中頻爐熔煉灰鐵的工藝(二)

1、中頻爐熔煉灰鐵的工藝、質量控制淺論（二）3.1 增碳率的控制和增碳劑的使用 對于中頻爐熔煉灰鐵，許多人都以為只要爐前控制住鐵水的化學成分和溫度，就能熔煉出優(yōu)質 鐵水，但事實并非如此簡單。中頻爐熔煉灰鐵的重中之重是控制增碳劑的核心作用，核心技術是鐵 水增碳。增碳率越高，鐵水的冶金性能越好。這里所說的增碳率，是鐵水中以增碳劑形式加入的碳， 而不是爐料中帶入的碳。生產(chǎn)實踐表明，在爐料配比中生鐵比例高，白口傾向大；增碳劑比例增大， 白口傾向減小。這就要求在配料中要多用廉價的廢鋼和回爐料，少用或不用新生鐵，這種采用廢鋼 增碳工藝的鐵水中存在大量細小的彌散分布的非均質晶核，降低了鐵水的過冷度，促使了以 A

2、 型石 墨為主的石墨組織的形成。同時，生鐵用量的減少，也減小了生鐵粗大石墨的不良遺傳作用，而且 灰鐵的性能也隨著廢鋼用量的增加而提高。在實際生產(chǎn)中就曾發(fā)現(xiàn)，在廢鋼用量約為 30%的情況下， 同樣用廢鋼、回爐料、新生鐵做爐料，在化學成分基本相同時，中頻爐熔煉的灰鐵比沖天爐熔煉的 性能低，強化孕育效果也不明顯，這就是廢鋼用量少、增碳率低的緣故。由此足見增碳對于保證灰 鐵的熔煉質量、改善鑄鐵的組織與性能的重要性。 灰鐵的性能是由基體組織和石墨的形態(tài)、大小、數(shù)量及分布決定的，改變石墨形態(tài)是改變鑄鐵 性能的重要途徑。相比而言，基體組織較容易控制，它主要取決于鐵水的化學成分和冷卻速度。但 石墨形態(tài)卻不容易

3、控制，它要求鐵水的石墨化程度要好。而奇怪的是只有新增碳才參與石墨化，爐 料中的原始碳并不參與石墨化。如果不用增碳劑，熔煉出的鐵水雖然化學成分合格，溫度也合適， 孕育也合理，但鐵水卻表現(xiàn)不佳：看似溫度較高，流動性卻不太好，縮孔、縮松傾向大，易吸氣， 易產(chǎn)生白口，截面敏感性大，鐵水夾雜物多。這些都是鐵水增碳率和石墨化程度低造成的。 碳在原鐵水中的存在形式主要為細小的石墨和碳原子，從細化石墨的角度考慮，原鐵水中不希 望有過多的碳原子，其勢必會減少石墨的核心數(shù)，并且碳原子在冷卻過程中更易形成滲碳體，而細 小的石墨可以直接作為非均質形核核心。細化石墨、增加核心是實現(xiàn)鑄鐵高性能的關鍵，增大增碳 劑用量可以

4、增加形核核心數(shù)量，進而為細化石墨打下堅實的基礎。因此，在實際生產(chǎn)中應強調增碳 劑的使用和增碳效果：增碳劑的吸收率與其 C 含量直接相關，C 含量越高，則吸收率越高。增 碳劑的粒度是影響其溶入鐵水的主要因素，實踐證明，增碳劑的粒度應以 14mm 為好，有微粉和粗 粒增碳效果都不好。硅對增碳效果有較大影響，高硅鐵水增碳性差，增碳速度慢，故硅鐵應在增 碳到位后加入，要遵循先增碳后增硅的原則。硫能阻礙碳的吸收，高硫鐵水比低硫鐵水的增碳速 度遲緩很多。石墨增碳劑能提高鐵水的形核能力，吸收率也比非石墨增碳劑高 10%以上，故應選 用低氮石墨增碳劑。增碳劑的使用方法推薦使用隨爐裝入法，即先在爐底加入一定量的

5、小塊回爐 料和廢鋼，然后把增碳劑按配料量需要全部加入，上面再壓一層小塊廢鋼和生鐵，之后再邊熔化邊 加爐料。此法簡便易行，生產(chǎn)效率高，吸收率可達 90%。如果增碳劑的加入量很大，可以分兩批加 入，先加 60%70%于爐底廢鋼墊層上，剩下的在繼續(xù)加廢鋼的過程中加入。在鐵水溫度 14001430 時也可加增碳劑，目標是要把鐵水 C 含量增至達到牌號要求上限。增碳劑的加入時間不可過遲， 在熔煉后期加入增碳劑有兩方面不利：其一，增碳劑易燒損，碳吸收率很低。其二，后期加入的增 碳劑需要額外的熔化、吸收時間，遲緩了化學成分調整和升溫時間，降低了生產(chǎn)效率，增加了電耗， 而且有可能帶來由于過度升溫而造成的危害。

6、鐵水的攪拌可以促進增碳，特別是附著在爐壁的石 墨團，如果不用過度升溫和一定時間的鐵水保溫，不易溶于鐵水，中頻爐較強的電磁攪拌對增碳有利。 3.2 溫度的控制 灰鐵熔化期的溫度不宜過高，一般控制在 1400以下。如果熔化溫度過高，合金的燒損或還原會影響熔煉后期的成分調整。在爐料熔清爐溫達 1460后，取樣快速檢驗，然后扒凈渣，再加入鐵 合金等剩余的爐料。扒渣溫度對鐵水質量的影響很大，它與穩(wěn)定的化學成分、孕育效果密切相關， 并直接影響到出爐溫度的控制。扒渣溫度過高，會加劇鐵水石墨晶核的燒損和硅的還原、偏高（酸 性爐襯中），并產(chǎn)生排碳作用，影響按穩(wěn)定系結晶；若扒渣溫度過低，鐵水長時間裸露，C、Si

7、燒損 嚴重，需再次調整成分，延長了冶煉時間，并使鐵水過熱，增大過冷度，易使成分失控，破壞正常 結晶。 出爐溫度的控制須保證孕育處理和澆注的最佳溫度，一般應根據(jù)實際情況控制出爐溫度為 14601500，過熱溫度可控制在 15101530，并靜置 58min。在 15001550范圍內，提高 鐵水的過熱溫度，延長高溫靜置時間，會細化石墨和基體組織，提高鑄鐵的強度，有利于孕育處理， 消除氣孔、夾雜缺陷和爐料遺傳性給鑄鐵的組織和性能帶來的不良影響。如果靜置溫度過低、時間 過短，增碳劑不能完全溶入鐵水中，也不利于鐵水的雜質上浮被挑渣除去。但過熱溫度過高或高溫 靜置時間過長，反而會惡化石墨形態(tài)、粗化基體、

8、增大過冷度、加大白口傾向，使鐵水已有的異質 核心消失，氧化嚴重，降低鑄鐵的性能，并影響出爐溫度的控制。如果出爐溫度過高，盡管 C、Si 含量適中，澆注三角試塊的白口深度會過大或中心部位出現(xiàn)麻口。如果出現(xiàn)這種情況，需調低中頻 功率，向爐內補加生鐵降溫增碳。 澆注溫度也不宜高，否則會使鑄件產(chǎn)生嚴重的粘砂缺陷，有的甚至難以清理而使鑄件報廢，而 且澆注溫度高，過冷度大，不利于 A 型石墨的形成。澆注溫度如果過低，則不利于除氣，還會造成 鑄件偏硬和出現(xiàn)冷隔、輪廓不清等問題。適當稍低的澆注溫度，鐵水液態(tài)收縮量較小，有助于減少 縮孔，獲得致密的鑄件。不同壁厚，不同重量的鑄件有著不同的理想澆注溫度，在日常生產(chǎn)

9、中一般 控制澆注溫度在 14501380。對于厚大鑄件必須要確?！案邷爻鰻t，低溫快澆”。為了縮短等待 鐵水溫度降至澆注溫度的時間，防止孕育衰退，可以通過倒包加靜置的方法使鐵水快速降溫，以防 止發(fā)生縮松，提高生產(chǎn)效率。 3.3 硫和氮的控制 中頻爐熔煉鑄鐵沒有增硫源，鐵水的 S 含量較低，這一點對于生產(chǎn)球鐵有很大的優(yōu)勢。但對于 灰鐵，低硫而較高的錳會增大鑄造應力，使裂紋出現(xiàn)幾率大大增加，而且鐵水中適量的硫可以改善 孕育效果。過去沖天爐生產(chǎn)灰鐵，由于焦炭會對鐵水增硫，不用擔心硫低。而中頻爐生產(chǎn)灰鐵，不 但不增硫，而且還因大量使用廢鋼，使 S 含量更低了（約 0.04左右）?；诣F中 w(S)0.06

10、，將 會導致石墨形態(tài)不好、難以孕育、縮松和白口傾向大。在以往的生產(chǎn)中就發(fā)現(xiàn)，凡是有裂紋和白口 缺陷的鑄件，其石墨形態(tài)大都以 D、E 型石墨為主。電爐鐵水要得到正常的石墨形態(tài)，必須要有合 適的 S 含量，硫及硫化物含量低，晶核數(shù)量會減少，石墨形核能力降低，白口增大，A 型石墨減少， D、E 型過冷石墨和鐵素體增加，晶粒粗大，強度降低。而且隨著高溫鐵水保溫時間的延長，過冷度 繼續(xù)增大，越是高牌號灰鐵，保溫溫度和時間對過冷度的影響越顯著。有資料指出，鐵水含量低， 共晶團數(shù)少，隨著 S 含量的增加，共晶團數(shù)急劇增加，而共晶團數(shù)目越多，尺寸越細小，鑄鐵的力 學性能越好。因此，中頻爐熔煉灰鐵一般要把 S

11、含量提高到 0.060.1之間，以充分發(fā)揮硫的 有益作用，改善孕育效果，使鐵水的形核數(shù)量增加，鑄件的金相組織以 A 型石墨為主，基體組織的 珠光體含量增加，從而改善鑄鐵的強度和切削加工性能。具體做法是，在熔煉后期調整成分后加 FeS 增硫，也有采用焦炭作增碳劑，在增碳的同時，也把 S 含量增至大于 0.06。但 S 含量也不可過高， 因硫是阻礙石墨化元素，過高會增加白口，而且在 S 含量高時，隨著 Mn 含量的增加，生成的 MnS 充分起到了異質形核作用，為良好的孕育創(chuàng)造了條件。但當 Mn 含量大于 1后，生成了過多的 MnS 偏聚在晶界，弱化了晶界，甚至產(chǎn)生夾渣，降低鑄鐵的強度。從減少 Mn

12、S 夾渣的角度，應控制 S 含 量小于 0.1，這樣允許存在的錳量高一些，對提高灰鐵的性能有利。 由于中頻爐熔煉灰鐵大量使用廢鋼，并隨著廢鋼配比的增加，增碳劑的用量也隨之增大，加之 增碳劑含氮較高，所以中頻爐鐵水的 N 含量較高。當鐵水中 N 含量大于 100×10-6時，鑄件易出現(xiàn)龜 裂、縮松和裂隙狀皮下氣孔缺陷?？刂畦F水中 N 含量的最有效的方法是將鐵水在高溫下保溫，在保 溫時隨時間的延長，N 含量將逐漸下降。但高溫鐵水長時間保溫會增大過冷度和白口傾向，所以日 常生產(chǎn)中應選用 N 含量低的石墨增碳劑。在必要情況下，可在涂料中加入 10的氧化鐵粉，以消除 高氮的影響。但灰鐵中的氮和

13、硫一樣屬于限制元素，鐵水中微量的氮能使灰鐵的晶粒和共晶團細化， 基體中珠光體量增加，力學性能提高，對改善灰鐵的石墨形態(tài)，促進基體組織珠光體化能發(fā)揮積極 作用，氮化合物也能作為晶核，為石墨形核創(chuàng)造成長條件。在實際生產(chǎn)中，一般應控制 N 含量在 0.008 以下。 3.4 強化孕育處理 孕育處理時，加入大量人工結晶核心，迫使鑄鐵在受控的條件下進行共晶凝固，其目的是促進 石墨化，降低白口傾向和斷面敏感性，控制石墨形態(tài)，減少過冷石墨和共生鐵素體，適當增加共晶 團數(shù)，促進形成珠光體，從而改善鑄鐵的強度和機加工性能。實際生產(chǎn)中的強化孕育處理，是選擇 合適的孕育劑和孕育方法，對 CE 在 3.94.1之間，

14、溫度在 1480左右的高溫鐵水用高效孕育 劑強化孕育，以得到鑄造性能好，力學性能高的灰鐵鑄件，并非是指加大孕育量。不同的孕育劑有 不同的特點，必須根據(jù)孕育劑的特性，結合自身生產(chǎn)條件合理選擇孕育劑和孕育方法。通過試驗選 定并確立最適合本企業(yè)特點的處理方法后，應嚴格控制工藝過程，以確保鑄件質量的穩(wěn)定。 除隨流加入孕育劑，控制加入量和隨流時間外，防止孕育衰退、提高孕育效果還要注意以下方 面： 因熔煉溫度和保溫時間的限制，生鐵中粗大的石墨片不可能完全消溶，未溶盡的粗大石墨性 狀會遺傳給鑄鐵，大大抵消孕育的作用，所以在實際生產(chǎn)中應盡量減少生鐵的用量，以消除生鐵的 遺傳性，改善孕育效果，提高灰鐵的性能。

15、應選用含鈣、鋁、有較多難熔非均質形核核心的孕育 劑，并控制孕育劑有合適的粒度，因孕育劑的粒度對孕育效果的影響非常大。粒度過細，易被氧化 進入熔渣而失去作用；粒度太大，孕育劑熔解不盡，不但不能充分發(fā)揮孕育作用，而且還會造成偏 析、硬點、過冷石墨等缺陷。孕育劑的粒度一般控制在 38mm（1 噸以下的鐵水量），孕育量控制 在約為鐵水重量的 0.30.5。過大的孕育量會使鑄鐵的收縮和夾渣傾向增大。 多次孕育能有 效防止孕育衰退，改善鑄鐵內部石墨分布均勻程度，降低鐵水過冷傾向，使 A 型石墨占有率高，長 度適中，并促使非自發(fā)晶核數(shù)量增多，細化晶粒，強化基體，提高鑄鐵的強度和性能。例如二次孕 育選用具有很

16、強促進石墨化能力的硅鋇長效孕育劑，可改善薄壁鑄件中石墨的形態(tài)和分布狀況，增 加共晶團，促進形成 A 型石墨，消除過冷石墨，抑制產(chǎn)生游離滲碳體，且可減緩孕育衰退。 鐵水 溫度對孕育的影響，是在一定范圍內提高鐵水的過熱溫度，并保持適當?shù)臅r間，可使鐵水中殘存的 未溶石墨完全溶入鐵水，消除遺傳因素影響，充分發(fā)揮孕育劑的作用，提高鐵水的受孕能力。過熱 溫度以提高到約 1520為宜，孕育處理溫度控制在 14601420較佳。 3.5 工藝技術的調整與改進 （1）中頻爐熔煉灰鐵的工藝操作順序：小塊回爐料和廢鋼石墨增碳劑廢鋼和新生鐵回爐 料鐵合金合適的孕育。為了改善鐵水在高溫長時間保溫帶來的不良影響，基于中頻

17、爐溫度易于 提高、可快速熔煉的優(yōu)勢，制定“快熔快出”的工藝操作方法，盡量縮短熔化時間，加快熔化速度， 使鐵水在爐內經(jīng)化學成分調整、升溫后盡快出爐，并加快澆注速度，力爭 5min 左右完成澆注，最 大限度地縮短鐵水在爐內和包內的保溫時間。 （2）夾渣對鑄件質量的影響很大，輕則細小夾渣割裂基體，降低抗拉強度，嚴重的夾渣缺陷能 直接導致鑄件報廢。存在較多夾渣的爐料熔化后，附著于爐壁和存在于鐵水中的夾渣受電爐電磁攪拌和鐵水浮力作用而陸續(xù)上浮，在熔煉后期需頻繁、高效地挑渣，特別是高溫靜置時雜質上浮，應 及時挑渣，直至鐵水表面干凈，無新增浮渣，這對去除夾渣、消除渣孔缺陷、減少夾渣對基體的破 壞作用非常大。

18、 （3）因中頻爐熔煉灰鐵使用了大量廢鋼和回爐鐵，一方面會促成鑄鐵枝晶石墨的產(chǎn)生和白口傾 向的增大、硬度升高，加工性能變差。因而應比沖天爐鐵水更加注重孕育，以促進石墨化，細化共 晶團，改變石墨形態(tài)，減少白口傾向，使白口或麻口組織變?yōu)榧氈楣怏w組織，D、E 型石墨變?yōu)榫鶆?分布的 A 型石墨，提高鑄件不同壁厚處組織的均勻性，達到提高鑄鐵性能的目的。另一方面，廢鋼 用量的增大，使鐵水 S 含量變低，在 w(S)0.06時，易導致孕育困難，一般用 FeSi75 孕育處理 作用不明顯，應采取增硫措施。 （4）薄壁鑄件的白口缺陷嚴重，機加工困難，廢品率高。解決這一突出問題首先要杜絕使用合 金鋼廢鋼，適當提高

19、 CE，并控制處理前鐵水的 Si 含量在 1.6以上，S 含量大于 0.06，加大孕 育量至 0.5，使鐵水形核數(shù)量增加，石墨形核能力提高，促進 A 型石墨的形成，抑制 D、E 型石墨 的產(chǎn)生，基體組織中珠光體量增加，鑄鐵的過冷度和白口傾向減小，強度和切削加工性能改善。合 理地控制灰鐵的微觀組織是改善灰鐵加工性能的關鍵所在，在必要情況下，可在出鐵前向包中加入 2的干凈無銹小塊生鐵，有效增加石墨質點，消除白口。 4關于提高灰鐵鑄件質量和性能的一點看法 業(yè)內人士都知道：化學成分基本相同、金相分析基本一致的國產(chǎn)鑄件與進口鑄件的使用性能和 光潔度相差很大；相同碳當量的進口鑄件較國產(chǎn)鑄件高 12 個牌號

20、；硬度高于國產(chǎn)鑄件的進口鑄 件，切削加工性能反而優(yōu)于國產(chǎn)鑄件。造成這些現(xiàn)象的原因是進口鑄件的材質純凈度和碳當量高， 夾雜物和游離碳化物少，組織均勻性好。 鑄鐵件的內在質量、外觀質量以及是否會形成鑄造缺陷與鐵水的各方面因素密切相關，高品質 的鐵水是獲得優(yōu)質鑄件的最基本最重要的先決條件。而鐵水品質又由鐵水溫度、化學成分、純凈度 這些因素所決定。中頻爐熔煉灰鐵獲得高于 1500高溫和精確化學成分的鐵水非常容易，鐵水中的 每個元素對鑄鐵的凝固結晶、組織和性能都有一定的影響和作用；鐵水過熱溫度的高低直接影響到 鐵水成分和純凈度，其在一定范圍內提高，能使石墨細化、基體組織致密、抗拉強度提高、鑄造性 能改善

21、，鐵水中的雜質也更易于上浮被清渣除去。只有鐵水的純凈度，至今仍停留在高溫熔煉、聚 渣劑、過濾網(wǎng)這些層面上。其實業(yè)內專家都明白，通過這幾種措施是難以獲的高潔凈的鐵水的，只 能使情況改善，而對于鐵水的深度凈化、鑄造缺陷的發(fā)生機理分析及預防卻少有研究，鮮見對策。 存在于鐵水中的各種有害氣體和非金屬夾雜物，在鐵水凝固后留存于鑄件中，造成種種鑄造缺陷， 影響了鑄件的使用性能；由非金屬夾雜物形成的硬質質點，導致鑄件切削加工困難；而鐵水中含有 的雜質有害元素，更是直接影響了鑄件的組織和性能。正是這些因素造成了國產(chǎn)鑄件的綜合質量長 期低于進口鑄件。因此，我們應大力提高鐵水的冶金質量，努力以獲取有害元素和氣體含

22、量低、夾 雜物少的高潔凈鐵水為目的，在目前的灰鐵中頻爐熔煉工藝基礎上，進一步完善現(xiàn)代鐵水凈化技術 和工藝流程，確保用于澆注的鐵水必須是高純凈度鐵水，進而才能確保鑄件的高質量和高性能。 5結語 （1）中頻爐熔煉灰鐵，廢鋼要有一定的配比，一般應占爐料的 50%以上。應選用低氮石墨增碳 劑，并保證高增碳率，以利于獲得石墨化程度好、白口和縮松傾向小的優(yōu)質鐵水。同時，大量使用 廢鋼和回爐鐵，少用或不用新生鐵，消除粗大石墨的遺傳影響。并利用生鐵與廢鋼的價差及夜間電 價低谷熔煉，可使生產(chǎn)成本大幅降低。 （2）中頻爐鐵水的 S 含量一般較低，應采取增硫措施把鐵水 S 含量提高到 0.06%0.1%之間， 增大

23、形核能力，增加晶核數(shù)量和珠光體含量，改善石墨形態(tài)，并細化石墨，促使形成 A 型石墨，改 善孕育效果和切削加工性能，提高強度。 （3）通過采用廢鋼增碳工藝+適當提高 CE 和 SiC 比+快熔快出的操作方法+強化孕育處理等 生產(chǎn)技術，控制鐵水過熱溫度在 15101530，出爐溫度在 14801500，達到減少鑄造缺陷、增 強灰鐵性能、提高鐵水品質和鑄件質量、降低廢品率的目的。 （4）鐵水品質是影響鑄鐵件質量的重要因素，沒有高品質的鐵水就不可能有高質量的鑄件。 應在目前中頻爐熔煉灰鐵的工藝基礎上，著力提高鐵水的純凈度，進一步完善現(xiàn)代鐵水凈化技術和 工藝流程，以確?；诣F鑄件的高品質和高性能。 參考文

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25、鐵加工性能的影響及控制【J】金屬加工-熱加工，2014（13）： 4648 作者簡介：段平昌（1967-）男，安徽淮南人，工程師，主要從事鋼鐵及鑄造原輔材料的分析檢測、 實驗室的管理和鋼鐵的熔煉工藝技術工作。手黃濤（1983-），男，安徽利辛人，工程碩士，工程師，凱盛重工有限公司質保部部長， 主要從事工程技術與企業(yè)質量管理工作。手機追加經(jīng)驗1、同樣化學成分的鐵水、同樣的鑄型澆注的鑄件，中頻爐比沖天爐熔煉的灰鐵強度和硬度高；2、為提高鐵水的純凈度和穩(wěn)定鐵水的化學成分,應選用碳素鋼廢鋼做爐料,并使其在爐料配比中占50%以上；3、對于生鐵,因其中的雜質和微量元素以及組織缺陷都具有遺傳性,應選用來源穩(wěn)定、干凈少繡、有害元素低、最好是Z18 以上牌號的鑄造生鐵；4、