鑄件化學(xué)成分的控制與配料

1、鑄件化學(xué)成分的控制與配料河南省駐馬店市解放路282號(hào)四號(hào)樓 楊群收影響鑄鐵、鑄鋼件組織和性能的因素，有化學(xué)成分、孕育（變質(zhì)）處理、冷卻速度、爐料的“遺傳性”、鐵水過(guò)熱溫度等，在這幾個(gè)因素中，化學(xué)成分含量的高低對(duì)鑄件物理性能的影響相對(duì)更大些,而且是第一因素。所以在生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)鑄件物理性能的要求，正確的配料或調(diào)料，嚴(yán)格控制材質(zhì)的各化學(xué)成分含量尤為重要。在生產(chǎn)實(shí)踐中，作為冶煉技術(shù)人員和爐工來(lái)說(shuō)，配料和調(diào)料應(yīng)該是熟練掌握的一般性技術(shù)問(wèn)題。但是對(duì)予剛畢業(yè)的學(xué)生和大多數(shù)爐工來(lái)說(shuō)，欲能系統(tǒng)、靈活的掌握，也確非易事。要想控制鑄件的化學(xué)成分與配料，必須事先了解以下幾下問(wèn)題：1、鑄件的目標(biāo)化學(xué)成分。2、庫(kù)存各

2、種金屬爐料的化學(xué)成分。3、各種爐料在冶煉過(guò)程中化學(xué)成分的增減變化率。4、配料方法。一、目標(biāo)化學(xué)成分現(xiàn)在大部分鑄件，根據(jù)其牌號(hào)要求的不同，國(guó)標(biāo)中已做出了相應(yīng)的要求，從鑄造手冊(cè)中即可查到。但是隨著科技的進(jìn)步，根據(jù)鑄件的服役狀況，市場(chǎng)需要更多物理性能各不相同的鑄件，并對(duì)鑄件的綜合性能質(zhì)量提出了更高的要求，科研單位也不斷研究出新材質(zhì)而取代舊材質(zhì)，例如合肥水泥研究設(shè)計(jì)院研究的“中碳多元合金鋼”，成功的代替了原需進(jìn)口的球磨機(jī)襯板，代替了高錳鋼，用該材質(zhì)生產(chǎn)直徑2.4甚至直徑4.2的中大型球磨機(jī)襯板上，降低了生產(chǎn)成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，如我廠生產(chǎn)出口國(guó)外石油鉆井用的泥漿泵高鉻雙金屬缸套及采石場(chǎng)60

3、0×900破碎機(jī)用的錘頭，都是超高鉻鑄鐵，其主要成分見(jiàn)表（一），這些材質(zhì)的詳細(xì)化學(xué)成分要求，在鑄造手冊(cè)中是查不到的。表一： 材質(zhì)及產(chǎn)品名稱(chēng)主要化學(xué)成分（%）CSiMnCr中碳多元合金鋼0.450.800.51.00.40.83.56.5泥漿泵缸套內(nèi)套2.83.10.50.80.51.02628高鉻錘頭2.02.80.30.81.01.22226在接受生產(chǎn)緒如上述產(chǎn)品時(shí)，如果自己沒(méi)有完全掌握鑄件化學(xué)成分要求，以及沒(méi)有詳細(xì)了解鑄件的服役狀況時(shí)，應(yīng)讓用戶(hù)提供盡可能詳細(xì)的化學(xué)成分要求范圍及熱處理工藝。當(dāng)然作為生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，必須盡多詳細(xì)掌握自己產(chǎn)品所要求的化學(xué)成分范圍及物理性能。以便生產(chǎn)出用戶(hù)

4、滿(mǎn)意的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品?？傊谏a(chǎn)配料之前，應(yīng)了解所產(chǎn)鑄件的目標(biāo)化學(xué)成分，做到心中有數(shù)。二、原材料的化學(xué)成分原材料的化學(xué)成分，指的是投爐所用的新生鐵、廢鋼、回爐料的主要化學(xué)成分，以及硅鐵、錳鐵等鐵合金的牌號(hào)或化學(xué)成分含量。三、在冶煉過(guò)程中化學(xué)成分的增減變化要想掌握各種爐料在冶煉過(guò)程中化學(xué)成分的變化規(guī)律，將是一個(gè)較為復(fù)雜的問(wèn)題。冶煉設(shè)備的不同，如沖天爐（熱、冷風(fēng)）三節(jié)爐，中頻感應(yīng)電爐等，其化學(xué)成分的變化都各不相同。即便是同一個(gè)爐子，因修爐所用材料的不同，以及操作方法的不同，冶煉過(guò)程中化學(xué)成分的變化也不相同。以沖天爐為例，熱風(fēng)與冷風(fēng)，風(fēng)壓的高低，風(fēng)眼直徑的大小，焦碳質(zhì)量及塊度的大小，修爐襯材料是酸性，中性

5、或是堿性，對(duì)材質(zhì)化學(xué)成分的變化都不盡相同。1、碳量的變化碳量的變化大體上可分為四種：（1）爐料中含碳量高低的不同，碳量的增減率不同。（2）爐料中硅、錳含量高低對(duì)碳量的影響。（3）爐溫高低和爐氣氧化性強(qiáng)弱對(duì)碳量的影響。（4）其它因素。（1）爐料的平均含碳愈低，碳向金屬中的溶解度愈大，鐵水就會(huì)發(fā)生增碳，廢鋼用量越大，這種現(xiàn)象越明顯。爐料中平均含碳量愈高（例如在3.6%以上），鐵水從焦炭中吸收碳量愈少，而碳的氧化燒損增加，鐵水含碳量不僅不增加反而減少。如果爐料中的含碳量高達(dá)3.63.8%時(shí)，冶煉中鐵水的含碳量就基本不再變化了。（2）鐵水中含硅量越高，增碳量越少，這是因?yàn)楣杩梢匀芙庥阼F內(nèi)，降低了碳在鐵

6、中的溶解度。錳則相反，含錳量增加時(shí)，鐵水增碳量也有所增加。（3）加大焦炭用量，或者使用的焦炭塊度小，都會(huì)使增碳量加大，這是由于增加了鐵水與焦炭的接觸時(shí)間和接觸面積。鐵料熔化成鐵水滴下落，當(dāng)流經(jīng)赤熱的底焦時(shí)，焦炭中的碳會(huì)慢慢溶到鐵水滴中去，使鐵水含碳量增加，這叫作增碳作用。這種作用主要發(fā)生在過(guò)熱區(qū)和爐缸區(qū)。鐵水與焦炭接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，接觸面積越大，溫度越高，鐵水增碳就越多。沖天爐設(shè)有前爐，因?yàn)殍F水能及時(shí)從爐缸中流入前爐，所以增碳較少。攙爐無(wú)前爐缸，鐵水只能存在爐鍋內(nèi)而與焦炭接觸的機(jī)率多，所以增碳量就越較大。爐內(nèi)溫度升高會(huì)促使碳更快更多地溶解在鐵水中，使增碳顯著。因此，如果其它條件不變而采用熱風(fēng)沖天

7、爐，就會(huì)因?yàn)樘岣吡藸t內(nèi)溫度，使增碳量加大。在爐內(nèi)還存在著使碳減少的因素，如鐵水滴接近風(fēng)口，或者風(fēng)量很大，風(fēng)壓很高時(shí)，爐氣中的氧會(huì)氧化鐵水而使含碳量減少（或稱(chēng)脫碳）。增加風(fēng)量，提高鐵水溫度，也會(huì)促使增碳。但是增加風(fēng)量后，由于加強(qiáng)了鐵水氧化，又有促使脫碳的作用，不過(guò)，在這種狀態(tài)下，脫碳作用大于增碳作用。（4）除以上因素之外，還有其它具體因素也影響著碳量。提高底焦高度，鐵水的過(guò)熱路程延長(zhǎng)，鐵水溫度提高的同時(shí)，也促使了碳向鐵水中的溶解。因此，底焦高度過(guò)高時(shí)，鑄鐵的增碳量也大。如果爐底高度墊的高，鐵水下落流經(jīng)的路程短，鐵水及時(shí)流入前爐缸，減少了與焦炭的接觸時(shí)間，增碳率就小。反之增碳量就大。爐料過(guò)碎小而且

8、配用量大時(shí)，易出現(xiàn)熔化速度快、鐵水下落快、增碳量很小的現(xiàn)象。伴隨著這種現(xiàn)象的同時(shí)，鑄鐵件也易出現(xiàn)白口缺陷。在用沖天爐冶煉時(shí)，增碳和減碳這兩個(gè)矛盾著過(guò)程，是同時(shí)進(jìn)行的，影響含碳量的因素太多，很難精密的確定。用中頻感應(yīng)電爐冶煉時(shí)，無(wú)論是酸性、中性、或者是堿性爐，對(duì)碳量均有燒損。如果操作不當(dāng)，碳量的燒損更大，當(dāng)爐溫達(dá)到澆注溫度時(shí)，應(yīng)及時(shí)降低功率，保溫澆注。金屬液在爐內(nèi)隨著高溫時(shí)間的延長(zhǎng)，碳的燒損量增大，自發(fā)晶核減少，應(yīng)添加增碳劑并加入接力脫氧劑。2、硅量的變化硅量的變化，主要取決于兩個(gè)因素，（1）爐襯的屬性（酸性、中性或堿性）。（2）爐溫的高低以及在爐內(nèi)的停留時(shí)間。用石英砂（SiO2）作修爐料，即用

9、酸性爐冶煉鋼鐵時(shí)。硅量的燒損不明顯，如果顆粒細(xì)小的石英砂或石英粉用量大時(shí)，硅量不但不減少，反而會(huì)增加。用鎂砂（堿性）或鋁釩土（中性）修爐襯時(shí)，硅的燒損量就大，其燒損率一般可按1015%計(jì)算，硅鐵合金中硅的燒損率還要更高一些。3、錳量的燒損無(wú)論在任何爐中冶煉，錳量均有燒損，爐溫越高，金屬液在爐中的停留時(shí)間越長(zhǎng)，鐵水含硫量越高，錳的燒損率就越高，其燒損率一般按1525%計(jì)算，錳鐵合金中錳的燒損率還要更高一些。在冶煉過(guò)程中，除銅、鉬等元素?zé)龘p量極少，在配料時(shí)可以不考慮其燒損率，其它元素都有不同程度的燒損。四、配料配料前在選擇原材料時(shí)，即要照顧到鑄件的質(zhì)量要求，還要注意到各材料的價(jià)格，以及庫(kù)存量，盡可

10、能多的利用本廠的回爐料、廢鋼、廢雜鐵，以降低庫(kù)存積壓和降低鑄件的生產(chǎn)成本。配料方法及工式，除碳的配料計(jì)算方法是兩個(gè)以上外，其它元素的配比計(jì)算方法，均是累積法。1、碳的計(jì)算工式一、C=1.8%+CL 2 式中C鐵水的含碳量（%）CL 爐料中的平均含碳量（%）1.8%在用沖天爐冶煉時(shí)，爐料經(jīng)預(yù)熱、熔化、過(guò)熱、還原過(guò)程中，脫碳量和增碳量的（估算）中間值。該式只適應(yīng)用于沖天爐碳量的計(jì)算，不適用于電爐配料的計(jì)算，且為了計(jì)算結(jié)果符合本單位設(shè)備的冶煉情況，1.8%系數(shù)須根據(jù)多次熔煉經(jīng)驗(yàn)的修正選取。例如：HT250牌號(hào)灰鑄鐵的含碳量為3.13.4%，所用新生鐵的含碳量3.8%，回爐料的含碳量3.2%，廢鋼的含

11、碳量0.4%。估算配比，新生鐵加入量40%，回爐料加入量35%，廢鋼加入量25%。C=1.8%+3.8×0.4+3.2×0.35+0.4×0.25 2 ×100% =3.17%2、累積計(jì)算法就是將按比例投入的各種爐料，各自代入成分的量，相加在一起，把冶煉過(guò)程中的增減率計(jì)算在其中，再調(diào)整到目標(biāo)成分的范圍，該計(jì)算方法適應(yīng)于沖天爐的配料，也適應(yīng)于電爐的配料。使用原材料的化學(xué)成分含量如表二所示：表二原材料名稱(chēng)主要化學(xué)成分（%）CSiMn生鐵Z183.51.62.00.5回爐料3.21.90.8廢鋼0.40.270.5用上述原材料并配用硅鐵75、錳鐵65，用沖天爐

12、生產(chǎn)HT200牌號(hào)的灰鑄鐵，其化學(xué)成分要求如表三所示。表三：成分含量%牌號(hào)CSiMnPSHT2003.13.41.82.10.70.9<0.150.12根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)應(yīng)考慮到，增碳率為10%，爐料中硅的燒損為15%，硅鐵中硅的燒損為20%。爐料中錳的燒損為20%，錳鐵中錳的燒損為25%。經(jīng)調(diào)整后材料配比如表四所示：表四原材料配入量（%）生鐵Z1845回爐料40廢鋼15累積代入的成分：碳C=（3.5%×0.45+3.2%×0.4+0.4%×0.15）×1.1（增碳率）3.2%硅Si=1.8%×0.45%+1.9%×0.4+-0.27

13、%×0.15）×（1-0.15）（燒損率） 1.37%錳Mn=（0.7% ×0.45+0.8%×0.4+0.5%×0.15）（燒損率）  0.568%當(dāng)然每次配料，不可能一次配料計(jì)算成功，需多次調(diào)整配料比，方能達(dá)到理想，對(duì)于初掌握者來(lái)說(shuō)，尤其是這樣。3、碳的計(jì)算方法三，列方程式該配料方法的優(yōu)點(diǎn)是，在掌握了沖天爐增碳率之后，可一次配料成功，不需要試調(diào)配幾次。原材料的化學(xué)成分含量如表二所示；鑄件材質(zhì)HT200，各化學(xué)成分要求范圍如表三所示；沖天爐增碳率為10%。先確定回爐料的加入量為40%，回爐料代入碳：3.2%×0.

14、4=1.28%總?cè)霠t料應(yīng)代入碳（即未增碳10%以前的量）：3.2%（要求碳量中線(xiàn)） 1+10%（增碳量） 2.91%生鐵和廢鋼共需代入碳：2.91%-1.28%=1.63%列方程式：設(shè)生鐵加入量為 x3.5%（生鐵含碳量）×x+0.4%（廢鋼含碳量）×(1-40%)-x=1.63% x=45%廢鋼加入量：（40）45以上配料，碳達(dá)到了預(yù)期目的，但硅、錳仍達(dá)不到要求，需要補(bǔ)加硅鐵和錳鐵，補(bǔ)加硅鐵、錳鐵及其它任何鐵合金，均可用下式求得。補(bǔ)加量（）要求% 合金含量%×收得率%×100%目標(biāo)中線(xiàn)硅含量是1.95，爐料中代入硅是1.37，還差0

15、.58的硅量，需要添加硅鐵來(lái)補(bǔ)充其差，硅鐵的需補(bǔ)加量即可用上式算出。硅鐵補(bǔ)加量（） 0.58% 75%×0.8×100% 1%目標(biāo)中線(xiàn)錳含量應(yīng)是0.8，爐料代入的錳是0.56，還差0.232的錳量，需添加錳鐵來(lái)補(bǔ)充。錳鐵補(bǔ)加量（）0.232% 65%×0.75×100% 0.5%在生產(chǎn)普通鑄鐵或者普通鋼時(shí)，掌握了以上方法基本可以指導(dǎo)生產(chǎn)了，但是，在生產(chǎn)合金鋼，特別是高合金鋼時(shí)，還要考慮到，為保證材質(zhì)有足夠的合金成分含量，在添加鐵合金時(shí)，隨之而代入的其它成分，另外還要考慮到如何降低生產(chǎn)成本。例如用電爐生產(chǎn)合肥水泥研究設(shè)計(jì)院研究的“中碳多元合金鋼”時(shí)。中碳多

16、元合金鋼的主要化學(xué)成分含量如表一所示，常用的鉻鐵化學(xué)成分如下表所示：類(lèi)別化學(xué)成分含量%CrCSi低碳鉻鐵600.52.0高碳鉻鐵629.53.0在配料過(guò)程中，鉻含量取中線(xiàn)5%，就需要加入上表兩類(lèi)鉻鐵共計(jì)8%（因?yàn)榈吞笺t鐵和高碳鉻鐵的含鉻量接近，所以先混在一起計(jì)算其加入量），才能接近中線(xiàn)要求。由于鉻鐵中含有一定量的碳和硅，加入8%鉻鐵的同時(shí)，勢(shì)必引起碳和硅的增加。另外，在保證鉻含量5%時(shí)，如果全部用高碳鉻鐵，碳量必超。如果全部用低碳鉻鐵，再用增碳劑調(diào)碳，又會(huì)因?yàn)榈吞笺t鐵的價(jià)格比高碳鉻鐵的價(jià)格高的太多，而使生產(chǎn)成本上升。在保證化學(xué)成分合格又要降低生產(chǎn)成本的情況下，采用低碳鉻鐵和高碳鉻鐵的搭配使用。

17、在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)爐前化驗(yàn)結(jié)果出來(lái)后（碳、硅），要想很快的正確的搭配投料比，確有一定困難，而且往往容易忙中出錯(cuò)，所以要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，作到熟中生巧。為了便于配料，我們列制一個(gè)如表五的常規(guī)配料表，操作起來(lái)就方便、快捷、準(zhǔn)確了。表五：爐前化驗(yàn)鉻鐵加入量（%）鉻鐵代入硅量（%）碳（%）低碳鉻鐵高碳鉻鐵0.2440.20.3440.2530.4530.1862使用上表有兩個(gè)問(wèn)題需要說(shuō)明：（1）有兩欄格內(nèi)的高低碳鉻鐵為什么是兩種配比呢？盡管都是“中碳多元合金鋼”，由于所要澆注的鑄件不同，根據(jù)其服役狀況的不同，有意識(shí)的取碳的上線(xiàn)或下線(xiàn)。本文后有所述。（2）爐工在操作中只要注意投料質(zhì)量，硅含量就不會(huì)超限。爐前化

18、驗(yàn)硅含量，加上鉻鐵代入硅量的和，與目標(biāo)硅量的差，再加硅鐵補(bǔ)充。在了解上述配料基本知識(shí)和注意事項(xiàng)之后，雖然可以指導(dǎo)生產(chǎn)了。但是，想要使自己的產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，使鑄件化學(xué)成分穩(wěn)定在最佳含量范圍內(nèi)，從而達(dá)到鑄件最佳物理性能的匹配，作到物盡其用，還是不足到，還要進(jìn)一步了解，并懂理以下因素：（1）即便是同一材質(zhì)要求的鑄件，由于鑄件自身幾何形狀不同，以及鑄件服役工況條件的差異，而有意把其中某個(gè)成分控制在上線(xiàn)，或某個(gè)成分應(yīng)控制在下線(xiàn)。例如球磨機(jī)的一倉(cāng)襯板與二倉(cāng)襯板或隔倉(cāng)板。一倉(cāng)襯板在服役工作時(shí)所承受的沖擊力較大，而二倉(cāng)襯板所承受的沖擊力相對(duì)較小。大直徑球磨機(jī)襯板所承受的沖擊力就大，而小直徑球磨機(jī)襯板所承受的

19、沖擊力就小。即便要求都是“中碳多元合金鋼”材質(zhì)，但是在配料作業(yè)中，前者的碳量有意識(shí)的取下線(xiàn)，提高其沖擊韌性，防止工件斷裂而失效。后者的碳量則應(yīng)取上線(xiàn)，而提高其硬度，增強(qiáng)抗磨損能力。隔倉(cāng)板由于其幾何形狀復(fù)雜，厚薄懸殊大，孔多體長(zhǎng)，自身產(chǎn)生應(yīng)力較大，雖然承受的沖擊荷較小，其含碳量也應(yīng)有意識(shí)的取下線(xiàn)。（2）根據(jù)鑄件的服役狀況，什么樣的鑄件應(yīng)取什么樣的金相，哪個(gè)成分的高低，對(duì)材質(zhì)金相有什么樣的影響？能引起材質(zhì)綜合物理性產(chǎn)生什么樣的變化？都應(yīng)作到心中有數(shù)。例如油田鉆井用的泥槳泵高鉻雙金屬缸套的內(nèi)套和采石廠用的破碎機(jī)錘頭，它們的材質(zhì)都是高鉻鑄鐵，其主要成分見(jiàn)表一，由于它們的工況條件各不相同，在控制其化學(xué)成

20、分的上下線(xiàn)時(shí)就存在有一定的差異。如碳和錳，在高鉻鑄鐵中，碳含量高金相組織中的碳化物量多，材質(zhì)相對(duì)硬度高耐磨性好而韌性降低。錳在高鉻鑄鐵中起到穩(wěn)定奧氏體的作用，我們知道，奧氏體是個(gè)軟相，硬度低而韌性好，只有在強(qiáng)沖擊磨損條件下才發(fā)生相變，才能使硬度提高耐磨損性能良好。泥槳泵缸套的內(nèi)套，主要承受的是滑動(dòng)磨損，幾乎不存在沖擊磨損，對(duì)材質(zhì)的硬度要求高而對(duì)韌性要求相對(duì)較低些，所以其含碳量應(yīng)控制在中上線(xiàn)，而錳含量應(yīng)控制在中下線(xiàn)。破碎機(jī)錘頭的情況就不同了，工作中承受著強(qiáng)沖擊磨損，對(duì)材質(zhì)的沖擊韌性及硬度要求都高，而耐磨性和沖擊韌性又是一對(duì)矛盾，有時(shí)還不得不顧此失彼，為了實(shí)現(xiàn)材質(zhì)沖擊韌性和硬度的最佳配合，需要弄清

21、諸多因素存在間的相互關(guān)系，此處不再贅談。就僅對(duì)高鉻錘頭材質(zhì)中碳和錳量來(lái)說(shuō)，碳含量應(yīng)適當(dāng)取中下線(xiàn)，而錳含量應(yīng)取其中上線(xiàn)。 爐前調(diào)整化學(xué)成分（即調(diào)料）由于低谷電價(jià)低，而焦炭?jī)r(jià)格不斷上升，另處，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)鑄件質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)鑄件化學(xué)成分的控制也越來(lái)越嚴(yán)格，所以越來(lái)越多的廠家選用中頻電爐生產(chǎn)鑄件。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，為了降低生產(chǎn)成本，有用粒子鋼或廢鋼加增碳劑來(lái)生產(chǎn)球鐵，用廢雜鋼生產(chǎn)鑄鋼件，這就要求爐工和爐前技術(shù)人員掌握調(diào)整成分即調(diào)料的技術(shù)。調(diào)料仍按上述的配料工式，只是應(yīng)用起來(lái)速度較慢。如果工式的計(jì)算過(guò)程全部理解了，其實(shí)在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)需用筆，通過(guò)口算、心算就可以解決問(wèn)題。以一噸電爐調(diào)硅含量為例如果終硅要求含量是1.8%，爐前化驗(yàn)是1.3%，還要補(bǔ)加0.5%的硅，補(bǔ)充硅含量用的是硅鐵，需要加多少硅鐵？把硅鐵的含硅量按70%計(jì)算，（硅鐵真實(shí)含硅量大都達(dá)不到75%，還有燒損率）心算時(shí)把70%念作0.7，乘多少（即加入量）接近于0.5%的0.5呢？心算“七·七得四十九”，硅鐵加入量按0.7%時(shí)帶入硅是0.49%，接近于0.5%，為了成分更準(zhǔn)確些，無(wú)非是在稱(chēng)硅鐵時(shí)，適當(dāng)多稱(chēng)幾兩即可。如果需