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决定中频炉铸铁件质量的两大关键因素:原材料的选用及炉料配与C、SI等化学元素影响

发布时间:2020-04-29
      在现代铸铁生产中,冲天炉因环保问题正被逐步关停,大多数铸造企业改用中频炉熔炼铸铁。与冲天炉相比,中频炉熔炼工艺相对简单;铁水的化学成分和温度容易控制,不增碳不增硫有利于 低硫铁水的获得;环境污染小,炉前冶炼的工作环境和劳动强度也大为改善;利用夜间电价低谷熔 炼,生产成本可大致与冲天炉相当;同样化学成分的铁水、同样的铸型浇注的铸件,中频炉比冲天 炉熔炼的灰铁强度和硬度高;中频炉铁水比冲天炉铁水过热温度高、流动性差,并具有以下不良特 性:铁水的晶核数量少,过冷度、白口和收缩倾向大,铸件厚壁处易产生缩孔和缩松,薄壁处易产 生白口和硬边等铸造缺陷。在亚共晶灰铸铁中,A 型石墨数量极易减少,D、E 型石墨及其伴生的铁素 体数量增加,珠光体数量少。所有这些再加上日常生产中的一些不当因素,都在生产中表现为铸件 质量的波动,影响了铸铁的正常生产。
      针对中频炉熔炼灰铁出现的新问题,笔者克服了电炉熔炼工艺、技术资料少,实践、探索难度大 等诸多困难,逐步摸索和总结积累了一些生产技术经验和体会,期望能对正处于艰难经营和转型升 级阵痛中的中小铸造企业提供微薄帮助。
      1、原材料的选用及炉料配比 
       炉料优劣直接影响铁水的质量,中频炉熔炼灰铁对于炉料的清洁程度和干燥要求较高,炉料不 干净、含有有害元素或熔炼控制不好,会导致铁水氧化和纯净度低,严重恶化铁水的冶金质量,影响铸铁的基体组织和石墨形态,引起孕育不良、白口和缩松倾向大、气孔多等问题。因此应强化对原 辅材料的管理,严禁使用锈蚀严重、有油污的炉料。同时,为提高铁水的纯净度和稳定铁水的化学 成分,应选用碳素钢废钢做炉料,并使其在炉料配比中占 50%以上;对于回炉料应选用同材质铸件浇 冒口,并清理掉粘附的型砂和涂料后再使用,使用量以 40%左右为宜;废铁屑也应是同材质铸件机加 工铁屑;对于生铁,因其中的杂质和微量元素以及组织缺陷都具有遗传性,应选用来源稳定、干净少 绣、有害元素低、最好是 Z18 以上牌号的铸造生铁,这样的生铁生产的铸件内在质量好且稳定,不 要轻易变换生铁的来源,否则对于使用存在不合格因素的炉料而可能引起的质量问题将防不胜防, 并且生铁的加入应在熔炼初期加入为好,配比可占 15%,以利于改善铸铁的石墨形态;增碳剂应选用 商品石墨增碳剂或经高温石墨化处理过的增碳剂,并在熔炼中尽量早加,使增碳剂与铁水直接接触, 且有充足的时间熔化吸收;铁合金和孕育剂应化学成分合格、粒度适宜。配料时应预先根据炉料配 比及材料成分计算出 C、Si、Mn 等元素的含量,不足的部分用增碳剂和铁合金调整。在熔炼后期成 分微调时,如果 C 含量偏低可加生铁增碳;若 C 含量偏高可加入废钢降碳。
      2、化学成分的影响 
      碳和硅是强烈促进石墨化元素,C、Si 偏高,会导致石墨粗化、铁素体量增多、珠光体量减少, 铸铁的强度和硬度下降。铸铁基体的强度是随珠光体量的增加而提高的,因此,在高强度灰铁中,C、 Si 含量应在一定范围内适当降低,在保证获得灰口的同时,有利于细化石墨、促进形成珠光体、提 高力学性能。碳当量 CE 和 Si/C 比显著地影响灰铁的组织和性能,选定适当的 CE 和 Si/C 比,对 改善铸铁的组织、提高铸铁的性能是有利的。CE 是影响灰铁铸件内在质量的最主要的因素,CE 提 高可大大改善铸铁的铸造性能,减少白口、缩孔、缩松和渗漏缺陷,降低废品率,这一点对于薄壁 铸铁件尤为重要。但 CE 过高,石墨析出数量增加,铁素体化倾向明显,会降低铸件的抗拉强度和 硬度,铸件厚壁处因冷却速度慢,易产生晶粒粗大、组织疏松缺陷;如果 CE 过低,铸件薄壁处易 形成局部硬区,导致加工性能变差。因低CE,灰铁组织中易出现共晶莱氏体及 D、E 型过冷石墨, 致使铸造性能降低、铸件断面敏感性增大和内应力增加、硬度上升。适当的提高 Si/C 比,可提高 铸铁的强度,改善铸铁的切削加工性能。在相同的条件下,不同的 Si/C 比能使铸铁的力学性能和 组织产生较大的差异。当 CE 一定时,Si/C 值从 0.6 提高到 0.8,灰铁的强度和硬度出现峰值;当 Si/C 值一定时,灰铁的强度和硬度随 CE 的增大而降低。在生产现场严格控制 CE 的同时,应选择 和控制适宜的 Si/C比。中频炉熔炼灰铁的 CE应高于冲天炉 0.3%左右, C含量应高于冲天炉约 0.1%, 并控制 Si/C 比在 0.6~0.7 附近,使铸铁保持合适的硬度和较高的抗拉强度。
      锰和硫是稳定珠光体、阻碍石墨化的元素,锰能促进和细化珠光体,锰量增加可提高铸铁的强 度和硬度以及组织中的珠光体含量,锰能促进生成和稳定碳化物,并能抑制 FeS 的产生。锰还和硫 形成高熔点的化合物作为异质形核,细化晶粒,所以锰在高牌号灰铁中使用量加大。但锰量过高, 又影响铁水结晶时形核,减少共晶团数量,导致石墨粗大,并产生过冷石墨,又会降低铸铁的强度。硫在灰铁中属于限制元素,适量的硫在石墨的生核和成长中起积极而有益的作用,可以改善灰铁的 孕育效果和机加工性能。中频炉熔炼灰铁,为了确保孕育效果,一般要求 w(S)≥0.06%,S 含量适 当提高,能改善石墨形态、细化共晶团,使片状石墨长度变短、形状变弯曲、端部变钝,减弱石墨 对基体的割裂破坏作用,从而提高铸铁的性能。所以,硫在灰铁中不是越低越好。而磷在灰铁中一 般是有害元素,易在晶界形成低熔点的磷共晶,造成铸铁冷裂。因此,在灰铁中通常磷越低越好, 对于有致密性要求的铸铁件,磷量应低于 0.06%。
       在实际生产中,应根据灰铁铸件的牌号、壁厚、结构复杂程度等因素优化化学成分设计,严格 控制各元素的波动范围,这对于保证灰铁铸件的质量和性能非常关键。