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电炉熔炼铸铁工艺特点及常见缺陷的防治新见解

来源:未知 佚名 2019-10-08 浏览
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  电炉熔炼铸铁的工艺特点就在于铁液重熔后合金过冷度增大,同时过热温度较高,随之而来的铸铁质量控制遇到了新的问题。

  电炉铁水重熔后,所含的杂质物相比冲天炉要少,也就是说纯净度要高,在其凝固过程中缺少了异质结晶核心,凝固时的成分起伏和浓度起伏要弱些,这使得过冷度加大,合金沿介稳定系凝固结晶的可能性加大,也就是结晶产物中Fe3C(渗碳体)的含量增多,而冲天炉铁水由于含较多的异质核心,凝固结晶时沿稳定系发展的倾向大,在铁碳合金相图上,稳定系结晶的产物就是铁素体和石墨。

  电炉铸铁的熔炼特点,要求铸造工作者在铸铁的成分选择、炉料配比、废钢用量、孕育工艺、增碳脱碳、增硫脱硫、球化工艺、蠕化工艺、温度控制、浇注工艺等许多方面需要更新观念,采取符合实际的手段来保证和提高产品质量。

  国际铸业技术专家夏振环先生,作客“百家铸造论坛”,与网友、粉丝一起,探讨“电炉熔炼铸铁工艺特点及常见缺陷的防治”。

  夏振环先生根据三十年冲天炉生产和近十多年电炉生产实践,就上述10大问题谈谈经验教训。

  一、电炉铸铁炉料配比及合成铸铁

  在铸造行业,人们常说,铸造材料的成分决定组织,组织左右性能;这句话其实并不全面。我们在生产实践中发现许多铸铁,在相同成分时,机械性能却有较大差异。铁水的质量除与其成分有关联外,还与炉料配比,熔化与出炉温度,孕育工艺等有密切关系。所谓合成铸铁,就是指配料中使用50%以上的废钢,通过增碳合成的方法制取的铸铁材料,因为需要较高的熔化温度,只宜在电炉中熔炼。目前合成铸铁主要有合成灰铁和球铁。

  通过大量实践,对于HT250、HT300等高强度灰铸铁来说,废钢左右强度、生铁影响组织.

  1、配料禁忌:

  、高比例废钢与高比例回炉料搭配,合成灰铁的废钢加入量不宜超过50%;

  、高比例废钢与含硫磷高的生铁搭配;

  、回炉料超过40%。

  2、配料优化组合(%)

  组成生铁废钢回炉料

  配比A403030

  配比B304030

  配比C204040

  配比D205030

  3、锰硫含量

  需要提高硬度时锰的含量可达1.0-1.2%,但不要求相应提高硫的含量。

  某公司为了节约成本,多用废钢,在两个月内试制合成高牌号灰铸铁,废钢用量一度达60%,有一段时间除加入废钢外另加回炉料和少量铁屑,最初质量不错,但一段时间后发现铸件批量缩孔、缩松和有白色硬斑,并且持续不断越来越严重。

  此缺陷成因:初步判断是铁水中MnS的含量过高而引起的铸件显微缩孔、缩松,MnS富集形成白色硬斑。这是由于高牌号灰铁HT300成分要求Mn含量较高,加之废钢自身锰也高,而废钢中的S以及回炉铁中的S和锰反应产生的MnS在炉料中的积累达到一定程度,就会产生过量,从而产生上述缺陷。

  为了减少铁水中的MnS含量,一般用加入一定量的优质新生铁来调整,另外提高孕育效果,可使MnS细化,减弱其不良影响。

  废钢加入量过大时,由于废钢熔点在1530度左右,而生铁和回炉料的熔点只是1230度左右,多用废钢增加了电耗,加大了铁水的过冷倾向,还吸附大量的氮气,一般来说合成铸铁工艺并不适用于灰铸铁,而比较适用于球铁

  二、关于电炉灰铸铁增硫问题

  前面已经说过,中频感应电炉熔炼铸铁工艺对比冲天炉熔炼,除了具有熔化温度高的优势外,却有不少缺点,主要有三个方面的问题:一是铁水过冷倾向较大,极易产生影响材料机械性能的D、E型石墨;二是铁水纯净,异质结晶核心较少,导致孕育效果差,在同等成分条件下,铸件强度偏低铁质偏硬;三是收缩倾向较大,在高牌号灰铸铁中锰含量较高时,容易产生显微缩孔、缩松。

  针对上述问题,应对的措施是:

  1、在熔化后期增加一个高温保持时间,尽可能使各种炉料熔化的铁水晶粒均匀,尤其是细化石墨;

  2、适量增加外来异质核心,强化孕育效果,促进A型石墨的形成;

  3、控制高牌号灰铸铁的硫、锰含量及其比例,控制回炉料比例,达到合适成分。

  这些措施,对不同结构的铸件产品是有差别的,需在实践中掌握。

  某公司某日,用电炉熔炼6炉灰铁HT300铁水,浇铸液压阀G03、G02等产品,经解剖内部组织发现大面积显微缩孔、缩松、缩裂,共830只全部报废。检测布氏硬度HBS241,化学成分C3.27,Si1.78,Mn0.83,S0.087,P0.04。珠光体98%,E形石墨达80%,石墨长度5级。据有关人员研究分析,应是铁水材质出了问题。

  化学成分分析的结果,对一般的薄壁HT300铸件来说似乎是正常的,然而对于液压阀铸件却出了问题。此缺陷成因:初步判断是铁水中MnS的含量过高而引起的铸件显微缩孔、缩松、缩裂,也就是说铁水中的S、Mn含量超出铸件所适应的范围。

  由于在熔炼中加入了一定量的增S剂,铁水中的S、Mn含量积累达到一定程度,就会导致铁水含S量超出铸件自身正常凝固结晶的要求,从而产生此类缺陷。对策:停止加入增S剂,调整Mn的含量,保证HT300灰铁的五元素的正常含量,调整后,缺陷全部消除。

  在电炉灰铁铁水中通过加入增S剂形成一定量的MnS,作为异质核心,提高孕育效果,这从理论来说是正确的,但是近年来大多数文献资料所说,电炉高牌号灰铁的含S量需控制在0.05-0.10%比较合适,然而许多工厂的实践证明,当含Mn量在1%左右时,若铸件成分分析含S量超过0.05%,铸件就开始产生缩孔缺陷,当含S量超过0.07%时就会发生批量缩孔,这种现象如何解释呢?

  灰铸铁中的S有两种存在形式,一种是单质,另一种是化合状态的MnS,灰铁中起结晶核心作用的硫,主要是化合状态的MnS,我们现在的化验手段,都只能分析出铸件和铁水中单质状态的S,而以化合状态存在的S是化验不出来的。当单质S含量超过0.05%时,化合态的S含量就比较高了,此时的铁水中:

  MnO+FeS=MnS+FeO,FeO+C=Fe+CO,或2FeO+C=2Fe+CO2

  这时铁水在凝固过程中就在析出CO或CO2的同时产生部分棕色的MnS粉沫,形成铁渣反应气缩孔。只要具备一定的条件,这种气缩孔,不仅在电炉铁水也在冲天炉铁水中发生。其实我们在电炉熔化过程中,已经增加了一部分硫,这些硫来自于:

  1、由回炉的浇注系统带来,浇注系统中的硫磷含量远高于铸件中的含量;

  2、生铁中的硫,一般生铁中的硫含量是不高的,而我们购买的普通生铁上面都携带不同程度的炉渣,我们是不会化验的,但这些拉圾却含有较高的硫磷,会带入炉内;

  3、废钢和生铁等炉料的铁锈,氧化铁含量较高,进入铁水中会增加硫的吸收率。在这样的情况下,如果我们再补加硫化铁来增S,就过分了。实际生产高牌号铸铁件时,铁水中的单质S控制在0.03-0.05%之间为妥。

  三、电炉高牌号灰铁的孕育和变质处理

  关于高牌号灰铁的孕育工艺,传统的孕育量是处理铁水量的0.3-0.4%,近年来随着电炉的普及,孕育量逐渐增加,最新资料推荐0.5-0.6%,本人通过长期实践,选择孕育量在0.8%左右,取得强度硬度和切削加工性能的全面提高,铸件加工后的内部缺陷大幅度减少。

  某公司生产高牌号的电磁阀,技术要求铸件硬度大于HB200,强度大于300N/mm2,该产品主要壁厚超过50mm,通过多次试验,在加大一次孕育量的同时,采取二次随流孕育,消除了厚壁带来组织粗大的缺陷,提高了铸件致密度,保证了产品质量。

  关于铁水二次随流孕育,在浇注前加入粒度0.2-0.7mm的均匀的孕育剂,比较适用于厚件,而用于小件时反而增大了铁水的收缩性能。

  有一个时期,某公司部分产品加工后表面呈现白色亮斑硬度很高,刀具打滑,经分析,原来是孕育剂的块度过大,与铁水包容量不相适合,致使孕育剂在铁水浇注时未能完全熔解,铸件局部硅量富集形成硬化相;当在铁水温度偏低进行二次随流孕育时,也会产生同样的缺陷。

  有一家专业生产HT300灰铁液压件的工厂,浇注一种KP泵体,铸件壁厚30mm左右,按照HT300的经验成分配料,铁水成分:C3.0-3.1%,Si1.7-1.8%,Mn0.95-1.05%,P0.05%,S0.04%,铸件本体解剖抗拉达300N/mm2,但是连续多批产品在内浇口附近发生缩陷和缩裂,无论对浇注系统如何调整,就是不见效果,

  没有办法,只能提高碳当量降低强度,调整到C3.2-3.3%,Si1.8-2.0%时,缺陷消失,但产品经加工后试压,大部分产生膨胀渗漏,本体测试抗拉也不合格,造成主机厂批量退货。联想到以往有一批同类泵体,由于听了别人的建议,用硫铁增S,铁水含S在0.07%以上时,铸件大面积缩孔,积存大量废品,为了处理这批废品,根据稀土脱硫的原理,当加入此类废品时,在孕育过程中补加少量稀土镁硅铁,有效地降低了硫含量,解决了缩孔问题。

  针对当时KP泵存在的缩陷和缩裂,虽然原铁水含硫并不高,在孕育时同样试加了少量稀土镁硅铁,也取得了理想的结果,缩孔问题完全解决。分析其机理,铸铁产生缩陷,主要还是铁水中的气体作怪,这些气体在凝固后期析出时,铁水无法补充,产生了缺陷,而稀土镁硅铁作为一种灰铁变质剂,却好是脱除气体的能手,铁水含气量大幅度减少,缺陷也就消除了。

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