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目前，由于国家对环保标准的要求不断提高，大多数小型冲天炉逐渐被中频感应电炉所取代。与冲天炉熔炼相比较，电炉熔炼具有设备操作简便、铁液供应柔性好的特点，但没有显著的冶金反应熔炼，而是大量废钢、合金以及增碳剂等材料的重熔过程，生产的铸件也称为合成铸铁。电炉熔炼的工艺特点影响了铁液的性质，同时也带来一些铸件质量问题，如果生产过程中控制不当，往往会出现铸铁显微组织不合格、加工性能恶化的现象。我公司自2012年开始使用ABP感应电炉生产灰铁铸件，主要包括气缸体、曲轴箱等铸件，每年生产铸件重量约为4-6万吨，在生产铸件的过程中，经过探索研究感应电炉熔炼的冶金一些特性，并不断优化电炉熔炼工艺，较大程度上提升铁液的生产质量和铸件品质。 1.感应电炉熔炼的铁液过冷度 电炉熔炼采用了大量的废钢和增碳剂的熔化方式，在提高铸件强度和硬度的同时，铁液中的外来结晶核心减少，在相同碳当量的条件下，电炉熔炼的铁液在共晶凝固时的过冷度比冲天炉铁液要大，收缩倾向也较大，在灰铸件厚壁处易产生缩孔和缩松现象，薄壁处易产生白口和硬边等铸造缺陷，因此，在铁水孕育过程中，为保证铸件力学性能，需要提高0.1-0.2%的孕育量。 2.电炉熔炼铁液气体含量特点 电炉熔炼利用交流电感应原理，将金属炉料熔化，整个熔炼冶金基础就在于金属炉料、炉衬材料、炉渣以炉内气体的相互作用。与冲天炉熔炼相比较，由于金属炉料与炉气的接触时间比较短，熔化铁液与炉气的接触界面较小，熔化后的铁液中氢、氧含量较低。 2.1电炉铁液氢含量 氢元素是反石墨化元素，在铁液中属于有害元素，其含量越低越好。相关资料表明，电炉熔炼铁液中的氢含量约为2PPm，因此，在熔炼过程中，只要控制原材料干燥无水分、洁净无污染，铸件产生由氢元素导致的皮下气孔、针孔的可能性较小。 2.2电炉铁液氧含量 氧元素一般以结合氧与溶解氧的形式存在铁液之中，它对石墨在铁液凝固过程中的形核有着重要作用。在熔炼的过程中，铁液与空气接触，不断吸附、溶解，直到饱和为止。相关资料表明，冲天炉熔炼铁液的含氧量约为40-60ppm，而电炉熔炼铁液的含氧量为20ppm，如高温过热时间长，铁液的含氧量可能更低。传统理论认为石墨形核是异质形核，靠外来质点（氧化物、氮化物、硫化物等）形核生长，孕育剂中的（Si，Ba、Ca、Zr等元素）要和氧结合生成氧化物形成核心，并且只有凝固时期析出的SiO2，它的结晶表面才能作为石墨的形核核心，有效地对石墨起到孕育作用。如果铁液氧化严重，SiO2的结晶表面随着时间延长而溶解，活性降低，可能变为熔渣而失去孕育的效果。对于灰铁而言，铁液中的氧含金量在20-30ppm范围内时，有助于提高铸件的冶金质量，如果含氧量低于10ppm，则不利于铁液中的石墨形核，可能产生过冷石墨，增加孕育剂的加入量，效果也不明显。目前最简便的方法就是加入含氧、硫的孕育剂，也可以加入适量的铸铁铁屑，提高铁液中的含氧量，降低铁液的过冷度。 2.3电炉铁液氮含量 氮通常以下三种形式存在于铸铁中：（1）以间隙方式固溶于铸铁中的铁素体或渗碳体中；（2）在铁液中以氮化物的形式存在；（3）以单质N2的形式从铁液中析出，形成氮气孔。在铸铁生产过程中，如果原材料或工艺控制不当，可能会产生氮气孔缺陷，造成铸件报废。铸铁中的氮元素主要来源于废钢中的碳素钢、增碳剂以及树脂砂型或砂芯等材料，一般铸件的氮元素含量在40-70ppm，由于高牌号铸件的生产，废钢和增碳剂的使用量不断增加，在熔化过程中，氮的溶解度随着铁液温度升高而增大，氮含量不断在铁液中积累。另外，呋喃树脂在浇注的高温铁水中能够分解成氨，氨又可以分解成氮和氢，在砂芯—铁液界面的氮和氢溶解量急剧增加，从而使铁液中的氮含量富集而达到过饱和状态，在铸件凝固的过程中，过饱和的氮从铁液中析出，形成气泡并沿着奥氏体枝晶间隙长大，最终形成裂隙状的氮气孔。相关文献表明，在灰铁铸件的生产中，铸件薄壁部位含氮量超过130ppm，厚壁部位含氮量超过80ppm时，铸件可能产生氮气孔。在含氮量较高的铁液中，通常加入少量的钛铁和硅锆孕育剂，利用Ti、Zr元素和氮形成氮化物，从而进行固氮，消除氮气孔缺陷，这不但会增加生产成本，而且会提高铸件硬度，影响其加工性能，因此，最有效的预防措施在于降低铁液中氮含量的来源，减少奥氏体相废钢加入量；尽量使用低含氮量的优质高温石墨化增碳剂；在使用呋喃树脂制芯时，尽量采用低氮的优质树脂；在冬季生产时，适当提高铁液的浇铸温度，防止铁液温度降低过快而析出气体。 3.灰铸铁石墨的形态特点 灰铸铁基本上是由铁、碳和硅元素组成的合金，片状石墨的大小、分布状况是影响灰铁铸件力学性能的重要因素。由于灰铸铁中的石墨片有切割金属基体、破坏其连续性、使其强度降低的作用，在生产铸件的过程中，应避免产生长而薄的石墨片和粗大的石墨片。与冲天炉熔炼相比，感应电炉熔炼没有充分的吸热升温和物质传递过程，而是采用大量废钢和增碳剂的熔化方式，并在熔化过程中伴有电磁搅拌，因此，在共晶凝固过程中可作为石墨形核的外来结晶核心较少，铁液中的过冷度较大，白口倾向较高，在高强度薄壁灰铸铁件中往往会生成D型和E型过冷石墨，并在石墨末端形成三角状。另外，电炉熔炼的铁液中含氮量较高，氮元素在促进形成珠光体的同时，还能够使片状石墨长度变短，石墨末端尖角钝化，弯曲度增加，提高铸件的抗拉强度。 4.提高电炉熔炼铁液质量的改善措施 在整个冶金过程中，电炉熔炼由于其设备加热原理的特性，本质上就是将原材料熔化和辅助材料溶解扩散的过程，而且没有冲天炉熔炼系统的除渣过程，对于原材料的表面洁净度要求较高，回炉料需要进行抛丸处理，根据电炉熔炼的一些冶金特性，在以下几个方面进行改善提高铁液质量： （1）电炉熔炼需要遵从“满炉快速熔化、快速出铁”的原则。在保护电炉炉衬使用寿命的基础上，首炉根据冷起熔工艺熔化，热炉尽量使用大功率熔化铁料，减少铁液与外界气体接触，防止铁液在熔化过程中被氧化。另外，在熔化过程中需要专人查看熔化情况再分批加料，避免铁料出现“搭棚、结壳”现象。 （2）在电炉熔炼的过程中，使用大量废钢和增碳剂，用于石墨形核的外来核心较少，因此，铁液的过热温度和时间根据铸铁牌号而定，过热温度不能太高，过热时间不能太长，长时间高温放置的铁液需要加入废钢、生铁等原材料调制后使用，否则微小的外界核心被高温铁水溶解，在凝固过程中，铁液的过冷度过大，容易生成D型过冷石墨，影响铸件力学性能。 （3）在电炉熔炼的过程中，需要加入FeS或FeS2进行增硫以保证铁水中适当的硫含量，生成的MnS细小颗粒可以作为石墨形核的外界核心，有利于生成均匀的A型石墨。Mn和S含量一般应满足下式：Mn% = 1.73 S% + 0.3%，由于MnS能够溶于氧化渣（FeO、MnO等）中，可以降低氧化渣的熔点，形成流动的液态渣，当温度较低时，过饱和的高熔点MnS容易从铁液中析出，促使铸件渣气孔缺陷的形成，因此，在满足铸件力学性能的基础上，铁液中的Mn和S含量应取下限，不宜太高。 （4）为进一步提高电炉熔炼的冶金质量和稳定性，通常在熔化过程中加入SiC进行预处理，它可以改善石墨结晶析出的生和条件，提高铸铁的共晶转变温度，降低铁水的过冷度，增加共晶团数，有利于生成细小均匀的A型石墨，改善铸件的加工性能。SiC的熔点较高，只能以溶解和扩散的形式进入铁液中，一般是随炉料分批加入，加入量约为金属炉料总量1%，由于各铸造企业自身的炉况条件和作业方式不同，可以通过试验取得适合企业具体条件下的最佳用量。 （5）在生产高牌号的灰铸铁铸件时，目前国内普遍的做法就是降低铁液碳当量，对铁液进行合金化处理，保证铸件力学性能符合要求。铸件牌号越高，铁液的碳当量越低，合金化元素越多，铁液的流动性降低，收缩倾向会更加明显，因此，需要适当提高Si/C的比值，一般将Si/C的比值控制在0.6-0.8范围内，这样可以增强促进石墨化的能力，增加奥氏体枝晶的数量，减少铸件薄壁的白口倾向，改善铸件的力学性能和加工性能。 声明：本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料立即删除内容！ |
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