马上注册，结交更多热工坛友，更多精彩内容等着您！
您需要 登录 才可以下载或查看，没有帐号？免费注册
x
中频感应电炉熔炼高强度灰铸铁工艺【作者：伍启华，王安家，乔进国，庄肃栋】
摘要：利用中频感应电炉熔炼灰铸铁，通过对原材料进行选择与质量控制，优化炉料配比，优化孕育处理与合金化工艺，确定了中频感应电炉熔炼高强度灰铸铁的熔炼工艺，总结了其熔炼工艺过程的关键技术特点。
关键词：电炉熔炼；孕育；化学成分；高强度灰铸铁
一、化学成分及配料
1、化学成分的确定
金相组织决定了灰铸铁的各种性能，而化学成分的变化可以改变金相组织，因此选择合理的化学成分是提高灰铸铁性能的途径之一。灰铸铁的化学成分必须按所生产铸件的壁厚和技术要求合理选择。
传统方法认为，提高灰铸铁强度就要降低碳当量，或者增加锰含量来提高灰铸铁中珠光体的比例，以此来提高铸件强度。但是，以降低碳当量来提高灰铸铁强度的方法会带来许多不利因素，如铸造工艺性能变差、白口倾向增大，特别是薄壁件可能会引起可加工性变差的情况，因此并未被广泛应用。
目前，普遍采用的方法是在达到较高强度的前提下，使用尽可能高的碳当量。碳当量的提高可以大幅改善灰铸铁的铸造性能，使缩孔、缩松减少，降低铸造废品率[1]。生产的铸件最薄的部位5～6mm，因此将原铁液碳当量控制在3.8%～3.95%；人们对S在灰铸铁中作用的认识是一个逐步提高的过程，从认为S是有害元素，到灰铸铁中要加入一定量的S来改善孕育效果和石墨形态，从而改善切削加工性能，逐步认识到灰铸铁中硫含量在一定范围内是有利的。我们根据生产铸件的结构特点确定了原铁液的化学成分，如表1所示。
原铁液化学成分主要通过配料以及熔炼过程的控制来保证，而铸件化学成分则通过炉前处理过程中的孕育及合金化来控制铸件化学成分。
2、配料的确定
在冲天炉熔炼工艺中，加入大量废钢的目的是为了降低铁液的碳当量，利用炽热焦炭来增碳的方式满足铁液化学成分的同时提高铁液质量，因为通过焦炭渗进铁液中的碳比熔化原材料直接得到的质量更好，能够将生铁的遗传性减小到最低，更有利于提高铁液质量[2]，而电炉熔炼在熔化过程中是直接将原材料加入炉内进行熔化，与冲天炉熔化原理完全不一样，为了保证铁液质量，使用废钢加回炉料进行配料，不使用生铁，利用增碳剂进行增碳的工艺来生产铸铁，不仅消除生铁的遗传性，可使铸铁的韧性和强度等力学性能得到提升，同时采用这种工艺会减轻铸件的收缩，使铸件这方面的缺陷明显减少，达到电炉与冲天炉熔炼的取长补短[3-4]。而且这种工艺熔化铁液生产的铸件石墨形态非常好。
2. 加料工艺
增碳剂加入方法是采取随料加入法，就是随着铁料的不断加入而加入到炉内，加入时间对熔化过程中碳的吸收有很大的影响。增碳剂的加入时间若过早，容易使其附着在炉底附近，特别是炉内还没有铁液的时候，如果增碳剂加入到炉内，随着熔化的不断进行，铁料缓慢进入熔融状态，此时由于增碳剂与空气中的氧气接触后达到燃点，容易发生燃烧，浪费增碳剂，而且附着在炉壁的增碳剂又不易被熔入铁液。与之相反，加入时间如果过迟，则失去了增碳的时机，造成熔炼、升温时间的迟缓，这不仅延迟了化学成分分析和调整的时间，也有可能带来由于过度升温而造成的危害。因此，增碳剂还是在加入金属炉料的过程中分批次地加入为好。
根据上述分析，增碳剂的加入时间确定如下：在炉内铁料加入到5.5t左右时，炉内已经有一定量的铁液存在，此时开始加入增碳剂，并根据每炉的总加入量均分成3～4个批次，每加入1～2t铁料时加入一批增碳剂，在炉内总铁量达到9t时将增碳剂全部加入到炉内。这种加入方式能够充分利用中频电炉电磁搅拌作用，有利于碳的溶解和扩散，避免增碳剂浮在铁液表面而被烧损。在增碳剂未完全熔解前，搅拌时间长，吸收率高，这样能避免增碳剂的烧损，提高增碳剂的吸收利用率。
铁液化学成分对增碳剂吸收率有一定的影响，当铁液中初始碳含量高时，在一定的熔解极限下，增碳剂的吸收速度慢，吸收量少，烧损相对较多，增碳剂吸收率低。当铁液初始碳含量较低时，情况相反。因此，在选择增碳剂加入方法时应采用随炉分批加入法；铁液中的硅对增碳效果有较大的影响。硅含量高的铁液增碳性不好。如图2所示，不同硅含量的铁液加入增碳剂后不同时间段里吸收效果差别很大，硅含量偏高的铁液增碳剂吸收效果在同等时间下明显低于硅含量低的铁液，尤其是电炉熔炼过程中遵循“快速熔化”原则，所以在短时间内如果增碳剂来不及熔化吸收，可能就出现烧损严重的现象，增碳剂吸收率就低。
正如铁液中硅含量对增碳效果的影响那样，硫含量对增碳也有一定的影响。用相同增碳剂，在加入到电炉内之前先加入增硫用的硫化铁，观察S含量对增碳的影响。当铁液中wS为0.05%时，将其与没添加硫化铁、铁液中wS为0.015%的低硫铁液相比较，增碳速度要迟缓得多。
铁液中硅和硫阻碍碳的吸收，降低增碳剂的吸收率；而锰元素则是有助于碳的吸收，提高增碳剂吸收率。就影响程度而言，硅最大，锰次之，硫影响较小。因此，实际生产过程中，应先增锰，再增碳，后增硅、硫。
3、高温精炼工艺
铁液熔炼最高温度对铸铁各方面性能有着较大影响。在一定的范围内提高铁液的过热温度并保持一定时间，可以使铁液中残存着未溶的石墨质点完全溶入铁液中，以消除各种材料的遗传影响，充分发挥孕育剂的孕育作用，提高铁液受孕育能力。
理论上，粗大的过共晶石墨在铁液温度达到1500℃并保持6～9s，可以熔化到结晶临界半径以下，只有在这样的熔炼条件下，生产的高牌号孕育铸铁或球墨铸铁的质量和性能是可靠的。因此，当铁料全部熔化为铁液后经过扒渣，将温度提升到1500℃以上，将石墨熔解到结晶临界半径以下。在该温度铁液氧化物夹杂、气孔最低，抑制增硫，消除石墨遗传性，稳定化学成分。熔炼温度过高，将增加铁液的结晶过冷度，对使用性能不利。我们将高温静置工艺温度定为1520℃，保温8～12min。
四、炉前处理工艺
1、炉前孕育
图1 熔化功率与铁料加入量对应关系
图2 不同硅含量增碳剂吸收率
优质铁液再配以有效的孕育，是获得高性能铸件的有效方法。通过有效的孕育不仅可以细化基体组织，改变石墨形态，还可以减少白口倾向，改善加工性能。孕育处理的目的主要是促进石墨化，减少白口倾向，增加共晶团数量，控制石墨形态以获得A型石墨，改善灰铸铁性能。
孕育剂的选择特别重要，含Ba孕育剂除具有明显的石墨化能力、易获得A型石墨、细化共晶团组织及较高的力学性能等优点外，另一个突出特点在于这类孕育剂有较强的抗衰退能力[7]。含Ba孕育剂的长效作用主要是由于Ba阻碍了铁中C、Si的扩散，从而为石墨核心的形成和生长提供了良好的环境。硅钡孕育剂增加一定量的钡钙成分后，促进了铁液的形核能力，容易形成细小、分散的石墨，适当增加共晶团数，从而提高铸件的力学性能。长期的生产实践证明，硅钡孕育剂中Ba含量对铸件在冷却过程中孕育衰退有一定的影响，特别是在大件上影响特别明显。因此我们选用的孕育剂为含Ba为3%～5%的硅钡孕育剂。
2、合金化工艺
灰铸铁合金化的主要目的就是通过向铁液中加入一定量的合金元素，以达到强化、细化基体，从而提高基体强度。对于高强度灰铸铁来说，就是要设法增加基体中珠光体的含量，并细化珠光体。
合金元素在灰铸铁中的作用主要是提高铸件的强度，主要表现为：①细化石墨和共晶团。②增加基体中珠光体的含量，并使珠光体的片间距细化。③提高渗碳体的热稳定性。④形成碳化物或含有合金元素的磷共晶等硬化相。
但合金元素的加入一方面要考虑其对性能的影响，另一方面还要考虑经济性。一些贵重金属（如镍）虽然对铸件力学性能的提高有较大的帮助，但价格较贵，增加了铸造成本，故一般情况下不予采用。我公司加入的合金是铜、锡、铬铁等。
3、炉前处理材料加入方式
孕育剂一般在出铁口处加入，随铁液缓慢进入包内，合金材料可以直接加到包内，通过铁液的冲刷、搅拌，力求均匀。实际操作时，待包内铁液量达到约20%时开始加入炉前处理材料，至包内铁液为80%时全部加完。因此保证炉前处理材料在包内能充分均匀熔入铁液中，使整包铁液成分均匀，才能保证铸件组织一致。
五、结语
利用该熔炼工艺生产的牌号为HT250、HT280的缸体、缸盖、曲轴箱等铸件，各种理化性能都满足工艺要求，并且提高了铸件加工性能，其工艺的控制要点主要有以下几方面：
（1）确定合理的化学成分和炉料配比是获得优质铁液、生产高性能灰铸铁件的前提条件。 （2）选择合适的原材料，加强原材料质量的管理和控制，特别是增碳剂等重要炉料的管理，减少微量元素对铸件质量的影响。 （3）根据熔炼过程合理选择电炉熔化功率，各种炉料的加入方式和时机，高温静置温度与时间等工艺参数是获得优质铁液的重要环节。 （4）选择能延长孕育效果和增强形核能力的硅钡孕育剂，以及铜、锡、铬的合金化工艺，合理的材料加入方式可细化基体组织，改变石墨形态，还可减少白口倾向，改善加工性能。
参考文献： [1] 陈军. 高强度HT250灰铸铁的熔炼技术[J]. 铸造，2004,8（53）：635-636. [2] 于海生.冲天炉熔炼优质铁液及其增碳机理分析[J]. 中国铸造装备与技术，2009，（2）：21-23. [3] 刘小龙. 浅谈冲天炉和电炉熔炼[J]. 中国铸造装备与技术，2006，（4）：52-53. [4] 曾大本.灰铸铁研究和生产的新进展与展望[J]. 现代铸铁，2005，（1）：14-17. [5] 孙文斌. 中频感应电炉熔炼铸铁的质量控制与研究[D]. 南京理工大学，2010. [6] 宋克非. 增碳剂对于铸件微观组织品质和整体生产成本的影响[J]. 铸造技术，2006，（4）：425-428. [7] 宋岩. 硅Ba孕育剂在缸体铸件上的应用研究[J]. 中国铸造装备与技术，2012，(3):31-34.
| 
|手机版|Archiver|热加工行业论坛
( 苏ICP备18061189号-1|豫公网安备 41142602000010号 )
发表于 2020-3-1 14:09:48
发表于 2020-3-1 19:11:38
楼主
发表于 2020-4-28 15:41:04
