摘要：作者利用自制的一套带有特殊结晶器的连续铸造实验装置，研究了连续铸造锰硅铁合金的工艺及其制品的外观和内部质量。稳定地连续铸造了直径分别为44mm、52mm、54mm和74mm的锰硅铁合金铸锭。结果表明，所研究的锰硅铁合金连续铸造工艺稳定性良好，连续铸造生产锰硅铁合金产品的外观光洁，内部组织致密、细化，质量明显优于传统模铸生产的锰硅铁合金。
关键词：锰硅 铁合金 连续铸造 工艺 模铸
一．引言
铁合金（包括Si-Fe，Mn-Fe，Mo-Fe等），主要用做炼钢的脱氧剂，合金元素的加入等。目前国内外铁合金的生产成型方法主要是模铸。经过冶炼→出铁→去渣→浇入铸模→一次破碎→清除杂质→二次破碎→最终产品，在这些过程中有7%左右的铁合金变成了金属粉末，这是一个很大的消耗，也是一个很大的损失，仅八一铁合金厂每年就这一项损失500～600万元，并且在破碎的过程中消耗大量的人力、物力（每天约有200～400人在现场进行人工破碎）。如何利用一种高新技术来生产铁合金材料是铁合金生产单位和国内外铸造及冶金专家一致关注和要解决的问题。国外已经开始研究连续模铸方法生产铁合金。分析认为，利用连续铸造技术来代替模铸生产具有以下特点：提高锰硅铁合金的产品质量。简化生产工艺，节省大量人力、物力和财力。提高锰硅铁合金的收集率和综合成材率。降低能耗和材料损耗、减少污染，保护环境。易于实现机械化、自动化，实现铁合金的绿色生产。连铸的这些特点，可以说它给冶金企业带来了一次变革，是一个非常具有前景的铸造技术。综上所述，锰硅铁合金连铸技术的研究与开发具有重要的实际意义，也具有重大的经济价值，如果把锰硅铁合金的模铸生产改变为连续铸造生产，预计每年获得的直接经济效益仅八一铁合金厂一个单位就可达500万以上。因此，北京科技大学与广西八一铁合金（集团）有限责任公司于2001年9月开始共同开发锰硅铁合金连铸新技术。
二．实验条件及内容
实验室以牌号为FeMn68Si18的锰硅铁合金为实验合金，其化学成分为：65.66%Mn，18%Si，0.197%P，1.38%C，0.030%S。利用自制带有特殊结晶器的连续铸造实验装置研究以下内容：研究锰硅铁合金连铸新工艺实现锰硅铁合金连铸生产的主要工艺参数（熔炼与浇注温度，拉坯速度，结晶器的冷却强度等）和各种参数的相互匹配; 研究连铸锰硅铁合金制品的质量。
三．实验结果及分析
1．锰硅铁合金连铸工艺
（1）合金熔化温度、浇注温度
图1 Fe68Si18锰硅合金的微分冷却曲线
实验测定合金的微分热分析曲线（图1），在微分曲线上第一个温度下降速度减缓点处，对应的冷却曲线上锰硅铁合金的液相线温度为1244℃，在微分曲线上第二个温度下降速度增大点处，对应冷却曲线上锰硅铁合金的固相线温度为1222℃，锰硅铁合金的结晶温度间隔约22℃；由于合金中所含的锰和硅都是易于氧化的元素，并且合金结晶凝固的温度间隔较大，因此要采用较高的熔化温度净化锰硅铁合金液。参考几种铁合金的熔化温度，确定Fe68Si18合金的熔化出炉温度范围为1400～1450℃，浇注温度范围是1270～1340℃。利用型号为GLEELE1500的热模拟实验机测定了不同温度下硅锰合金的强度（图2）。从图看出：600℃、700℃、800℃和900℃下锰硅合金的强度分别为76MPa、127 MPa、49 MPa和49 MPa。浇注时合金的过热度高于100 ℃时，合金在结晶器中冷却所释放的热量不能及时充分传出，且容易熔化在结晶器壁形成的坯壳（图3），使坯壳厚度变薄，由于在800～900℃高温下，锰硅合金的强度仅50MPa，而钢在1000℃的强度已达100MPa以上，所以锰硅合金在连续铸造过程中容易将坯壳拉断，甚至把坯壳熔化，导致拉漏。
图2 不同温度下锰硅合金的强度测试曲线
要稳定锰硅铁合金连铸必须具备以下条件：
① 过热度在结晶器中散失完全；
② 在结晶器中形成稳定厚度的坯壳；
③ 在连铸过程中，形成坯壳不断裂；
④ 由于锰硅铁合金在室温下脆性很大，必须保证锰硅铁合金在结晶器出口处合金温度不能低于600-800℃ 。
图3 锰硅合金连续铸造过程中结晶器壁形成的坯壳示意图
（2）锰硅铁合金连铸工艺
经过实验研究,对于不同尺寸的铸坯,其合适的连续铸造工艺为：
将合金保持在一定的温度进行浇注，对于一定尺寸铸坯，连铸机的冷却能力越高、结晶器长度大，合金的连续铸造速度大。
2．连铸锰硅铁合金的宏观质量
图4是连续铸造直径为54毫米的锰硅铁合金铸坯(a)及其表面形成明显的振动波纹(b)，由此看出，使用内衬石墨套的结晶器，由于石墨的润滑作用，所得到的连续铸造锰硅铁合金铸坯具有光洁清晰的外观表面。 
图4直径为54毫米的锰硅铁合金铸坯(a) 及其表面形成的振动波纹(b)
3．连铸锰硅铁合金的微观质量
连续铸造锰硅铁合金铸坯组织致密（图5，7～9），从图看到，模铸试样组织（图10）中存在较多的疏松和孔洞。由于模铸铸锭的体积比较大，合金本身传热能力差，因此其热量散发较慢，铸锭的凝固速度缓慢，液体合金的粘度较大，合金的流动性差，补缩能力也差，所以铸锭容易形成参差不齐、带有尖锐边角的缩松和缩孔，疏松的尖锐边角处产生应力集中，形成合金组织的薄弱部位，锰硅铁合金本身较脆，在应力集中处合金组织容易产生断裂；在连铸坯最后浇注的铁合金液存在着液心，凝固时在中心形成一段集中缩孔（图6）。正常的连铸坯组织（图8、9）中疏松数量少，单个疏松的体积也比模铸疏松小。图中b放大倍数为1000倍的连铸边缘组织，试样中没有明显的疏松孔洞，裂纹呈明显的金属色。这是因为连铸坯的体积较小，铸坯边缘的冷却强度大，合金的凝固结晶速度较快，因此合金组织显著细化；由于合金本身传热能力差，因此其热量散发较慢，铸锭的凝固速度缓慢，加上合金的流动性差，补缩能力也差，所以合金组织中形成分散细小的缩松；由于相变和热应力在缩松边角处造成应力集中，铁合金本身比较脆，在受应力作用合金组织中形成较小的裂纹。
图5 连铸铁合金棒材纵向剖面观察内在质量
图6 连续铸造铁合金棒材未端的集中缩孔
图7 均匀粒度的连续铸造铁合金材料
 
a)光学显微组织 b) SEM照片
图8连铸铁合金坯料表层显微组织
 
a)光学显微组织 b) SEM照片
图9 连铸铁合金坯料中心显微组织
 
a)光学显微组织 b) SEM照片
图10 模铸铁合金坯料的显微组织
对比观察连续铸造与模铸锰硅铁合金的显微组织，可以看出，连续铸造锰硅铁合金的显微组织明显细化、致密。对连铸与模铸两种方法生产铸锭不同部位化学成分进行分析，结果表明，连续铸造生产的铸锭各个部位化学成分均匀，消除了偏析。与模铸生产相比，连续铸造合金锭的体积小，加上结晶器内循环水的强烈冷却，铸锭凝固结晶速度快，合金处于液态时间短，合金中各种元素均来不及进行远程扩散，合金就结晶凝固了，因此易于偏析的元素不能偏聚，铸锭各个部位的化学成分均匀，消除偏析，显著提高合金质量。
将连续铸造与模铸的锰硅铁合金试样进行X射线衍射分析。发现两种工艺所制得的试样形成的衍射谱线有较大的差别，如图11和图12所示。物相分析结果表明，二者除了含有相同的组织组成物Mn、FeSi、Si、Fe之外，连续铸造锰硅铁合金组织组成物还有Fe2MnSi和Fe3Si，而模铸的锰硅铁合金组织组成物还有MnSi。Fe的原子量为56，Mn 的原子量为55，Si的原子量为28。FeMn68Si18合金中各元素的原子百分数分别为11.7at%、58.3 at%、30at%。从Fe-Mn-Si三元合金相图分析，FeMn68Si18合金成分位于一个两相区，其组织为固溶有Fe的Mn3Si(LT)和固溶有Fe的Mn5Si3化合物的两相混合物。由于铸造过程中合金的冷却速度比较快，合金是非平衡凝固，因此合金凝固后的组织与平衡相图上所分析的组织组成物是有偏差的，而且连续铸造比模铸时合金的冷却速度大得多，所以两种铸造方法所得到合金的组织也存在差异。扫描电子显微镜观察分析（图8b、9b、10b），模铸试样FeSi相的晶粒呈块状和片状分布于基体中，棱角处比较尖锐，对基体有割裂作用；连铸试样的晶粒形态圆整，分布均匀，大大减轻了对基体的割裂作用。 
图11 模铸试样X衍射谱线 图 12 连铸试样X衍射谱线
四.结论
1．不同尺寸硅锰铁合金连铸坯的合适连铸工艺为：合金保持在一定的温度进行浇注，对于一定尺寸铸坯，连铸机的冷却能力越高、结晶器长度大，合金的连续铸造速度大。
2．连续铸造锰硅铁合金的组织细化、致密。
3．由于连铸的冷却速率大于传统模铸工艺的冷却速度，合金凝固时形成的过渡相能够保存到室温。利用X射线衍射研究表明连铸试样由Mn、FeSi、Si、Fe2MnSi、Fe3Si、Fe等相组成；模铸试样由Mn、FeSi、Fe、Si和MnSi组成。
4．模铸试样FeSi相的晶粒呈块状和片状分布于基体中，角处比较尖锐，对基体有割裂作用；连铸试样的晶粒形态圆整，分布均匀，大大减轻了对基体的割裂作用。
5．连续铸造合金化学成分均匀，消除偏析，显著提高合金质量。
参考文献
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