用感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵時的一些冶金特點

用感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵時的一些冶金特點

李傳栻

從上世紀(jì)60年代起，鑄鐵行業(yè)中采用感應(yīng)電爐作為熔煉設(shè)備的企業(yè)逐漸增多，尤其是70年代以后，中頻無心感應(yīng)電爐的電源有了重大的改進，熔制鑄鐵時熱效率可達到70%，電爐設(shè)備和所用的耐火材料也在不斷發(fā)展，因而其應(yīng)用日益廣泛。

對于不適于采用長爐齡大型沖天爐的中、小型鑄鐵企業(yè)，用無心感應(yīng)電爐熔煉有很多優(yōu)點，宏觀方面看來主要有：

熔煉時排出的廢氣、煙塵和爐渣大幅度減少，便于治理環(huán)境和改善作業(yè)條件；

可利用廉價的金屬爐料，尤其是便于循環(huán)回用加工的切屑和邊角余料；

生產(chǎn)安排的靈活性較好；

鑄鐵的化學(xué)成分和溫度比較均勻且易于控制。

但是，感應(yīng)電爐熔煉的冶金過程與沖天爐有本質(zhì)上的差別，如果不能切實了解其冶金特點，正確執(zhí)行熔煉過程的各項作業(yè)，則用于制造灰鑄鐵件時，不僅不能充分體現(xiàn)感應(yīng)電爐熔煉的優(yōu)越性，反而會導(dǎo)致顯微組織不符合要求、鑄件的加工性能惡化等各種問題。

以下，簡單地談?wù)動酶袘?yīng)電爐熔煉灰鑄鐵時的一些主要冶金特點，供參考。

一、感應(yīng)電爐熔制的鐵液中氣體含量

與用沖天爐熔煉相比，用無心感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時，金屬爐料與爐氣接觸的時間很短，熔融的金屬液與爐氣接觸的界面很小，因而，感應(yīng)電爐熔煉制得的鐵液中，氫和氧的含量都低于沖天爐熔煉的鐵液，但是，由于爐料配比的差別很大，氮含量卻較高。

1、氧含量

沖天爐熔煉的鐵液中，氧含量一般為0.004~0.006%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下均同此），無心感應(yīng)電爐熔煉的鐵液，氧含量一般在0.002%左右，有時還會更低些。一般說來，鐵液中的氧含量低，有助于改善鑄件的冶金質(zhì)量，但是，如果鐵液中的氧含量太低（0.001%或更低），則不利于孕育處理時晶核的形成，導(dǎo)致產(chǎn)生過冷石墨（D型），即使增加孕育劑的加入量，孕育效果也不好。

2、氫含量

在灰鑄鐵中，氫是有害元素，其含量越低越好。由于鑄鐵中碳、硅含量高，氫在其中的溶解度低，沖天爐熔制的鐵液中，氫含量一般為0.0002~0.0004%。感應(yīng)電爐熔制的鐵液，因為金屬與爐氣接觸的界面小，氫含量一般都更低，約在0.0002%左右，鑄件產(chǎn)生氫致皮下氣孔、針孔的可能性較小。

3、氮含量

用沖天爐熔煉時，灰鑄鐵中的氮含量一般為0.004~0.007%。

鑄鐵中含有少量的氮，有促成珠光體的作用，有助于改善鑄鐵的力學(xué)性能。如果氮含量在0.01%以上，則鑄件就易于產(chǎn)生氮致氣孔。

通常，廢鋼中的氮含量比鑄造生鐵中的高得多，用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時，由于爐料中所用的鑄造生鐵錠很少、廢鋼較多，熔煉制得的鑄鐵中氮含量會相應(yīng)較高。此外，由于爐料中使用大量廢鋼，必須用增碳劑，而大多數(shù)增碳劑中氮含量都比較高，這又是導(dǎo)致鑄鐵中氮含量增高的另一因素。

因此，用感應(yīng)電爐熔煉時，鑄鐵中的氮含量比用沖天爐熔煉的要高一些。一般說來，爐料中廢鋼用量為15%時，鑄鐵中的氮含量約為0.003~0.005%；廢鋼用量為50%時，氮含量可達0.008~0.012%；爐料全部為廢鋼時，氮含量可高達0.014%以上。

為避免鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷，感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時所用的增碳劑，一定要選購含氮量低的品種，如有可能，應(yīng)核查增碳劑的含碳量。當(dāng)前的問題在于：分析增碳劑中的含碳量，尚缺乏簡便而準(zhǔn)確的方法。美國ASTM D3197標(biāo)準(zhǔn)所認(rèn)定的兩種方法：一種是濕法，分析一個樣品需時2周之久；另一種是用Leco公司分析裝置的燃燒法，此法分析樣品所需的時間約2～3min。但是，有報道說：就同一樣品用這兩種方法測定的結(jié)果差別很大，濕法的分析值偏低，燃燒法的分析值偏高，二者的差別竟可能高達3～4倍。

常用的增碳劑主要是石墨和石油焦，兩種增碳劑的含氮量都可能在較大的范圍內(nèi)改變：石墨的含氮量可在0.15～2.5%之間；石油焦的含氮量則在0.3～2.0%之間。無論采用何種增碳劑，都應(yīng)選含氮量低的品種。

有報道稱：含氮量低的石墨，質(zhì)地致密而柔軟，有韌性，可以在紙上劃出痕跡；含氮量高的石墨，質(zhì)地硬而脆，有氣孔，劃在紙上不留劃痕。

碳化硅中的含氮量較低，雖然其中的含碳量不高，主要作用是增硅，但在改善鑄鐵對孕育處理的回應(yīng)能力方面有很好的效果，是電爐熔煉鑄鐵時不可或缺的重要添加材料。

如果鑄件氣孔缺陷較多，可考慮在爐前加入少量鈦、鋁、硼等固氮元素。

二、感應(yīng)電爐熔煉時鑄鐵的結(jié)晶特性

金屬、爐襯、爐渣和爐內(nèi)氣氛之間的相互作用，是熔煉爐中冶金過程的基礎(chǔ)。只要對沖天爐和感應(yīng)電爐的熔煉過程作簡單地分析，就可以看出，二者熔煉鑄鐵的冶金過程差別很大，因而，熔制得到的鐵液就具有不同的特性。

在碳當(dāng)量相同的條件下，用感應(yīng)電爐熔煉的鑄鐵與用沖天爐熔煉的相比，共晶結(jié)晶時的過冷度大得多，參見圖1。

碳當(dāng)量[C+1/3（Si+P）]
（%）

圖1
在不同的碳當(dāng)量下熔煉工藝對共晶結(jié)晶過冷度的影響

a－沖天爐熔煉；b－感應(yīng)電爐熔煉

在碳、硅含量相同的條件下，用感應(yīng)電爐熔煉的鑄鐵與用沖天爐熔煉的相比，三角試片的白口寬度也有明顯的差別，見圖2。

試片白口寬度（mm）

碳含量（％）

a1－沖天爐熔煉，Si 2.5%；a2－沖天爐熔煉，Si 2.0%；

a3－沖天爐熔煉，Si 1.5%；b1－感應(yīng)電爐熔煉，Si 2.5%；

b2－感應(yīng)電爐熔煉，Si 2.0%；b3－感應(yīng)電爐熔煉，Si 1.5%

圖2
用不同熔煉設(shè)備時碳、硅含量對三角試片白口寬度的影響

用不同的熔煉設(shè)備，鑄鐵的共晶結(jié)晶特性之所以差別很大，主要有以下三方面的原因。

1、共晶結(jié)晶時晶核的數(shù)量減少

沖天爐熔煉時，從爐料開始熔化到鐵液自爐中流出所經(jīng)歷的時間很短，大約是10min左右。感應(yīng)電爐熔煉時，從爐料開始熔化到出鐵至少要經(jīng)1小時，而且又有感應(yīng)加熱所特有的攪拌作用，使鐵液中可在共晶結(jié)晶時作為石墨外來晶核的物質(zhì)大幅度減少。例如，可作為外來晶核的SiO2，在溫度很高、又有攪拌作用的條件下就易于與鑄鐵中的碳發(fā)生如下反應(yīng)而消失：

SiO2＋O2→Si＋2CO↑

因此，用感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵時，要特別注意做好孕育處理作業(yè)，孕育劑用量應(yīng)比沖天爐熔煉時略多一些，**出爐前先在爐中進行一次預(yù)處理（預(yù)孕育），以改善鑄鐵共晶結(jié)晶時的生核條件。

2、鐵液中的硫含量低

用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時，由于爐料中廢鋼多而生鐵錠少，配料中硫含量本來就低，再加以熔煉過程中完全不與焦炭接觸，沒有自焦炭吸收硫的過程，如果不特意在配料中加硫，熔煉得到的鐵液，硫含量一般都在0.06%以下。對于低硫鐵液，孕育處理的效果很差已經(jīng)是眾所周知的事實。

因此，用感應(yīng)電爐熔煉時，應(yīng)特別關(guān)注鑄鐵中的硫含量，必須使之保持在0.06%以上。如配料中沒有帶入硫的組分，一般可加入適量的硫化亞鐵使之增硫。

3、鐵液中的氧含量低

前面已經(jīng)談到，用感應(yīng)電爐熔煉的鑄鐵中，氧含量一般都較低。如果氧含量降低到0.001%以下，鐵液中可以作為外來晶核的氧化物、硫氧復(fù)合化合物就很少，鐵液對孕育處理的回應(yīng)能力就會很差。

在確認(rèn)鑄鐵中氧含量過低的情況下，就應(yīng)適當(dāng)增加氧含量。最方便的辦法是采用含氧、硫的孕育劑。這種孕育劑，國外早已有供應(yīng)，隨著我國用感應(yīng)電爐熔煉的鑄鐵企業(yè)日益增多，相信不久就會有類似的產(chǎn)品問世。

在爐料中配入20～30%的鑄鐵切屑，既可以降低生產(chǎn)成本，又可以使熔煉制得的鐵液中氧含量增多，也不失為一種可取的增氧措施。

三、爐料中生鐵塊太多會導(dǎo)致石墨組織異常

前面曾經(jīng)提到，用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時，由于液態(tài)鑄鐵在爐內(nèi)保持的時間長，又有感應(yīng)電流的攪拌作用，會使能作為外來晶核的氧化物、硫化物和硫氧復(fù)合化合物大量損失。但是，對于生鐵錠中所含的石墨，情況就不一樣了。

鑄造生鐵錠中，一般都含有粗大的片狀石墨。用沖天爐熔煉時，即使出鐵的溫度不太高，爐內(nèi)熔化帶的溫度也在1700℃以上。鐵液通過熔化帶所經(jīng)歷的時間雖然很短，但卻是以細(xì)小液滴通過的，能得到高溫過熱，有助于使石墨溶于鐵液。因此，即使?fàn)t料中配加的生鐵錠較多，只要鑄鐵的成分不是過共晶的，顯微組織中的石墨都呈細(xì)小的片狀，一般不會有塊片狀（C型）石墨出現(xiàn)。

感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時，雖然液態(tài)鑄鐵在爐內(nèi)保持的時間長，又有感應(yīng)電流的攪拌作用，但爐內(nèi)的溫度畢竟比沖天爐熔化帶的溫度低得多。如果爐料中配用的生鐵錠太多，就不可能使熔點高、穩(wěn)定性強的片狀石墨全部溶入鐵液，有一些細(xì)小的晶態(tài)石墨保留在鐵液中。

在這種條件下，鑄鐵開始凝固前就存在細(xì)小的晶態(tài)石墨，即使鑄鐵的成分是亞共晶的，凝固時也會有初生石墨依托細(xì)小的晶態(tài)石墨析出。最后，鑄鐵的顯微組織中就會出現(xiàn)塊片狀（C型）石墨，影響鑄鐵的力學(xué)性能。

因此，用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時，爐料中生鐵錠的用量不能超過20％，**在10%左右，以保證顯微組織正常。

目前，有一些鑄造廠將沖天爐熔煉時的爐料配比原則原封不動的用于感應(yīng)電爐，不少企業(yè)生鐵錠的用量為30％，有的企業(yè)甚至高達50%。再加以未能按感應(yīng)電爐的冶金特點安排適當(dāng)?shù)脑杏幚恚Y(jié)果，顯微組織中既有塊片狀（C型）石墨，又有D型石墨（過冷石墨），這種不正常的組織當(dāng)然有損于鑄件的質(zhì)量，希望能盡早糾正這種不合適的做法。

四、感應(yīng)電爐熔煉過程的控制

根據(jù)以上所談到的幾個方面，建議用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時的工藝控制的要點如下：

1、爐料中生鐵錠的用量不能超過20％，**在10%左右；

2、隨爐料加入的增碳劑中，**配有一定比例（40～55%）的冶金碳化硅；

3、認(rèn)真做好出鐵時的孕育處理，根據(jù)企業(yè)的具體生產(chǎn)條件選用合適的孕育劑，孕育劑的加入量則應(yīng)比沖天爐熔煉時增加0.1～0.2%，**的用量應(yīng)通過現(xiàn)場的試驗結(jié)果確定；

4、必須在澆注過程中進行瞬時孕育；

5、生產(chǎn)質(zhì)量要求高的鑄件時，應(yīng)在出鐵前向爐內(nèi)加入冶金碳化硅進行預(yù)處理。

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