其产生裂纹的倾向较为严重。
一般来说，合金元素会降低钢的导热性，在相近的含碳量下，低合金铸钢的导热系数要小的多，因此加大了铸件在冷却中的不均匀性，从而也加大了铸件中的热残留应力。
低合金铸钢在凝固过程中，会形成枝晶偏析，钢液的冷却和凝固速度越小，这种偏析程度就越严重。铸件中冷却不均匀及合金元素的偏析，都会加大钢中相变的不同时性，从而加大了相变应力。相变应力和上述热应力的叠加，会使低合金钢铸件表现出较大的冷裂倾向。
针对低合金钢铸件形成裂纹倾向大的特点，在铸造工艺设计时我们注意了以下几点：
(1)减小热应力 为减小因冷却不均匀所形成的热应力，在工艺设计中采用热量分散原则，从铸件壁厚较薄处开设内浇口两道，并在内浇口对面壁较厚处放一侧冒口，以避免局部热量的集中，使铸件各部分冷却比较均匀。
(2)推迟打箱时间 适当增加铸件在砂型中的保温时间，铸件开箱温度控制在700℃以下。另外，为防止切割冒口时产生裂纹，采用了氧乙炔热割冒口的方法。
(3)严禁铸件水爆清砂 由于低合金钢铸件的淬透性都较高，在水爆中会发生马氏体相变，从而引起较大的相变应力，造成铸件开裂，所以严禁铸件水爆清砂，应采用干法清砂。
3.热处理工艺
为得到合理的热处理工艺，我们进行了下列工艺试验，结果如表1所示。
从表1可看出，试样淬火后是否进行回火对力学性能有较大影响。经回火后硬度变化较小，韧性有较大提高，工艺3较为理想。
4.热处理后的组织和性能
在未经热处理时，试验的组织经检测为板条状马氏体+铁素体+索氏体。经热处理后，试样的金相组织为板条状马氏体+极微量的点状氧化物和硫化物，因其数量较少，对基体影响不大。由于板条状马氏体的存在，使材料表现出较高的强度，良好的韧性、硬度及耐磨性。
与铸件同炉热处理试样的力学性能如表2所示。
三、应用效果
将制成的低合金衬板安装在东烧厂320m³烧结机进料系统上使用，运行半年后拆下，同ZG310—570衬板进行耐磨性比较，结果如表3所示。
结果表明，低合金钢衬板的使用寿命是高锰钢的3倍以上。拆下衬板检查，低合金钢磨损正常，无裂纹、变形。由于低合金钢衬板的耐磨性优于ZG310—570，大幅降低了衬板的消耗，同时减少了停机更换衬板的时间，减轻了操作者的劳动强度，因而具有较好的经济效益和社会效益。
四、结语
(1)采用上述熔炼、浇注及铸造工艺生产出的衬板化学成分合格，铸件尺寸精确，无任何铸造缺陷。
(2)低合金钢衬板经热处理后可获得板条状回火马氏体组织，它具有高强度、高硬度、高韧性、耐磨性好，以及不断裂、不变形的特点，适宜制作在磨料磨损条件下工作的衬板。
