| 鑄造熔煉廢鋼加增碳劑熔煉球鐵的技術研究 |
一、沖天爐和電爐熔煉出鐵液質量的不同之處 １．沖天爐熔煉的鐵液 沖天爐是用焦炭作燃料，將固體的鐵塊和其它爐料，經過預熱、熔化、過熱、還原，最后鐵液經爐底流入前爐缸，所經歷的時間很短，大約10min左右，鐵液往往要在前爐缸中停留一段時間，在這段停留時間里，對金屬液的增核是有利的。雖然沖天爐的出爐溫度一般在1450℃左右，但是鐵液經過過熱區的瞬間，爐溫約1700℃，盡管鐵液通過過熱區的時間很短，卻是以細小液滴通過的，能得到高溫過熱，有助于石墨溶于鐵液，消除新生鐵中粗大石墨片的遺傳性。鑄鐵中的主要元素碳，在熔煉過程中有一個燒損和吸收的減增過程，由于鐵液滴在灼熱的焦炭上，鐵液就吸收了焦炭中的碳原子，所以在整個熔化過程中，碳的吸收大于燒損，最終含碳量是增。同樣鐵液也會從焦炭中吸收部分硫。 在壓球化劑作球化處理之前，都要先燙包。由于沖天爐的熔化速度快，當第一包球鐵澆注完畢后，再處理下一包時，包內溫度還很高，鐵水倒入澆包內降溫少，所以再進行球化處理時，出爐溫度與電爐相比較可以稍低些，對球化處理質量（球化劑的熔化及吸收、澆注溫度），影響不大或沒有影響。用電爐熔化鐵液，每爐熔化間隔時間約50～60min，有時間隔的時間可能會更長些，澆包散熱時間長，包內溫度低，經球化處理后，包內鐵水溫度約下降80℃，冬天溫度下降的可能會更多，所以用電爐熔化鐵液處理球鐵時，出爐溫度要比沖天爐的溫度高些。 2.用電爐熔煉鐵液對材質性能的影響 我們知道用電爐熔煉爐料，是由感應圈經導電產生磁場，在爐料中產生電渦流，由電渦流發熱藉以熔化爐料。 (1) 對"自發晶核"的影響 廢鋼的熔點比鑄鐵高，增碳劑的熔點更高，當廢鋼在熔化過程中以及熔化之后，增碳劑被加熱緩慢的溶解和擴散，增碳劑中的碳才能被鋼液侵蝕吸收。鋼液逐漸的變成鐵液，即常稱之為"合成鑄鐵"。由于廢鋼熔化溫度高，鋼液變成鐵液之后的過熱溫度往往就高。在高溫下，鐵液中的碳易于被氧化成CO，因此有人認為鐵液中的碳也是一種"氣體形成元素"。CO在鐵液中的溶解度很少，形成后即釋放于鄰近液面的大氣中。在生產實踐中我們會發現，當高溫鋼液倒入抬包后，抬包中有放射狀火花飛出（俗稱賊花），即可能是高溫氧化的釋碳現象。 電爐在熔煉鐵液過程中，具有電磁攪拌摩擦的特性。鐵液過熱溫度高、過熱時間長、且又有感應電流的攪拌摩擦，鐵液中微細的晶態石墨即自發晶核和外來結晶核心，都會逐漸溶于鐵液而消失；或浮經液面與集渣劑粘裹在一起被挑出爐外。這樣，使鐵液中可在共晶結晶時作為石墨外來晶核的物質大幅度減少。 硫在鑄鐵中，尤其是在球墨鑄鐵中是有害元素。但有資料介紹：當含硫量小于0.06﹪時，硫的一些有益作用就無法得到發揮。在鑄鐵中存在有細小而分散的硫化物夾雜，能在石墨的生核和成長中起積極而有益的作用。用感應電爐熔煉廢鋼加增碳劑的合成鑄鐵，其最終含硫量一般不會超過0.03％的。如果原鐵水的含硫量過低，球化劑中的鎂就無從與硫化合，過多的殘余鎂量不但阻礙石墨化，而且還會使鑄件產生縮孔、氣孔等鑄造缺陷。如果減少球化劑的加入量，綜合考慮又恐會影響到球化率。 合成鑄鐵在感應電爐中，因含硫量過低、過熱溫度高、電流的攪拌摩擦等因素影響，鐵液中石墨化的核心大幅度減少。這種缺乏石墨化結晶核心的鐵液，過冷度很大，對孕育處理的回應能力極差，很難通過常規孕育處理措施，使鑄鐵具有符合要求的微觀組織。因而即使化學成分含量完全符合要求，往往澆注出的鑄件硬度高，不便于機械加工。有資料介紹：硫從0.02％增加到0.06％，抗拉強度增加50MPa以上，即可提高一個牌號以上，硬度值即可增加HB20。進一步增加硫到0.1％，強度值和硬度值變化不大，有此可見在灰鑄鐵中，硫控制在0.06～0.1％為宜（我廠生產的汽車制動鼓，材質是HT250，硫控制在0.07～0.09％）． 順便也談談用電爐熔煉"鑄鐵屑"，即便熔煉的鐵屑干凈無銹蝕，不需要高溫，過熱溫度并不是很高，但是由于電磁攪拌的摩擦作用以及碳、硅的燒損，如果澆注前不進行元素調配和采取有效的孕育措施，生產出的鑄件同樣是硬度高。 （2）用應電爐熔煉對提高材感質質量的影響 ①感應電爐熔煉，鐵水溫度可升以提到1570℃以上，并可以在高溫狀態下長時間的保溫，在該溫度下，可以使原材料帶入的夾雜物，以及在熔煉過程形成的夾渣及夾雜物上浮至鐵液表面。對于廢鋼＋增碳劑、尤其是粒子鋼＋廢鋼＋增碳劑＋回爐料，這些爐料無論是廢鋼、粒子鋼或者是粒子鐵，大都是白口組織，白口組織具有較強的遺傳性，要消除遺傳性就需要適當的提高熔化溫度，增加保溫時間，才能夠比較好的凈化鐵液，減少鑄件缺陷。 ②合金元素燒損量低，鐵水中錳、硅的燒損低于沖天爐熔煉。便于各元素的調控，能夠穩定化學成分含量。 ③生產球墨鑄鐵時，含硫量過高將會直接影響到球鐵的質量。如球化級別低下、材質強韌性差、鑄件有夾渣等鑄造缺陷。用電爐熔煉鑄鐵時不存在有增硫反應。 ④用廢鋼＋增碳劑生產合成鑄鐵，由于廢鋼的夾雜物含量低，成分穩定，加增碳劑經高溫熔煉之后，消除了爐料的遺傳性，鐵液的純凈度得到提高，同時增碳劑具有孕育作用，促使石墨化的效果更加穩定突出，鑄件的基體組織晶粒會更加均勻、細化，所以生產出鑄件材質的韌性和強度均得到提高。 二、揚長補短、優化操作程序 用廢鋼生產球墨鑄鐵的優點前面已談，就不再贅述。 用電爐熔煉廢鋼（鐵屑）＋增碳劑生產球墨鑄鐵，欲想穩定產品質量，需要補的"短"，主要是解決金屬液在凝固結晶時，自發晶核少、鐵液過冷度大、石墨化能力差、鑄件硬度高而不便于機械加工的問題。具體的"補短"操作方法是： ①在冶煉后期要注意"自發晶核"的培養。加入適量的廢鋼使鐵液激冷，同時適量的加入硅鐵以及細顆粒的增碳劑，上面覆蓋保溫劑，降低功率或停電保溫一段時間，以促使析出微細的晶態石墨。 ②在出爐或澆注過程中，進行充分的多次孕育處理，以補充"外來晶核"，可以添加小顆粒的增碳劑、碎硅鐵粉粒以及復合孕育劑，雖然加入量很少，但是促進生核的效果很好。 ③如果含硫量過低（特別是生產HT時）可適量加入些硫鐵，但必須控制在要求的范圍內。總之優化操作程序指的就是：爐料入爐的先后順序、熔煉中的溫度和出爐溫度的控制、化學成分的選控、以及強化孕育和復合孕育。 我們的產品是汽車輪轂，造型采用的是鐵模覆砂工藝，材質是QT450－10，其硬度是HB160－210，屬于鐵素體基體球鐵。但是用戶為了便于機械加工提高生產速度，除要求材質的抗拉強度及延長率合格之外，還要求鑄件的硬度≤200 HBW。 化學成分的選擇﹙％﹚: CE4.6－4.8，C3.6－3.9，Si1.2－1.3（原）、2.65－2.9（終），Mn0.2－0.4，P≦0.05，S≤O.035(原)、≤0.022（終），RE(殘)0.02－0.04， Mg（殘）0.03－0.06。 配料單 在實際生產中，碳當量控制在中上線，硅力爭控制在上線，旨在提高鐵液的石墨化能力。 爐料的加入順序、操作方法及溫度控制 先在爐底加入新生鐵，再加入廢鋼、增碳劑（根據爐料情況憑經驗而加，以防增碳劑堆積形成高溫層），邊熔化邊加廢鋼和增碳劑，盡可能在粒子鋼沒有加入之前，把增碳劑需要加入量的60－70％加完，最后加回爐料。在這段時間里，為了提高增碳劑的吸收率，消除鐵液中的遺傳性，宜采用大功率高溫熔化。 但上述加料方法也存在著兩個問題: ①當鐵水含碳量達到一定量時，再提高鐵水含碳量就困難了。 ②在熔煉后期加入粒子鋼，爐內金屬液噴濺嚴重，不能保證安全生產。因此也可以采用另一種加料順序，先熔化粒子鋼，邊熔化邊往外舀渣，當熔化完畢需加入量（一般40―50％）并達到一定溫度時，關閉電源，消除爐內液面"駝峰"，使液面平穩，熔渣就會往液面中心部聚集，這樣就便于舀凈熔渣。熔渣清除干凈之后，就可以適當多加些增碳劑。啟動電源高功率熔化，邊加廢鋼邊加增碳劑直至爐滿，加入部分硅鐵取樣分析。 球鐵金屬液是一種鐵水被飽和的Fe－C－Si－O之合金溶液，其內部存在化學反應與反應平衡問題： 2C＋SiO2→Si＋2CO 鐵水溫度高于平衡溫度時，反應向右，碳被氧化放出CO降碳，是還原反應。低于平衡溫度時反應向左，Si被氧化，形成SiO2黑渣，是氧化反應。平衡溫度在1390－1420℃之間。故推薦球化處理溫度在1450±20℃之間。根據上述資料分析增碳劑合適的加熱溫度，如果加熱溫度高于平衡溫度時，鐵液中的碳被氧化損耗增加，增碳劑的吸收率降低。當加熱溫度低于平衡溫度時，由于溫度較低，增碳劑的溶解擴散速度下降，因而增碳劑的吸收率也較低。另外，在實際生產操作中，很難把爐溫控制在平衡溫度線。提高爐溫可以加快增碳劑的溶解和擴散，有利于鐵液對碳的及時吸收而縮短碳的氧化時間，盡可能的使吸收遠大于損耗，同時也有利于提高熔化速度。所以在熔化前期我們采用大功率高溫熔化。 由于粒子鋼的含渣量太多，在熔化粒子鋼過程中，需要用特制的勺往外舀渣，所以增碳劑不宜與粒子鋼混裝熔化。當爐料熔化完畢并徹底清凈熔渣之后，留下10％的增碳劑作為波動可調空間，其余的全部加入，并加蓋保溫劑。 在爐內溫度升高增碳劑溶解被鐵液吸收后，清凈保溫劑及熔渣，加入部分硅鐵，在硅鐵上面覆蓋保溫劑，硅鐵的加入量，應在代入硅1.2％左右，這是因為廢鋼和粒子鋼的含硅量都很低，加入部分硅鐵，一是為了起到脫氧作用；二是為了縮小后期調整范圍，使成分含量更加準確；三是為了鐵液成分含量不超過熱分析儀的測量范圍，避免測量失敗。還需要說明的是，無論在任何階段需要同時添加增碳劑和硅鐵時，都要先加增碳劑，待增碳劑熔解擴散被吸收之后，再加增碳劑。這是因為硅具有排碳特性，即硅量的增加，降低了碳在鐵水中的溶解度。其目的還是為了提高增碳劑的吸收率。 綜上所述，影響增碳劑吸收的因素有：①增碳劑的質量；②鐵水的含碳量；③鐵水含硅量：④爐料和鐵水質量（是否嚴重氧化）；⑤爐工操作；⑥加入時間及加入方法；⑦爐溫控制。 當爐溫達到1320℃左右時，清凈液面熔渣，取樣倒入上海產的"賀利氏"牌熱分析儀樣杯中。在取樣分析的前后時間里，先清理干凈液面熔渣，適量加入一些回爐料；當熱分析儀結果出來后，調整原鐵水的碳、硅含量。 采取有效措施強化孕育：使用孕育劑的種類有75硅鐵、增碳劑、硅鈣鋇復合孕育劑。用增碳劑進行爐內、包內雙重孕育；用硅鐵進行沖入孕育及浮硅孕育；由大包倒入抬包時加入硅鈣鋇復合孕育劑進行隨流孕育。只要經熱分析儀測報含碳量不超上限，出爐前在爐內液面（也稱作預處理或預孕育）、在球化包底、以及球化反應結束扒渣后，在球鐵液面，酌情適量加放一些細顆粒（0.5―1.0mm）的增碳劑。盡管這樣作增碳劑的吸收率較低，但是確能生產大量的"外來晶核"，促進石墨化，有利于石墨的生成。 球化溫度的控制。球化溫度是根據鑄件的大小、鑄件壁的厚薄以及材質的不同而靈活掌握的。而且各單位又有各自的習慣作法。如山東臨沭興華機械廠用十噸包處理球鐵，當包底有一定的鐵水后，為降低下部鐵液溫度，延緩球化劑的起爆時間，減少反映沸騰，順包邊加放"熱鐵塊"，也便于降溫澆注大型鑄件，效果很好。濮陽一家鑄造廠，用廢鋼生產球鐵，出爐溫度1550℃，當包內鐵液達到3／4時，停止倒鐵水，讓球化包內進行球化反映，在包內作球化反映時，爐內剩余1／4的鐵水繼續升溫，包內反映結束并清理浮渣，加孕育劑后再出爐內剩余1／4的鐵液，這時爐內鐵液溫度已是1570℃，用這種方法作球化處理，生產出的鑄件內在質量好，無氣孔等鑄造缺陷。我們在出爐之前的熔化過程中，要經歷一個先高溫后低溫的過程，先高溫便于消除鐵液中的"遺傳性"和促進增碳劑的吸收，后適當低溫便于晶核的復生和球化處理。我們在生產實踐中，原來的球化處理溫度控制在1560－1570℃（用光學測溫儀），生產出鑄件的硬度偏高，其硬度常在200HBW左右徘徊，時而硬度還有超標現象而影響產品質量。2010年下半年，逐漸降低球化處理溫度，現在出爐溫度控制在1520℃±10℃左右。 三、產品質量 產品為QT450－10輪轂，造型采用鐵模覆砂工藝， 球鐵的球化級別1－3級，石墨大小6－7級，石墨球密而分布均勻，硬度HB170－190，硬度很少有超過HB200的。鑄件實體切割取樣作物理實驗，抗拉強度≥500MPa（常在500 MPa左右），延長率13％－16％（最高可達22％）。 |
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