无芯感应电炉熔炼灰铸铁的几个问题.docx
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1、无芯感应电炉熔炼灰铸铁的几个问题 中国铸造协会 李传栻无芯感应电炉熔炼铸铁,从上世纪30年代采用电动机驱动的变频电源开始,随后用50/60 Hz的工频电源,后来又进而发展到采用变频中频电源。上世纪60年代后期,晶闸管静态变频电源的应用,导致铸铁行业中采用无芯感应电炉作为熔炼设备的企业逐渐增多,尤其是70年代逆变电源的开发,中频无心感应电炉的电源有了重大的改进,频率转变效率可提高到97%98%,熔化铸铁时热效率可达到70%,同时,电炉设备和所用的耐火材料也在不断发展,因而其应用日益广泛。对于不适于采用长炉龄大型冲天炉的中、小型铸铁企业,用无心感应电炉熔炼有很多优点,主要如:l 熔炼时排出的废气、
2、烟尘和炉渣大幅度减少,便于治理环境和改善作业条件;l 可利用廉价的金属炉料,尤其是便于循环回用加工的切屑和边角余料;l 生产安排的灵活性较好;l 铸铁的化学成分和温度比较均匀且易于控制。但是,感应电炉熔炼的冶金过程与冲天炉有很大的的差别,如果不能切实了解其冶金特点,从而正确安排熔炼和各项后处理作业,则生产灰铸铁件时,往往会出现显微组织不符合要求、铸件的加工性能恶化等各种问题,不能确保铸件的质量要求。一、感应电炉与冲天炉熔炼过程中的不同之处冲天炉是以焦炭为燃料的竖炉,无芯感应电炉则是以电感应加热的坩埚炉,熔炼过程当然会有很大的的差别,即使熔炼得到的铁液化学成分相近,其在凝固过程中发生共晶转变的条
3、件却有很大的差异,因而,铸件的微观组织和某些性能也会有颇大的差异。这两种熔炼设备,不同之处主要有以下几点。1、冲天炉内有高温的过热区冲天炉熔炼过程中,在底焦层内氧化带和还原带之间,有一高温过热区,温度一般都在1700左右,高温运行的冲天炉还会更高一些。感应电炉熔炼时,炉内不存在这样的过热区。2、铁液中的硫含量冲天炉熔炼时,炉料中生铁锭所占的配比较高,生铁锭的硫含量一般都高于废钢。而且,炉料在熔化区熔融后,以细小液滴状态下落的过程中,流经硫含量较高的焦炭,二者接触的界面面积大。液滴到达炉缸后,所有的铁液都积存于焦炭块之间的空隙中。因此,熔炼灰铸铁时,铁液中的硫含量较高,通常都在0.1%左右。无芯
4、感应电炉熔炼铸铁时,由于炉料中废钢多而生铁锭少,配料中硫含量本来就低,再加以熔炼过程中完全不与焦炭接触,没有自焦炭吸收硫的过程,如果不特意在配料中加硫,则熔炼得到的铁液中硫含量较低,一般都在0.04%以下。3、铁液中的氧含量冲天炉熔炼过程中,未熔的金属炉料、铁液与炉气接触的界面大、时间长,熔炼制得的铁液中氧含量较高,一般为0.004%0.006%。无芯感应电炉熔炼铸铁时,金属炉料与炉气接触的时间很短,熔融的铁液与炉气接触的界面很小,铁液中的氧含量相当低,一般为0.002%左右,甚至更低一些。高炉熔炼的铸造生铁,氧含量比废钢高得多。少用或不用生铁,代之以废钢,也是感应电炉熔炼的铁液中氧含量较低的
5、重要原因。4、铁液中的氮含量冲天炉熔炼过程中,虽然铁液与炉气接触的时间长,接触的界面大,但是,由于铸铁中的碳、硅含量较高,溶于铁液中的氮并不很多,含量一般为0.004%0.007%。铸铁中含有少量的氮,铸件中不至于产生气孔,却有促成珠光体的作用,有助于改善铸铁的力学性能。无芯感应电炉熔炼铸铁时,炉料中配用的废钢量较多。废钢中的碳、硅含量都低,氮含量比铸铁中的高得多,因此,感应电炉熔炼的铁液中氮含量要高一些。一般说来,炉料中废钢用量为15%时,铸铁中的氮含量约为0.003%0.005%;废钢用量为50%时,氮含量可达0.008%0.012%;炉料全部为废钢时,氮含量可高达0.014%以上。如果铁
6、液中氮含量在0.01%以上,铸件就易于因氮析出而产生气孔。因此,用感应电炉熔炼时,要注意防止因氮而致的气孔。5、对铁液的搅拌作用冲天炉熔炼过程中,炉料熔化后,只在液滴下落的短暂时间内有些扰动。铁液进入炉缸或前炉后,除内部有轻微的对流外,基本上没有搅拌作用。感应电炉熔炼过程中,熔融的铁液内部自始至终都有感应电流的搅拌作用。二、感应电炉熔炼制得的铁液共晶结晶时的过冷度大在碳当量相同的条件下,用感应电炉熔炼的铸铁与用冲天炉熔炼的相比,共晶结晶时的过冷度大得多,参见图1。碳当量C+1/3(Si+P) (%)图1 在不同的碳当量下铸铁的熔炼条件对共晶结晶时过冷度的影响a冲天炉熔炼;b感应电炉熔炼在碳、硅
7、含量相同的条件下,用感应电炉熔炼的铸铁与用冲天炉熔炼的相比,三角试片的白口宽度也有明显的差别,参见图2。试片白口宽度(mm)铸铁的碳含量() a1冲天炉熔炼,Si 2.5%;a2冲天炉熔炼,Si 2.0%;a3冲天炉熔炼,Si 1.5%;b1感应电炉熔炼,Si 2.5%;b2感应电炉熔炼,Si 2.0%;b3感应电炉熔炼,Si 1.5%图2 用不同熔炼条件熔炼的铸铁碳、硅含量对三角试片白口宽度的影响由图1、图2可见,熔炼条件不同的铸铁,共晶结晶时特性差别很大。感应电炉熔炼制得的铁液,过冷度大,其原因主要有以下三个方面。1、共晶结晶时晶核的数量减少冲天炉熔炼时,从炉料开始熔化到铁液自炉中流出所经
8、历的时间很短,大约是10min左右。感应电炉熔炼时,从炉料开始熔化到出铁一般要经1小时左右,而且又有感应加热所特有的搅拌作用,易于使铁液中微细的碳质晶核溶于铁液。与此同时,可在共晶结晶时作为异质晶核的微细颗粒也大幅度减少。例如,可作为异质晶核的SiO2,在温度很高、又有搅拌作用的条件下,易于与铸铁中的碳发生如下反应而生成硅,硅溶于铁液,异质晶核消失: SiO22CSi2CO因此,用感应电炉熔炼灰铸铁时,要特别注意做好孕育处理作业,孕育剂用量应比冲天炉熔炼时略多一些,最好出炉前先在炉中进行预处理,以改善铸铁共晶结晶时的生核条件。2、铁液中的硫含量低前面已经谈到,用感应电炉熔炼铸铁时,熔炼得到的铁
9、液,硫含量一般都在0.04%以下。可是,对于灰铸铁而言,一定的硫含量是保证微观组织正常所不可或缺的。浇注前向铁液中加入孕育剂后,孕育剂中的活性元素与铁液中含有的硫、氧作用,生成大量微细的氧化物、硫化物和硫氧复合化合物,弥散于铁液中。在灰铸铁铁液的共晶凝固过程中,这些细小的夹杂物能作为石墨析出的异质晶核,促进石墨生核、使共晶团数量增多、共晶团细化。因此,用感应电炉熔炼时,应特别关注铁液中的硫含量,必须使之保持在0.060.08%之间。如配料中没有引入硫的组分,一般可加入适量的硫化亚铁使之增硫。感应电炉中加入硫化亚铁的量很小,硫含量往往不易准确控制。最近,日本有人提出,应该在为生产高档灰铸铁件而提
10、供的高纯生铁中,特意配加一定的硫含量,以便于铸造厂的质量控制。3、铁液中的氧含量低前面已经谈到,用感应电炉熔炼的铸铁中,氧含量一般都较低。如果氧含量降低到0.001%以下,铁液中可以作为外来晶核的氧化物、硫氧复合化合物就很少,铁液对孕育处理的回应能力就会很差。对于灰铸铁而言,作为异质晶核,氧化物尤为重要。在确认铸铁中氧含量过低的情况下,就应适当增加氧含量。最方便的办法是采用含氧、硫的孕育剂。这种孕育剂,国外早已有供应,随着我国用感应电炉熔炼的铸铁企业日益增多,近来也已经有有类似的产品问世。在炉料中配入30%左右的铸铁切屑,既可以循环利用废弃物料、降低生产成本,又可以使熔炼制得的铁液中氧含量增多
11、,不失为一种可取的增氧措施。美国某铸铁厂,炉料中铸铁切屑的用量为50%。三、炉料中生铁块太多会导致石墨组织异常前面曾经提到,用感应电炉熔炼铸铁时,由于液态铸铁在炉内保持的时间长,又有感应电流的搅拌作用,会使微细的碳质晶核溶于铁液,同时,能作为外来晶核的氧化物、硫化物和硫氧复合化合物也会大量损失。但是,对于生铁锭中所含的粗大石墨,情况就不一样了。生铁锭中,一般都含有粗大的片状石墨。冲天炉熔炼时,即使出铁的温度不太高,炉内过热区的温度也在1700左右。铁液通过过热区所经历的时间虽然很短,但却是以细小液滴通过的,能得到高温过热,有助于使石墨溶于铁液。因此,即使炉料中配加的生铁锭较多,只要铸铁的成分不
12、是过共晶的,显微组织中的石墨都呈细小的片状,一般不会有块片状(C型)石墨出现。感应电炉熔炼铸铁时,虽然液态铸铁在炉内保持的时间长,又有感应电流的搅拌作用,但炉内的温度毕竟比冲天炉熔化带的温度低得多。如果炉料中配用的生铁锭太多,就不可能使熔点高、稳定性强的片状石墨全部溶入铁液,总有一些晶态石墨保留在铁液中。在这种条件下,铸铁开始凝固前就存在较大的晶态石墨,即使铸铁的成分是亚共晶的,凝固时也会有初生石墨依托晶态石墨析出。最后,铸铁的显微组织中就会出现块片状(C型)石墨,影响铸铁的力学性能。因此,用感应电炉熔炼铸铁时,炉料中生铁锭的用量最好不超过10%,以保证显微组织正常。1980年,我曾在美国造访
13、过7、8家用感应电炉熔炼、生产高档次灰铸铁件的铸造厂,二十多年前,就没有见到一家用一块生铁锭的。欧洲用感应电炉熔炼铸铁的铸造厂,炉料中生铁锭的配用量一般都不超过10%。目前,我国还有不少铸造厂,将冲天炉熔炼时所用的炉料配比,原封不动地用于感应电炉,不少企业生铁锭的用量为30,有的企业甚至高达50%。再加以未能按感应电炉的冶金特点安排适当的孕育处理,结果,显微组织中既有块片状(C型)石墨,又有D型、E型石墨(过冷石墨),这种不正常的组织当然有损于铸件的质量,希望能尽早纠正这种不合适的做法。四、认真做好孕育处理和预处理感应电炉熔炼的铁液,共晶结晶时的过冷度大,用以生产灰铸铁件,必须认真做好出铁时的
14、一次孕育处理和浇注过程中的二次孕育处理。在此基础上,生产高质量铸件时,出铁前还应该在炉内进行预处理(preconditioning)。大批量生产高质量铸件时,还有必要考虑采用动态孕育工艺,以确保铸件质量的可重复性。关于常规的孕育处理,有关的参考资料很多,不必在此处重复。这里,只想简要地介绍一下预处理和动态孕育工艺。1、预处理铸铁的预处理工艺,大约在上世纪70年代后期开始应用于欧洲,随后,差不多与感应电炉熔炼铸铁的工艺同步发展。1980年,笔者在美国造访了好几家用感应电炉熔炼铸铁的铸造厂,没有一家不采用预处理工艺,所用的处理剂都是碳化硅。目前,一些工业国家中,预处理工艺的应用面很广,而且已自感应
15、电炉熔炼推广到冲天炉熔炼。据笔者所知,目前美国用作预处理剂的碳化硅约70%自中国进口,而我国采用预处理工艺的铸造厂却很少很少。预处理的作用不仅在于减轻激冷倾向和减少碳化物的形成,还在于改善共晶转变时石墨的生核和长大。出于对灰铸铁的冶金要求,希望在较高的温度下发生共晶转变、析出石墨,并使过冷度最小,从而保证得到A型石墨,防止产生B型、D型和E型石墨。而且希望发生共晶转变时石墨生核程度高,共晶团数量多,以得到细小的片状石墨。通过预处理,生产薄壁铸件时,不仅可避免组织中出现碳化物,而且可使过冷型石墨(B型和D型)减至最少。预处理工艺可用于砂型铸造,也可用于金属型铸造和离心铸造。铸铁所用的预处理剂,应
16、该是含碳、硅的晶态材料,碳化硅的应用较广。对于灰铸铁,一般都采用SiC含量为8590%的冶金碳化硅;对于球墨铸铁则宜采用SiC含量为9798%的碳化硅。人造石墨(晶态石墨)也可用作预处理剂。75%的硅铁则只有提高硅含量的作用,作为预处理剂的效果不明显。用碳化硅作预处理剂时,加入量一般为0.71.0%,实际应用时,应通过试验求得最佳值。2、动态孕育工艺铸铁是非常复杂的铸造合金,其显微组织和性能决定于很多因素,如:所用炉料的状况、炉料熔化的过程及温度控制、奥氏体和石墨在铁液中生核的条件、化学成分、所用的孕育方法、孕育剂的品种及其用量等。虽然生产和应用铸铁件已有两千多年的历史,大家对铸铁的结晶、凝固
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