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用感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵時(shí)的一些冶金特點(diǎn)159
發(fā)表時(shí)間:2019-10-31 09:48 用感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵時(shí)的一些冶金特點(diǎn) 李傳栻 從上世紀(jì)60年代起,鑄鐵行業(yè)中采用感應(yīng)電爐作為熔煉設(shè)備的企業(yè)逐漸增多,尤其是70年代以后,中頻無心感應(yīng)電爐的電源有了重大的改進(jìn),熔制鑄鐵時(shí)熱效率可達(dá)到70%,電爐設(shè)備和所用的耐火材料也在不斷發(fā)展,因而其應(yīng)用日益廣泛。 對于不適于采用長爐齡大型沖天爐的中、小型鑄鐵企業(yè),用無心感應(yīng)電爐熔煉有很多優(yōu)點(diǎn),宏觀方面看來主要有: 熔煉時(shí)排出的廢氣、煙塵和爐渣大幅度減少,便于治理環(huán)境和改善作業(yè)條件; 可利用廉價(jià)的金屬爐料,尤其是便于循環(huán)回用加工的切屑和邊角余料;
但是,感應(yīng)電爐熔煉的冶金過程與沖天爐有本質(zhì)上的差別,如果不能切實(shí)了解其冶金特點(diǎn),正確執(zhí)行熔煉過程的各項(xiàng)作業(yè),則用于制造灰鑄鐵件時(shí),不僅不能充分體現(xiàn)感應(yīng)電爐熔煉的優(yōu)越性,反而會導(dǎo)致顯微組織不符合要求、鑄件的加工性能惡化等各種問題。 以下,簡單地談?wù)動酶袘?yīng)電爐熔煉灰鑄鐵時(shí)的一些主要冶金特點(diǎn),供參考。 一、感應(yīng)電爐熔制的鐵液中氣體含量 與用沖天爐熔煉相比,用無心感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí),金屬爐料與爐氣接觸的時(shí)間很短,熔融的金屬液與爐氣接觸的界面很小,因而,感應(yīng)電爐熔煉制得的鐵液中,氫和氧的含量都低于沖天爐熔煉的鐵液,但是,由于爐料配比的差別很大,氮含量卻較高。 1、氧含量 沖天爐熔煉的鐵液中,氧含量一般為0.004~0.006%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),以下均同此),無心感應(yīng)電爐熔煉的鐵液,氧含量一般在0.002%左右,有時(shí)還會更低些。一般說來,鐵液中的氧含量低,有助于改善鑄件的冶金質(zhì)量,但是,如果鐵液中的氧含量太低(0.001%或更低),則不利于孕育處理時(shí)晶核的形成,導(dǎo)致產(chǎn)生過冷石墨(D型),即使增加孕育劑的加入量,孕育效果也不好。 2、氫含量 在灰鑄鐵中,氫是有害元素,其含量越低越好。由于鑄鐵中碳、硅含量高,氫在其中的溶解度低,沖天爐熔制的鐵液中,氫含量一般為0.0002~0.0004%。感應(yīng)電爐熔制的鐵液,因?yàn)榻饘倥c爐氣接觸的界面小,氫含量一般都更低,約在0.0002%左右,鑄件產(chǎn)生氫致皮下氣孔、針孔的可能性較小。 3、氮含量 用沖天爐熔煉時(shí),灰鑄鐵中的氮含量一般為0.004~0.007%。 鑄鐵中含有少量的氮,有促成珠光體的作用,有助于改善鑄鐵的力學(xué)性能。如果氮含量在0.01%以上,則鑄件就易于產(chǎn)生氮致氣孔。 通常,廢鋼中的氮含量比鑄造生鐵中的高得多,用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí),由于爐料中所用的鑄造生鐵錠很少、廢鋼較多,熔煉制得的鑄鐵中氮含量會相應(yīng)較高。此外,由于爐料中使用大量廢鋼,必須用增碳劑,而大多數(shù)增碳劑中氮含量都比較高,這又是導(dǎo)致鑄鐵中氮含量增高的另一因素。 因此,用感應(yīng)電爐熔煉時(shí),鑄鐵中的氮含量比用沖天爐熔煉的要高一些。一般說來,爐料中廢鋼用量為15%時(shí),鑄鐵中的氮含量約為0.003~0.005%;廢鋼用量為50%時(shí),氮含量可達(dá)0.008~0.012%;爐料全部為廢鋼時(shí),氮含量可高達(dá)0.014%以上。 為避免鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷,感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí)所用的增碳劑,一定要選購含氮量低的品種,如有可能,應(yīng)核查增碳劑的含碳量。當(dāng)前的問題在于:分析增碳劑中的含碳量,尚缺乏簡便而準(zhǔn)確的方法。美國ASTM D3197標(biāo)準(zhǔn)所認(rèn)定的兩種方法:一種是濕法,分析一個樣品需時(shí)2周之久;另一種是用Leco公司分析裝置的燃燒法,此法分析樣品所需的時(shí)間約2~3min。但是,有報(bào)道說:就同一樣品用這兩種方法測定的結(jié)果差別很大,濕法的分析值偏低,燃燒法的分析值偏高,二者的差別竟可能高達(dá)3~4倍。 常用的增碳劑主要是石墨和石油焦,兩種增碳劑的含氮量都可能在較大的范圍內(nèi)改變:石墨的含氮量可在0.15~2.5%之間;石油焦的含氮量則在0.3~2.0%之間。無論采用何種增碳劑,都應(yīng)選含氮量低的品種。 有報(bào)道稱:含氮量低的石墨,質(zhì)地致密而柔軟,有韌性,可以在紙上劃出痕跡;含氮量高的石墨,質(zhì)地硬而脆,有氣孔,劃在紙上不留劃痕。 碳化硅中的含氮量較低,雖然其中的含碳量不高,主要作用是增硅,但在改善鑄鐵對孕育處理的回應(yīng)能力方面有很好的效果,是電爐熔煉鑄鐵時(shí)不可或缺的重要添加材料。 如果鑄件氣孔缺陷較多,可考慮在爐前加入少量鈦、鋁、硼等固氮元素。 二、感應(yīng)電爐熔煉時(shí)鑄鐵的結(jié)晶特性 金屬、爐襯、爐渣和爐內(nèi)氣氛之間的相互作用,是熔煉爐中冶金過程的基礎(chǔ)。只要對沖天爐和感應(yīng)電爐的熔煉過程作簡單地分析,就可以看出,二者熔煉鑄鐵的冶金過程差別很大,因而,熔制得到的鐵液就具有不同的特性。 在碳當(dāng)量相同的條件下,用感應(yīng)電爐熔煉的鑄鐵與用沖天爐熔煉的相比,共晶結(jié)晶時(shí)的過冷度大得多,參見圖1。 碳當(dāng)量[C+1/3(Si+P)] 圖1 a-沖天爐熔煉;b-感應(yīng)電爐熔煉 在碳、硅含量相同的條件下,用感應(yīng)電爐熔煉的鑄鐵與用沖天爐熔煉的相比,三角試片的白口寬度也有明顯的差別,見圖2。 試片白口寬度(mm) 碳含量(%)
a3-沖天爐熔煉,Si 1.5%;b1-感應(yīng)電爐熔煉,Si 2.5%; b2-感應(yīng)電爐熔煉,Si 2.0%;b3-感應(yīng)電爐熔煉,Si 1.5% 圖2 用不同的熔煉設(shè)備,鑄鐵的共晶結(jié)晶特性之所以差別很大,主要有以下三方面的原因。 1、共晶結(jié)晶時(shí)晶核的數(shù)量減少 沖天爐熔煉時(shí),從爐料開始熔化到鐵液自爐中流出所經(jīng)歷的時(shí)間很短,大約是10min左右。感應(yīng)電爐熔煉時(shí),從爐料開始熔化到出鐵至少要經(jīng)1小時(shí),而且又有感應(yīng)加熱所特有的攪拌作用,使鐵液中可在共晶結(jié)晶時(shí)作為石墨外來晶核的物質(zhì)大幅度減少。例如,可作為外來晶核的SiO2,在溫度很高、又有攪拌作用的條件下就易于與鑄鐵中的碳發(fā)生如下反應(yīng)而消失:
因此,用感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵時(shí),要特別注意做好孕育處理作業(yè),孕育劑用量應(yīng)比沖天爐熔煉時(shí)略多一些,**出爐前先在爐中進(jìn)行一次預(yù)處理(預(yù)孕育),以改善鑄鐵共晶結(jié)晶時(shí)的生核條件。 2、鐵液中的硫含量低 用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí),由于爐料中廢鋼多而生鐵錠少,配料中硫含量本來就低,再加以熔煉過程中完全不與焦炭接觸,沒有自焦炭吸收硫的過程,如果不特意在配料中加硫,熔煉得到的鐵液,硫含量一般都在0.06%以下。對于低硫鐵液,孕育處理的效果很差已經(jīng)是眾所周知的事實(shí)。 因此,用感應(yīng)電爐熔煉時(shí),應(yīng)特別關(guān)注鑄鐵中的硫含量,必須使之保持在0.06%以上。如配料中沒有帶入硫的組分,一般可加入適量的硫化亞鐵使之增硫。 3、鐵液中的氧含量低 前面已經(jīng)談到,用感應(yīng)電爐熔煉的鑄鐵中,氧含量一般都較低。如果氧含量降低到0.001%以下,鐵液中可以作為外來晶核的氧化物、硫氧復(fù)合化合物就很少,鐵液對孕育處理的回應(yīng)能力就會很差。 在確認(rèn)鑄鐵中氧含量過低的情況下,就應(yīng)適當(dāng)增加氧含量。最方便的辦法是采用含氧、硫的孕育劑。這種孕育劑,國外早已有供應(yīng),隨著我國用感應(yīng)電爐熔煉的鑄鐵企業(yè)日益增多,相信不久就會有類似的產(chǎn)品問世。 在爐料中配入20~30%的鑄鐵切屑,既可以降低生產(chǎn)成本,又可以使熔煉制得的鐵液中氧含量增多,也不失為一種可取的增氧措施。 三、爐料中生鐵塊太多會導(dǎo)致石墨組織異常 前面曾經(jīng)提到,用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí),由于液態(tài)鑄鐵在爐內(nèi)保持的時(shí)間長,又有感應(yīng)電流的攪拌作用,會使能作為外來晶核的氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物大量損失。但是,對于生鐵錠中所含的石墨,情況就不一樣了。 鑄造生鐵錠中,一般都含有粗大的片狀石墨。用沖天爐熔煉時(shí),即使出鐵的溫度不太高,爐內(nèi)熔化帶的溫度也在1700℃以上。鐵液通過熔化帶所經(jīng)歷的時(shí)間雖然很短,但卻是以細(xì)小液滴通過的,能得到高溫過熱,有助于使石墨溶于鐵液。因此,即使?fàn)t料中配加的生鐵錠較多,只要鑄鐵的成分不是過共晶的,顯微組織中的石墨都呈細(xì)小的片狀,一般不會有塊片狀(C型)石墨出現(xiàn)。 感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí),雖然液態(tài)鑄鐵在爐內(nèi)保持的時(shí)間長,又有感應(yīng)電流的攪拌作用,但爐內(nèi)的溫度畢竟比沖天爐熔化帶的溫度低得多。如果爐料中配用的生鐵錠太多,就不可能使熔點(diǎn)高、穩(wěn)定性強(qiáng)的片狀石墨全部溶入鐵液,有一些細(xì)小的晶態(tài)石墨保留在鐵液中。 在這種條件下,鑄鐵開始凝固前就存在細(xì)小的晶態(tài)石墨,即使鑄鐵的成分是亞共晶的,凝固時(shí)也會有初生石墨依托細(xì)小的晶態(tài)石墨析出。最后,鑄鐵的顯微組織中就會出現(xiàn)塊片狀(C型)石墨,影響鑄鐵的力學(xué)性能。 因此,用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí),爐料中生鐵錠的用量不能超過20%,**在10%左右,以保證顯微組織正常。 目前,有一些鑄造廠將沖天爐熔煉時(shí)的爐料配比原則原封不動的用于感應(yīng)電爐,不少企業(yè)生鐵錠的用量為30%,有的企業(yè)甚至高達(dá)50%。再加以未能按感應(yīng)電爐的冶金特點(diǎn)安排適當(dāng)?shù)脑杏幚?,結(jié)果,顯微組織中既有塊片狀(C型)石墨,又有D型石墨(過冷石墨),這種不正常的組織當(dāng)然有損于鑄件的質(zhì)量,希望能盡早糾正這種不合適的做法。 四、感應(yīng)電爐熔煉過程的控制 根據(jù)以上所談到的幾個方面,建議用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí)的工藝控制的要點(diǎn)如下: 1、爐料中生鐵錠的用量不能超過20%,**在10%左右; 2、隨爐料加入的增碳劑中,**配有一定比例(40~55%)的冶金碳化硅; 3、認(rèn)真做好出鐵時(shí)的孕育處理,根據(jù)企業(yè)的具體生產(chǎn)條件選用合適的孕育劑,孕育劑的加入量則應(yīng)比沖天爐熔煉時(shí)增加0.1~0.2%,**的用量應(yīng)通過現(xiàn)場的試驗(yàn)結(jié)果確定; 4、必須在澆注過程中進(jìn)行瞬時(shí)孕育; 5、生產(chǎn)質(zhì)量要求高的鑄件時(shí),應(yīng)在出鐵前向爐內(nèi)加入冶金碳化硅進(jìn)行預(yù)處理。 上一篇:澆注溫度對鑄件的影響! 下一篇:球鐵無冒口工藝應(yīng)具備的參數(shù)分析 |