萬(wàn)仁芳感應(yīng)電爐熔煉鐵液的特性for百鑄網(wǎng)

1、感應(yīng)電爐熔煉(rn lin)鐵液的特性及常見(jiàn)缺陷東風(fēng)汽車公司鑄造(zhzo)一廠2014-7萬(wàn)仁芳1共十六頁(yè)一.前言(qin yn)感應(yīng)電爐應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，始于上世紀(jì)30年代初期， 70年代感應(yīng)電爐（特別是工頻爐）應(yīng)用在歐洲得到了進(jìn)一步普及。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1974年西德生產(chǎn)了鑄鐵件389.9萬(wàn)噸，其中用熱風(fēng)沖天爐129.6萬(wàn)噸，占33.2%，冷風(fēng)沖天爐生產(chǎn)95.5萬(wàn)噸，占24.5%，感應(yīng)電爐生產(chǎn)了98.5萬(wàn)噸，占25.2%，高爐鐵水(tishu)與工頻爐雙聯(lián)生產(chǎn)了66.3萬(wàn)噸，占17%。而挪威在1970年工頻爐熔鐵量就達(dá)到熔鐵量的40%。12日本于上世紀(jì)60年代中期開(kāi)始應(yīng)用感應(yīng)電爐化鐵， 1975年

2、用量比1965年增長(zhǎng)了6倍。據(jù)1975年抽樣調(diào)查，采用冷風(fēng)沖天爐的占52.4%，熱風(fēng)沖天爐占11.5%，無(wú)芯工頻爐占15.5%，沖天爐與工頻爐雙聯(lián)占14.1%，沖天爐與電弧爐雙聯(lián)占0.9%，無(wú)芯工頻爐與有芯工頻爐雙聯(lián)占1.4%，電弧爐占1.4%，其他占2.8%。2我國(guó)第一臺(tái)大型(10t)無(wú)芯工頻爐應(yīng)用在武重(1968年)，大量、正常使用使用工頻爐熔煉鐵液是從第二汽車廠。汽車鑄鐵件的熔煉設(shè)備全部采用10t無(wú)芯工頻爐替代沖天爐，建廠初期就采用了15臺(tái)10t無(wú)芯工頻爐。1971年熔煉出了第一爐鐵液。1986年，合成鑄鐵工藝通過(guò)部級(jí)鑒定。 2共十六頁(yè)感應(yīng)(gnyng)電爐的優(yōu)點(diǎn)顯見(jiàn)，如鐵液的溫度高且可

3、控制，化學(xué)成分易于調(diào)整，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，作業(yè)環(huán)境好，占地面積小，對(duì)爐料塊度要求不高甚至可使用切屑等等。問(wèn)題主要是鐵液冷激傾向和收縮傾向大，鑄件易出現(xiàn)白口、過(guò)冷石墨和縮松縮孔缺陷，缸體缸蓋漏水率居高不下，說(shuō)明感應(yīng)(gnyng)電爐鐵液與沖天爐鐵液在性質(zhì)上有很大的不同。對(duì)于感應(yīng)電爐(主要是工頻爐)鐵液特性，日本在上世紀(jì)70年代有大量的文章報(bào)道，但在我國(guó)，很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)畢竟只有二汽一家采用工頻爐化鐵，大多數(shù)人對(duì)感應(yīng)電爐鐵液特缺少感性認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)此也缺乏系統(tǒng)和深入的研究。進(jìn)入21世紀(jì)后，大多汽車鑄件生產(chǎn)企業(yè)都選擇電爐熔煉或沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉，感應(yīng)電爐的一些負(fù)面作用為更多的人所認(rèn)識(shí)，人們迫切希望進(jìn)一步了

4、解感應(yīng)電爐鐵液的一些特性，以提高產(chǎn)品質(zhì)量。3共十六頁(yè)二.感應(yīng)電爐(dinl)熔煉鐵液的特性 在熔煉過(guò)程中，感應(yīng)電爐(dinl)與沖天爐有兩點(diǎn)明顯不同：（a）熔化時(shí)間。沖天爐熔煉爐料從固態(tài)變成液體僅需幾分鐘到十幾分鐘，而感應(yīng)電爐需40120分鐘。（b）理化反應(yīng)。沖天爐熔煉過(guò)程中，爐料變成液滴而成液流，液滴(或液流)下降過(guò)程中不僅穿越底焦層，還與爐氣廣泛接觸，同時(shí)還有熔劑參與其中，因此發(fā)生了多項(xiàng)冶金反應(yīng)；而感應(yīng)電爐熔煉過(guò)程中，爐料是從表層起逐層熔化，直到全部化清，整個(gè)過(guò)程主要是物理變化，化學(xué)反應(yīng)除了爐料帶進(jìn)的氧化物形成爐渣外，主要就是：2C+SiO2=Si+2CO這個(gè)反應(yīng)。式中的SiO2來(lái)自爐襯。

5、這個(gè)反應(yīng)是個(gè)可逆反應(yīng)，其平衡溫度T與鐵液中的C、Si量有關(guān)，即Si/C2=e-(154900-85.2T)/1.987T。根據(jù)此式，可計(jì)算出當(dāng)C量為2.53.5%、Si量為1.53.5%范圍內(nèi)，平衡溫度T大約在14401480之間。當(dāng)鐵液溫度在平衡溫度以上時(shí)，反應(yīng)向右進(jìn)行，Si被還原出來(lái)；當(dāng)鐵液溫度在平衡溫度以下時(shí)，反應(yīng)向左進(jìn)行，鐵液中會(huì)出現(xiàn)SiO2質(zhì)點(diǎn)。1、與沖天爐熔煉過(guò)程的比較4共十六頁(yè)這兩點(diǎn)不同造成的結(jié)果，就是感應(yīng)電爐熔煉的鐵液中，結(jié)晶核心大量消失。這點(diǎn)已被大量實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。菊地12發(fā)現(xiàn)快速熔化的那組試樣(sh yn)無(wú)白口，隨后進(jìn)行的Si-Ca孕育不起作用；而慢速熔化的那組試樣白口很大，

6、隨后進(jìn)行的Si-Ca孕育降白口作用很好。加山5按快速、慢速兩種情況處理，結(jié)果表明慢速熔煉的鐵液性能差(抗拉強(qiáng)度和成熟度低，相對(duì)硬度高)，試樣縮孔缺陷多，尤其是第一、第三階段為慢速升溫時(shí)，壞的作用更為嚴(yán)重。資料上以“未溶石墨說(shuō)”來(lái)解釋這種情況，認(rèn)為快速熔化條件下，鐵液中有較多的未溶石墨在共晶凝固時(shí)作為晶核，使共晶團(tuán)細(xì)化并消除白口，慢速熔化則晶核消失。坂野8和筆者公司13則對(duì)保溫對(duì)工頻爐鐵液白口傾向的影響做過(guò)試驗(yàn)，表明平衡溫度以上保溫C量燒損大，Si量略有提高，但白口顯著增加。但即使是原白口很大的鐵液在平衡溫度以下保溫不加任何爐料，其白口也會(huì)減小，A型石墨增多。這一試驗(yàn)結(jié)果似乎驗(yàn)證了SiO2可以作

7、為結(jié)晶核心這個(gè)假設(shè)，即因?yàn)槭窃谄胶鉁囟纫韵卤兀琒iO2得以形成，結(jié)晶核心又增加了。加山的實(shí)驗(yàn)中，第二階段慢速升溫影響不大，其原因也是如此。 5共十六頁(yè)感應(yīng)(gnyng)電爐的使用 在沖天爐熔煉中，除了C和S外，幾乎所有的元素都是被燒損的，而且燒損率在1525%之間，因此一些合金元素如Cr、Cu、Mo、Ni等等都盡量不要加入(jir)爐內(nèi)而是加入(jir)包中。在感應(yīng)電爐熔煉中，除C有燒損外，其他元素僅略有燒損配料計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)，Si在1480以上時(shí)略有增加，也可忽略不計(jì)。C的燒損與液溫、保溫時(shí)間和爐型有關(guān)，工頻爐由于攪拌力強(qiáng)，C燒損比中頻爐大；鐵液溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng)，C燒損越大，一般在

8、14801530液溫下，C的燒損約為0.1%/h，配料計(jì)算時(shí)C應(yīng)按工藝要求上限配，生產(chǎn)過(guò)程中希望一爐鐵液應(yīng)在半小時(shí)內(nèi)澆完，避免C燒損帶來(lái)鑄件材質(zhì)變化。由于合金元素?zé)龘p少，Cr、Cu、Mo、Ni等等合金元素都可以在鐵液化清后直接加入爐內(nèi)，只有Sn、Sb等低熔點(diǎn)且加入量極少的合金才在包內(nèi)加入。 2、合金元素的變化6共十六頁(yè)鑄鐵中要求H2.5ppm。氫氣易導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生針孔。氫最容易擴(kuò)散，由爐料帶入鐵液中的氫氣有限，更多的氫氣是從造型材料、鑄型、潮濕的澆包和出槽等處帶入的。沖天爐中則可能從鼓入的濕風(fēng)中得到。測(cè)定鐵液中的氫氣含量毫無(wú)意義，主要是鐵液中的Al含量不超過(guò)0.05%。氧的作用非常重要，通常沖天

9、爐液中O為2050ppm，而感應(yīng)電爐鐵液中O多在20ppm以下，即使加入含銹較多的爐料，由于熔化速度緩慢，容易發(fā)生以下反應(yīng)：O+C=CO， SiO2+2C=Si+2CO，特別是在高溫下，反應(yīng)容易向右進(jìn)行，氧量變成CO被排出，使得鐵液中氧含量減少。而氧恰是形成(xngchng)晶核的重要元素，氧量過(guò)低，結(jié)晶核心就少，鑄鐵也就顯示出更大的激傾向和收縮傾向5。3.氮、氧、氫含量(hnling)7共十六頁(yè)氮的作用必須重視。氮促使石墨卷曲能促進(jìn)珠光體形成，可使灰鐵抗拉強(qiáng)度提高3045Mpa，但當(dāng)厚斷面鑄件N超過(guò)80ppm、薄斷面鑄件N超過(guò)130ppm時(shí)，鑄件上就可能出現(xiàn)氮?dú)饪?裂隙式氣孔)14。氮的含量

10、取決于鑄鐵的C、Si量。氮的溶入量上限(shngxin)是0.04%(400ppm)，通常沖天爐鐵液中氮含量為4080ppm，而感應(yīng)電爐中氮含量則隨爐料有很大的波動(dòng)，當(dāng)大量使用廢鋼且又用高氮增碳劑(如石油焦)時(shí)，鐵液中的氮量可能高達(dá)150200ppm，反之，也可能低至2040ppm。 鑄件中的氮可能來(lái)自爐料，也可能來(lái)自砂芯(型)。 由于氮能提高灰鐵的抗拉強(qiáng)度，所以曾有人用含氮的孕育劑(如Fe-Cr-N、Fe-Mn-N)，效果不錯(cuò)。必須提醒的是含氮孕育劑用在沖天爐鐵液上或許還是比較安全，用在感應(yīng)電爐鐵液上則有很大風(fēng)險(xiǎn)，使用前應(yīng)弄清鐵液中含氮量，否則會(huì)出現(xiàn)氣孔。氮量的測(cè)定并不難，有條件的或者有需要

11、的企業(yè)應(yīng)建立氮的測(cè)定手段。8共十六頁(yè)沖天爐的發(fā)展方向與應(yīng)用中的局限性冷風(fēng)沖天爐，其能量利用率僅26%，應(yīng)予淘汰。無(wú)焦沖天爐富氧冷風(fēng)帶保溫前爐(雙聯(lián))能量利用率高達(dá)72%，但目前國(guó)內(nèi)尚鮮見(jiàn)使用。大型熱風(fēng)水冷無(wú)爐襯沖天爐生產(chǎn)率達(dá)14t/h35t/h，能量利用率達(dá)到4250%15，有的還帶有有芯工頻保溫爐。這類爐節(jié)能、環(huán)保，鐵液質(zhì)量好，代表了沖天爐的發(fā)展方向。但也有一些問(wèn)題：第一、產(chǎn)量太大，只適合在少數(shù)年產(chǎn)鑄件10萬(wàn)噸以上的大企業(yè)應(yīng)用，大多中小企業(yè)消化不了。中小企業(yè)仍只能采用我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的直燃式熱風(fēng)沖天爐。這種爐子熱風(fēng)溫度只有400左右，能量利用率只有39%，并不理想；第二、一次投資過(guò)高；第三、鐵液中硫

12、太高，生產(chǎn)球鐵件還需爐脫硫，同時(shí)仍有交界鐵水需處理；第四、若帶有芯保溫爐，則增加了管理成本，有芯爐可是(ksh)要24小時(shí)不能停水、不能停電的。采用1臺(tái)大型沖天爐，配上24臺(tái)有芯保溫爐，各臺(tái)保溫爐中鐵液成分不一樣，可分別澆注灰鐵、球鐵等不同牌號(hào)鑄件。這樣做的前提當(dāng)然必須是大型鑄造廠。因此，在更節(jié)能、更環(huán)保的中小型熱風(fēng)沖天爐(如5t/h左右)問(wèn)世之前，大多數(shù)中小企業(yè)自然會(huì)選擇感應(yīng)電爐。三.感應(yīng)(gnyng)電爐的使用 9共十六頁(yè)減小“兩個(gè)傾向”是用好感應(yīng)電爐的關(guān)鍵 應(yīng)該指出的是受“兩個(gè)傾向”影響的主要是灰鑄鐵。對(duì)球鐵、蠕鐵而言，經(jīng)過(guò)球化或蠕化處理后，鐵液的激冷、收縮傾向遠(yuǎn)比原鐵液要大，必須另外進(jìn)

13、行孕育處理，因此所謂感應(yīng)電爐的“兩個(gè)傾向”對(duì)球鐵、蠕鐵基本上沒(méi)有影響。反而由于感應(yīng)電爐不增S，容易得到低S鐵液，有利于球鐵、蠕鐵的生產(chǎn)?？梢哉f(shuō)感應(yīng)電爐比沖天爐更適合用作球鐵、蠕鐵的熔煉設(shè)備(shbi)。 而減小兩個(gè)傾向則是熔煉好高牌號(hào)灰鐵的關(guān)鍵。如前所述，感應(yīng)電爐激冷、收縮傾向大的原因是因?yàn)榻Y(jié)晶核心消失了?；诣T鐵的結(jié)晶核心是什么？鈴木10、中江9都認(rèn)為，在感應(yīng)電爐鐵液中，MnS不可能成為晶核，因?yàn)樗麄兊膶?shí)驗(yàn)證明了在感應(yīng)電爐中，白口是隨著S量的升高而增加的，只有加入了增C劑或孕育劑后，白口才急劇下降。鈴木認(rèn)為是未溶石墨起到了結(jié)晶核心的作用。沖天爐熔化速度快，液滴又穿過(guò)焦碳層下落，自然會(huì)有大量未溶

14、石墨；而感應(yīng)爐中不論是生鐵還是增C劑，只要是隨著爐料慢慢熔化，其未溶石墨都會(huì)消失，亦即結(jié)晶核心都消失了，白口都會(huì)很大。只有把一部分增C劑放在熔煉后期(鐵液化清時(shí))加入，未溶石墨才會(huì)存在，白口才會(huì)下降。值得注意的是加山5認(rèn)為提高爐料中生鐵的比例并不能帶來(lái)激冷、收縮傾向的減小，反而是鑄件收縮類缺陷增加，機(jī)械性能下降。究其原因，恐怕還是因?yàn)樯F在爐內(nèi)熔化時(shí)間太長(zhǎng)。由此可知，減小感應(yīng)電爐鐵液激冷、收縮傾向的措施主要是兩方面，一是盡量提高熔化速度，二是減少鐵液中的結(jié)晶核心消失，或增加結(jié)晶核心生成。 10共十六頁(yè)提高感應(yīng)電爐鐵液質(zhì)量的措施a)、采用功率密度大的中頻爐。工頻爐由于頻率低，功率密度小，熔化速度

15、慢，作為熔煉設(shè)備已被淘汰，僅被用于保溫爐。中頻爐比功率可達(dá)6001200Kw/t，熔化速度快，啟熔方便，符合快速熔化的要求。對(duì)于熔化鑄鐵，比功率應(yīng)650kW/t。爐子容量與選擇頻率有一定關(guān)系，據(jù)資料15提供的“頻率選擇圖”，當(dāng)頻率f=200HZ時(shí)，爐子容量可為2t10t，而當(dāng)頻率f=100HZ時(shí)，爐子容量可為10t80t，換言之，當(dāng)爐子容量為2t時(shí)，可選頻率為60200HZ。b)、在大量(dling)流水生產(chǎn)條件下，不宜選擇單臺(tái)大容量感應(yīng)爐，以免一爐鐵液澆很長(zhǎng)時(shí)間。比如每小時(shí)鐵液需要量是20t，寧選兩臺(tái)10t(或12t)的爐子，也不要選一臺(tái)20t的爐子。11共十六頁(yè)c)、掌握感應(yīng)電爐熔化“三階

16、段”規(guī)律。第一階段(固態(tài)爐料到化清)，爐料在剛剛化清的時(shí)候，鐵液表面最容易氧化，若這階段時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，氧化產(chǎn)物或成氣體(如CO)排出，或成氧化物進(jìn)入渣中，結(jié)果使得鐵液中的氧量低，減少了結(jié)晶核心。因此這個(gè)階段應(yīng)盡量快速熔化；第二階段(化清到平衡溫度以下)，這階段由于可能生成SiO2，白口傾向不大，可適當(dāng)放慢一些(yxi)，以便于爐前成分檢測(cè)和調(diào)整；第三階段(平衡溫度以上到出鐵溫度)又必須快速進(jìn)行，以減少C的燒損和結(jié)晶核心消失?；谕瑯釉颍刍玫蔫F液必須盡快澆注掉，最好能一次出完，若需多包出鐵，則應(yīng)加蓋保溫，避免再次送電。或者采用“連續(xù)熔化”的方法，即出鐵后補(bǔ)加同量爐料快速熔化，或采用補(bǔ)加少量增C

17、劑的方法。 12共十六頁(yè)d)、爐料配比和加料順序的影響。許多資料都指出，感應(yīng)電爐熔化高牌號(hào)灰鐵時(shí)，生鐵配比不宜超過(guò)20%。筆者多年實(shí)踐中也感到當(dāng)生鐵配比達(dá)到4050%時(shí)，若鐵液溫度在1500以下時(shí)，金相組織中往往出現(xiàn)塊狀石墨，若在1500以上，則會(huì)出現(xiàn)較多的B型石墨或過(guò)冷石墨，鑄件表面有一層過(guò)冷層。盡管其力學(xué)性能也能達(dá)到HT250級(jí)甚至HT275級(jí)，但金相組織總是不理想，縮松的不良品率也高一些。若采用合成鑄鐵工藝(生鐵配比小于15%)，則金相組織中基本上都是A型石墨，鑄件健全性也更好。個(gè)中原因，尚無(wú)令人信服的解釋。 加料順序會(huì)影響到熔化速度和結(jié)晶核心的存在狀態(tài)，因而也影響到鐵液質(zhì)量。通常應(yīng)先加

18、回爐料、廢鋼塊和部分增C劑，待有鐵液出現(xiàn)后再加生鐵塊。一定要留一部分(1/3或稍多一些)增C劑在主要(zhyo)爐料基本化清后再加入。建議使用SiC 做增C、增Si劑，SiC的加入則應(yīng)在加入回爐料、廢鋼塊后就加入（早期加入），因?yàn)镾iC熔點(diǎn)高，只能慢慢溶解在鐵液中，而且溶解是個(gè)吸熱過(guò)程，因此C、Si的分解肯定有個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，因C、Si的析出成為結(jié)晶核心而產(chǎn)生孕育作用。SiC又有較強(qiáng)的抗氧化能力，因此孕育作用能長(zhǎng)時(shí)間存在。13共十六頁(yè)e)、S的影響(yngxing)。 通常認(rèn)為，沖天爐鐵液有較高的含S量，因此有較好的孕育效果，感應(yīng)電爐鐵液S低，故孕育效果較差，因此為提高灰鐵鐵液的孕

19、育效果，應(yīng)在感應(yīng)電爐鐵液中增S。但在實(shí)際生產(chǎn)中，卻有時(shí)發(fā)現(xiàn)即使增S了，孕育效果也不見(jiàn)好轉(zhuǎn)，有時(shí)甚至出現(xiàn)高S鐵液比低S鐵液的白口更大的現(xiàn)象。 鈴木用實(shí)驗(yàn)解釋了這個(gè)問(wèn)題10。在感應(yīng)電爐中鐵液經(jīng)慢速熔化或在高溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫時(shí)，白口都是隨S量增加而增大，但在S=0.06%時(shí)有一最大值，隨后S增加白口也變化不大；但若是快速熔化，或在熔化后期進(jìn)行了C量調(diào)整(即加增C劑)，則白口在S=0.06%達(dá)到最大值后，隨著S量的升高，白口急劇下降，到S=0.12%時(shí)為最低值。也就是說(shuō)在鐵液中有結(jié)晶核心存在的情況下，S量為0.060.12%時(shí)孕育效果最好；而若缺少結(jié)晶核心，S再高也增加不了孕育效果。f)、操作要求。除了以上幾點(diǎn)，操作上還要求： -爐料裝填應(yīng)緊實(shí)，以提高熔化速度； -熔化過(guò)程中應(yīng)小量多批勤加料，使已熔鐵液的熱量足以很快地把補(bǔ)加的新料熔掉，不能讓爐內(nèi)鐵液凝固； -爐料應(yīng)細(xì)化、凈化，提高熔化效率，