趙魯生鑄鐵熔煉中氮鈦影響的經(jīng)歷for百鑄網(wǎng)

灰鐵熔煉中氮，鈦影響的經(jīng)歷趙魯生

隨著國(guó)內(nèi)合成鑄鐵技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的鑄鐵熔煉工藝水平和鑄鐵件的材質(zhì)都上了一個(gè)新臺(tái)階。對(duì)于廢鋼增碳工藝提高鑄鐵的力學(xué)性能，一般認(rèn)為有三個(gè)原因：1、減少了生鐵的遺傳；2、增碳劑增加了外來(lái)石墨核心；3、廢鋼和增碳劑中的氮有促進(jìn)珠光體的作用。所以氮在鑄鐵中起到的作用越來(lái)越引起的大家的重視。越來(lái)越多的文章介紹了氮的作用，下面從本人在工廠的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中所遇到問(wèn)題來(lái)闡述下氮在鑄鐵中的作用。

03年開(kāi)始，公司在生產(chǎn)日本牧野機(jī)床鑄件時(shí)，日本人對(duì)沖天爐熔煉的灰鐵300鐵水，要求不定期檢測(cè)氮含量,當(dāng)時(shí)檢測(cè)的氮含量一般在100-120PPM。

對(duì)于為什么要求檢測(cè)氮含量，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有弄清是什么原因。06年初，公司新工廠開(kāi)始使用感應(yīng)電爐熔煉，而老廠依然使用沖天爐熔煉。在新工廠生產(chǎn)過(guò)程中電爐使用的生鐵，廢鋼等原材料與老廠完全一樣，成分控制也基本相同但是HT300電爐生產(chǎn)的鑄件力學(xué)性能卻低于沖天爐生產(chǎn)的鑄件。

在改變?cè)杏?、增加硫含量等措施之后，鑄件性能依然沒(méi)有改善，最后只好通過(guò)降低碳含量，來(lái)提高電爐灰鐵300的力學(xué)性能。把原來(lái)的含碳量從3.2%-3.3%減低為2.9%-3.0%。其余成分不變。從而使鑄件的性能達(dá)到了要求。表1為沖天爐及電爐的成分。

將該工廠一個(gè)月的化學(xué)成分分析后發(fā)現(xiàn)，沖天爐鐵水的鈦含量一般低于0.025%，而電爐鐵水的鈦含量在0.04-0.06%。鈦含量不同是表面現(xiàn)象，實(shí)質(zhì)問(wèn)題是過(guò)多的鈦和氮發(fā)生了反應(yīng)，消弱了氮的作用從而影響了鑄件的力學(xué)性能。從而就把鈦含量作為常規(guī)元素來(lái)進(jìn)行控制。09年，在生產(chǎn)美國(guó)GE公司灰鐵汽缸體鑄件時(shí)，美國(guó)人也要求鐵水檢測(cè)氮和其他微量元素，如鈦，鉛等。其中鈦含量要求小于等于0.025%，氮含量要求60-120PPM。

灰鐵熔煉從沖天爐轉(zhuǎn)向中頻爐電爐之后，采用非合成鑄鐵配料，同樣原材料，碳當(dāng)量一樣，電爐生產(chǎn)的鑄件機(jī)械性能總是不如沖天爐生產(chǎn)的鑄件高，從成分上看，微量元素含量的不同，特別是鈦含量的不同是其中的關(guān)鍵。沖天爐鐵水的鈦含量一般小于0.025%，而電爐鐵水的鈦含量一般都在0.04-0.05%以上。由于鈦強(qiáng)烈結(jié)合氮，而氮對(duì)基體有強(qiáng)化作用，從而降低了灰鐵的強(qiáng)度。

現(xiàn)在普遍認(rèn)為在灰鐵中，要把氮作為合金元素來(lái)對(duì)待。同時(shí)大家也認(rèn)識(shí)到鈦、鋯等元素會(huì)影響到氮的作用。在鑄鐵中，隨著氮含量的增加，鑄鐵強(qiáng)度增加。但是在含量超過(guò)1150PPM時(shí)則會(huì)出現(xiàn)氣孔缺陷。下表是其他元素不變的情況下隨著氮含量的不同，鑄件性能的變化。郝石堅(jiān)“現(xiàn)代鑄鐵學(xué)”書中圖表：鑄鐵成分在：W（C）3.12%，W(Si）1.35%，W（Mn)0.71%,W(S)0.09%,W(P)0.13%的鐵水中隨氮含量的增加，鑄鐵強(qiáng)度也逐步增加。

合成鑄鐵的生產(chǎn)增碳劑必不可少，除了廢鋼引入的氮，增碳劑中的氮也是鐵水中氮的主要來(lái)源。特別是不好的增碳劑，氮含量極高，從而導(dǎo)致鐵水氮含量超標(biāo)，使鑄件出現(xiàn)氮?dú)饪讍?wèn)題，也在影響鑄件質(zhì)量。一些文章介紹在解決氮?dú)饪兹毕輹r(shí)，加入鈦或者鋯的合金，成功克服了灰鐵鑄件的氮?dú)饪兹毕?。以下是常?jiàn)增碳劑的成分：

國(guó)外鑄件采購(gòu)客戶，在十多年前就要求檢測(cè)灰鐵中的氮含量，現(xiàn)在客戶對(duì)灰鐵氮含量檢測(cè)要求的頻次有所增加。牧野機(jī)床鑄件日本采購(gòu)客戶，現(xiàn)在要求每月檢測(cè)一次鐵水氮含量。目前，大量灰鐵鐵都是采取感應(yīng)電爐生產(chǎn)的合成鑄鐵。采取多加廢鋼和高溫煅燒石油焦增碳劑，少用生鐵配料。在這種熔煉工藝情況下，一般氮含量在80-90PPM左右（日本技術(shù)人員要求）。

一家公司以60%廢鋼，30%回爐料，10%生鐵配料生產(chǎn)HT300.鈦含量一般小于0.025%左右.但在使用硅-鋯孕育劑時(shí)卻連續(xù)2-3爐鐵水力學(xué)性能不合格。（碳3.0，硅孕育前1.4，鈦0.02）。而改為硅-鋇-鈣孕育劑后，力學(xué)性能從270達(dá)到了350MPa。產(chǎn)生這種變化的原因則是鋯的固氮作用比鈦還要強(qiáng)，從而消弱了氮的強(qiáng)化作用。所以當(dāng)生產(chǎn)高牌號(hào)鑄鐵件時(shí)，就可考慮利用氮的有利作用，在鈦含量小于0.025%情況下，盡可能提高氮的含量，上限為100PPM左右。由于低的含氮量對(duì)鑄鐵沒(méi)有壞的影響，所以也就沒(méi)有人去認(rèn)真的去確定其準(zhǔn)確的下限，而是把含氮量的上限作為了主要關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)楫?dāng)含氮量超過(guò)某一上限時(shí)，由于氮致氣孔的廢品常常很高，有的高到60%以上，甚至全部報(bào)廢，有時(shí)它像傳染病一樣，廢品率越來(lái)越高。

結(jié)論及鑄鐵熔煉建議：1、氮可有效地提高鑄鐵的機(jī)械性能，認(rèn)為在合成鑄鐵中氮起了主導(dǎo)作用，從而應(yīng)當(dāng)把氮做為一個(gè)有益的元素有意識(shí)的加以利用。2、應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的鑄件材質(zhì)和牌號(hào)，合理的選擇增碳劑的種類，建議生產(chǎn)灰鑄鐵時(shí)采用含氮小于200ppm左右的高溫煅燒石油焦增碳劑，而生產(chǎn)球墨鑄鐵時(shí)，尤其是生產(chǎn)高韌性的鐵素體球墨鑄鐵時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用低S低氮的石墨型增碳劑。

3、應(yīng)有效的控制鑄鐵內(nèi)的氮在一個(gè)確定的范圍內(nèi)，一般中小鑄鐵件，將氮控制在60-100ppm內(nèi)是合理的，對(duì)鑄鐵來(lái)講，既有效又安全。4、當(dāng)?shù)^(guò)上限，并產(chǎn)生了氮?dú)饪讜r(shí)，可加入Ti、Zr、等元素來(lái)中和氮的有害影響。國(guó)內(nèi)多采用加入TiFe來(lái)消除鑄件的氮?dú)饪?，但是最終鈦含量不要高于0.025%。鈦高于0.05%時(shí)，灰鐵性能肯定影響明顯。而氮含量高低，以及受其他元素影響的道理,一是受檢測(cè)手段限制，

二是理論介紹不多，實(shí)際工作中，還有異?，F(xiàn)象，無(wú)法解釋。三是從理論上說(shuō)，氮含量分為溶解氮和化合氮，溶解氮能夠提高強(qiáng)度，化合氮作用不大，而目前了解的氮含量分析是全氮含量，即包括溶解氮和化合氮。

5、灰鐵熔煉從沖天爐轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電爐之后，主要差別是冶金質(zhì)量和微量元素含量不同。而冶金質(zhì)量不同，理論解釋不多，帶來(lái)我們爐前操作上的新變化是增加結(jié)晶核心的各種操作和出爐前的預(yù)處理。微量元素含量不同的影響，促使我們采用合成鑄鐵工藝或使用高純生鐵配料。6、去年，二汽萬(wàn)仁芳老師在張家界會(huì)議的報(bào)告，提出了灰鐵熔煉的一種操作，就是流水線生產(chǎn)，10噸電爐分多次出爐鐵水，每次出鐵后，爐內(nèi)馬上加入一些相同牌號(hào)的回爐料，來(lái)降低爐內(nèi)溫度，等到下一包鐵水要出爐時(shí)，在馬上升溫到工藝規(guī)定的要求出爐。這是二汽長(zhǎng)期使用電爐熔煉灰鐵總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，值得我們認(rèn)真學(xué)習(xí)。7、那么感應(yīng)電爐熔煉鐵水，如何使其冶金特性接近沖天爐鐵水？近幾年鑄造工作者提出以下一些在使用的方法：感應(yīng)電爐的功率密度配置比較大，保證熔煉時(shí)間縮短，即要快速熔煉。（滄州工廠10噸熔煉要3-4小時(shí)）。嚴(yán)禁鐵水在平衡溫度以上的高溫保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，減少高溫下石墨結(jié)晶核心的減少。生產(chǎn)中如果需要把鐵水分幾次出爐，鐵水在爐內(nèi)保存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則以增加鐵水石墨核心的各種處理措施來(lái)對(duì)鐵水做“預(yù)處理”。一般來(lái)講，大件鑄造車間，一爐鐵水溫度成分合格之后，都是馬上出爐，或一包出完，或分2-3包出完，馬上澆注鑄件。而流水線鑄造車間，如果爐子配置較大，要分幾次出完鐵水。（20噸鐵水澆注一天10噸爐子分4次出完，等