| 中頻熔煉爐熔煉鑄鐵工藝特點及常見缺陷 |
近年來，由于環保的要求，大多數小型沖天爐被小型中頻感應電爐所取代，沖天爐由于使用焦炭等燃料，熔煉過程發生冶金反應，而電爐熔煉主要是合金重熔，冶金反應作用不顯著. 中頻熔煉爐熔煉鑄鐵的工藝特點就在于鐵液重熔后合金過冷度增大，同時過熱溫度較高，隨之而來的鑄鐵質量控制遇到了新的問題。 電爐鐵水重熔后，所含的雜質物相比沖天爐要少，也就是說純凈度要高，在其凝固過程中缺少了異質結晶核心，凝固時的成分起伏和濃度起伏要弱些，這使得過冷度加大（這兒所謂過冷度是指相同成分的鐵碳合金凝固時的實際溫度超出沿穩定系結晶溫度的那一部分），合金沿介穩定系凝固結晶的可能性加大，也就是結晶產物中Fe3C(滲碳體)的含量增多，而沖天爐鐵水由于含較多的異質核心，凝固結晶時沿穩定系發展的傾向大，在鐵碳合金相圖上，穩定系結晶的產物就是鐵素體和石墨。 電爐鑄鐵的熔煉特點，要求鑄造工作者在鑄鐵的成分選擇、爐料配比、廢鋼用量、孕育工藝、增碳脫碳、增硫脫硫、球化工藝、蠕化工藝、溫度控制、澆注工藝等許多方面需要更新觀念，采取符合實際的手段來保證和提高產品質量。 在鑄造行業，人們常說，鑄造材料的成分決定組織，組織左右性能；這句話其實并不全面。我們在生產實踐中發現許多鑄鐵，在相同成分時，機械性能卻有較大差異。鐵水的質量除與其成分有關聯外，還與爐料配比（生鐵用量、廢鋼用量、返回料用量、合金加入量），熔化與出爐溫度，孕育工藝等有密切關系。所謂合成鑄鐵，就是指配料中使用50%以上的廢鋼，通過增碳合成的方法制取的鑄鐵材料，因為需要較高的熔化溫度，只宜在電爐中熔煉。目前合成鑄鐵主要有合成灰鐵和球鐵。 通過大量實踐，對于HT250、HT300等高強度灰鑄鐵來說，廢鋼左右強度、生鐵影響組織. 1、配料禁忌： （1）、高比例廢鋼（尤其是船板）與高比例回爐料（澆冒口、廢鑄件、鐵屑）搭配，合成灰鐵的廢鋼加入量不宜超過50%； （2）、高比例廢鋼（尤其是船板）與含硫磷高的生鐵搭配； （3）、回爐料超過40%（澆冒口、廢鑄件、鐵屑）。 2、配料優化組合(%) 組成生鐵廢鋼回爐料 配比A403030 配比B304030 配比C204040 配比D205030 3、錳硫含量 需要提高硬度時錳的含量可達1.0－1.2%，但不要求相應提高硫的含量（關于灰鐵中的硫含量，另行分析）。 某公司為了節約成本，多用廢鋼，在兩個月內試制合成高牌號灰鑄鐵，廢鋼用量一度達60%，有一段時間除加入廢鋼外另加回爐料和少量鐵屑，最初質量不錯，但一段時間后發現鑄件批量縮孔、縮松和有白色硬斑，并且持續不斷越來越嚴重。 此缺陷成因：初步判斷是鐵水中MnS的含量過高而引起的鑄件顯微縮孔、縮松，MnS富集形成白色硬斑。這是由于高牌號灰鐵HT300成分要求Mn含量較高（1%左右），加之廢鋼自身錳也高（船板中的16錳鋼含Mn在1.6%），而廢鋼中的S以及回爐鐵（包括鐵屑）中的S和錳反應產生的MnS在爐料中的積累達到一定程度，就會產生過量，從而產生上述缺陷。 為了減少鐵水中的MnS含量，一般用加入一定量的優質新生鐵（低S低Mn）來調整，另外提高孕育效果，可使MnS細化，減弱其不良影響。 廢鋼加入量過大時，由于廢鋼熔點在1530度左右，而生鐵和回爐料的熔點只是1230度左右，多用廢鋼增加了電耗，加大了鐵水的過冷傾向，還吸附大量的氮氣，一般來說合成鑄鐵工藝并不適用于灰鑄鐵，而比較適用于球鐵 二、關于電爐灰鑄鐵增硫問題 前面已經說過，中頻感應電爐熔煉鑄鐵工藝對比沖天爐熔煉，除了具有熔化溫度高的優勢外，卻有不少缺點，主要有三個方面的問題：一是鐵水過冷傾向較大，極易產生影響材料機械性能的D、E型石墨；二是鐵水純凈，異質結晶核心較少，導致孕育效果差，在同等成分條件下，鑄件強度偏低鐵質偏硬；三是收縮傾向較大，在高牌號灰鑄鐵中錳含量較高時，容易產生顯微縮孔、縮松。 針對上述問題，應對的措施是： 1、在熔化后期增加一個高溫保持時間，盡可能使各種爐料熔化的鐵水晶粒均勻，尤其是細化石墨； 2、適量增加外來異質核心（如硫化物），強化孕育效果，促進A型石墨的形成； 3、控制高牌號灰鑄鐵的硫、錳含量及其比例，控制回爐料比例，達到合適成分。 這些措施，對不同結構的鑄件產品是有差別的，需在實踐中掌握。 某公司某日，用電爐熔煉6爐灰鐵HT300鐵水，澆鑄液壓閥G03、G02等產品，經解剖內部組織發現大面積顯微縮孔、縮松、縮裂，共830只全部報廢（見附圖）。檢測布氏硬度HBS241，化學成分C3.27，Si1.78，Mn0.83，S0.087，P0.04。珠光體98%，E形石墨達80%（A型20%），石墨長度5級。據有關人員研究分析，應是鐵水材質出了問題。 化學成分分析的結果，對一般的薄壁HT300鑄件來說似乎是正常的，然而對于液壓閥鑄件（壁較厚）卻出了問題。此缺陷成因：初步判斷是鐵水中MnS的含量過高而引起的鑄件顯微縮孔、縮松、縮裂，也就是說鐵水中的S、Mn含量超出鑄件所適應的范圍（對不同鑄件其成分量有差別）。 由于在熔煉中加入了一定量的增S劑，鐵水中的S、Mn含量積累達到一定程度，就會導致鐵水含S量超出鑄件自身正常凝固結晶的要求，從而產生此類缺陷。對策：停止加入增S劑，調整Mn的含量，保證HT300灰鐵的五元素的正常含量，調整后，缺陷全部消除。 在電爐灰鐵鐵水中通過加入增S劑形成一定量的MnS，作為異質核心，提高孕育效果，這從理論來說是正確的，但是近年來大多數文獻資料所說，電爐高牌號灰鐵的含S量需控制在0.05-0.10%比較合適，然而許多工廠的實踐證明，當含Mn量在1%左右時，若鑄件成分分析含S量超過0.05%，鑄件就開始產生縮孔缺陷，當含S量超過0.07%時就會發生批量縮孔，這種現象如何解釋呢？ 灰鑄鐵中的S有兩種存在形式，一種是單質，另一種是化合狀態的MnS，灰鐵中起結晶核心作用的硫，主要是化合狀態的MnS，我們現在的化驗手段（無論是化學分析還是光譜分析），都只能分析出鑄件和鐵水中單質狀態的S，而以化合狀態（MnS）存在的S是化驗不出來的。當單質S含量超過0.05%時，化合態的S含量就比較高了，此時的鐵水中： MnO+FeS=MnS+FeO，FeO+C=Fe+CO,或2FeO+C=2Fe+CO2 這時鐵水在凝固過程中就在析出CO或CO2的同時產生部分棕色的MnS粉沫，形成鐵渣反應氣縮孔。只要具備一定的條件，這種氣縮孔，不僅在電爐鐵水也在沖天爐鐵水中發生。其實我們在電爐熔化過程中，已經增加了一部分硫，這些硫來自于： 1、由回爐的澆注系統帶來，澆注系統中的硫磷含量遠高于鑄件中的含量； 2、生鐵中的硫，一般生鐵中的硫含量是不高的，而我們購買的普通生鐵上面都攜帶不同程度的爐渣（拉圾），我們是不會化驗的，但這些拉圾卻含有較高的硫磷，會帶入爐內； 3、廢鋼和生鐵等爐料的鐵銹，氧化鐵含量較高，進入鐵水中會增加硫的吸收率。在這樣的情況下，如果我們再補加硫化鐵來增S,就過分了。實際生產高牌號灰鑄鐵件時，鐵水中的單質S控制在0.03-0.05%之間為妥。 三、電爐高牌號灰鐵的孕育和變質處理 關于高牌號灰鐵（以HT300為例）的孕育工藝，傳統的孕育量是處理鐵水量的0.3-0.4%（以沖天爐生產為主），近年來隨著電爐的普及，孕育量逐漸增加，最新資料推薦0.5-0.6%，本人通過長期實踐，選擇孕育量在0.8%左右，取得強度硬度和切削加工性能的全面提高，鑄件加工后的內部缺陷大幅度減少。 某公司生產高牌號的電磁閥，技術要求鑄件硬度大于HB200，強度大于300N/mm2,該產品主要壁厚超過50mm，通過多次試驗，在加大一次孕育量的同時，采取二次隨流孕育，消除了厚壁帶來組織粗大的缺陷，提高了鑄件致密度，保證了產品質量。 關于鐵水二次隨流孕育，在澆注前加入粒度0.2-0.7mm的均勻的孕育劑，比較適用于厚件，而用于小件時反而增大了鐵水的收縮性能。 有一個時期，某公司部分產品加工后表面呈現白色亮斑硬度很高，刀具打滑，經分析，原來是孕育劑的塊度過大，與鐵水包容量不相適合，致使孕育劑在鐵水澆注時未能完全熔解,鑄件局部硅量富集形成硬化相；當在鐵水溫度偏低進行二次隨流孕育時，也會產生同樣的缺陷。 有一家專業生產HT300灰鐵液壓件的工廠，澆注一種KP泵體，鑄件壁厚30mm左右，按照HT300的經驗成分配料，鐵水成分：C3.0-3.1%，Si1.7-1.8%，Mn0.95-1.05%，P0.05%，S0.04%，鑄件本體解剖抗拉達300N/mm2，但是連續多批產品在內澆口附近發生縮陷和縮裂，無論對澆注系統如何調整，就是不見效果， 沒有辦法，只能提高碳當量降低強度，調整到C3.2-3.3%，Si1.8-2.0%時，缺陷消失，但產品經加工后試壓，大部分產生膨脹滲漏，本體測試抗拉也不合格，造成主機廠批量退貨。聯想到以往有一批同類泵體，由于聽了別人的建議，用硫鐵增S，鐵水含S在0.07%以上時，鑄件大面積縮孔，積存大量廢品，為了處理這批廢品，根據稀土脫硫的原理，當加入此類廢品時，在孕育過程中補加少量稀土鎂硅鐵（約0.2%），有效地降低了硫含量，解決了縮孔問題。 針對當時KP泵存在的縮陷和縮裂，雖然原鐵水含硫并不高，在孕育時同樣試加了少量稀土鎂硅鐵（約0.2%），也取得了理想的結果，縮孔問題完全解決。分析其機理，鑄鐵產生縮陷，主要還是鐵水中的氣體（包括氧、氮、氫等）作怪，這些氣體在凝固后期析出時，鐵水無法補充，產生了缺陷，而稀土鎂硅鐵作為一種灰鐵變質劑（也是一種孕育劑），卻好是脫除氣體的能手，鐵水含氣量大幅度減少，缺陷也就消除了。 |
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