受焦炭價(jià)格不斷上升、環(huán)保以及用戶對(duì)鑄件質(zhì)量要求越來越高等因素的影響，電爐在很多地方已經(jīng)取代了沖天爐。又由于生鐵價(jià)格的不斷上升，廢鋼在社會(huì)上沉淀存留量較多而價(jià)格較低，所以這幾年廣泛的用廢鋼加增碳劑的方法生產(chǎn)球鐵及灰鐵。如果工藝操作正確，不但可以提高鑄件的綜合物理性能質(zhì)量，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。
用電爐冶煉廢鋼加增碳劑生產(chǎn)鑄鐵件，盡管電爐便于化學(xué)元素含量的調(diào)整，而且主要元素可以調(diào)整到材質(zhì)要求的范圍之內(nèi)，但是如果不采取有效的處理手段，生產(chǎn)出鑄件的質(zhì)量，確與用沖天爐生產(chǎn)出的鑄件質(zhì)量有較大差異。主要的不同之處是：用電爐熔化的鐵液，無論是廢鋼加增碳劑或者是用鐵屑作爐料，生產(chǎn)出的鑄件白口傾向大，硬度高而精加工困難。本文此談?wù)勛约旱膶?shí)踐體會(huì)和認(rèn)識(shí)。
一、沖天爐和電爐熔煉出鐵液質(zhì)量的不同之處
1．沖天爐熔煉的鐵液
沖天爐是用焦炭作燃料，將固體的鐵塊和其它爐料，經(jīng)過預(yù)熱、熔化、過熱、還原，鐵液經(jīng)爐底流入前爐缸，所經(jīng)歷的時(shí)間很短，大約10min左右，鐵液往往要在前爐缸中停留一段時(shí)間，在這段停留時(shí)間里，對(duì)金屬液的增核是有利的。雖然沖天爐的出爐溫度一般在1450℃左右，但是鐵液經(jīng)過過熱區(qū)的瞬間，爐溫約1700℃，盡管鐵液通過過熱區(qū)的時(shí)間很短，卻是以細(xì)小液滴通過的，能得到高溫過熱，有助于石墨溶于鐵液，消除新生鐵中粗大石墨片的遺傳性。鑄鐵中的主要元素碳，在熔煉過程中有一個(gè)燒損和吸收的減增過程，由于鐵液滴在灼熱的焦炭上，鐵液吸收了焦炭中的碳原子，所以在整個(gè)熔化過程中，碳的吸收大于燒損，含碳量是增。同樣鐵液也會(huì)從焦炭中吸收部分硫。
在壓球化劑作球化處理之前，都要先燙包。由于沖天爐的熔化速度快，包球鐵澆注完畢后，再處理下一包時(shí)，包內(nèi)溫度還很高，鐵水倒入澆包內(nèi)降溫少，所以再進(jìn)行球化處理時(shí)，出爐溫度與電爐相比較可以稍低些，對(duì)球化處理質(zhì)量（球化劑的熔化及吸收、澆注溫度），影響不大或沒有影響。用電爐熔化鐵液，每爐熔化間隔時(shí)間約50～60min，有時(shí)間隔的時(shí)間可能會(huì)更長些，澆包散熱時(shí)間長，包內(nèi)溫度低，經(jīng)球化處理后，包內(nèi)鐵水溫度約下降80℃，冬天溫度下降的可能會(huì)更多，所以用電爐熔化鐵液處理球鐵時(shí)，出爐溫度要比沖天爐的溫度高些。
2.用電爐熔煉鐵液對(duì)材質(zhì)性能的影響
我們知道用電爐熔煉爐料，是由感應(yīng)圈經(jīng)導(dǎo)電產(chǎn)生磁場，在爐料中產(chǎn)生電渦流，由電渦流發(fā)熱藉以熔化爐料。
(1)對(duì)“自發(fā)晶核”的影響
廢鋼的熔點(diǎn)比鑄鐵高，增碳劑的熔點(diǎn)更高，當(dāng)廢鋼在熔化過程中以及熔化之后，增碳劑被加熱緩慢的溶解和擴(kuò)散，增碳劑中的碳才能被鋼液侵蝕吸收。鋼液逐漸的變成鐵液，即常稱之為“合成鑄鐵”。由于廢鋼熔化溫度高，鋼液變成鐵液之后的過熱溫度往往高。在高溫下，鐵液中的碳易于被氧化成CO，因此有人認(rèn)為鐵液中的碳也是一種“氣體形成元素”。CO在鐵液中的溶解度很少，形成后即釋放于鄰近液面的大氣中。在生產(chǎn)實(shí)踐中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高溫鋼液倒入抬包后，抬包中有放射狀火花飛出（俗稱賊花），即可能是高溫氧化的釋碳現(xiàn)象。
電爐在熔煉鐵液過程中，具有電磁攪拌摩擦的特性。鐵液過熱溫度高、過熱時(shí)間長、且又有感應(yīng)電流的攪拌摩擦，鐵液中微細(xì)的晶態(tài)石墨即自發(fā)晶核和外來結(jié)晶核心，都會(huì)逐漸溶于鐵液而消失；或浮經(jīng)液面與集渣劑粘裹在一起被挑出爐外。這樣，使鐵液中可在共晶結(jié)晶時(shí)作為石墨外來晶核的物質(zhì)大幅度減少。
硫在鑄鐵中，尤其是在球墨鑄鐵中是有害元素。但有資料介紹：當(dāng)含硫量小于0.06﹪時(shí)，硫的一些有益作用無法得到發(fā)揮。在鑄鐵中存在有細(xì)小而分散的硫化物夾雜，能在石墨的生核和成長中起積極而有益的作用。用感應(yīng)電爐熔煉廢鋼加增碳劑的合成鑄鐵，其含硫量一般不會(huì)超過0.03％的。如果原鐵水的含硫量過低，球化劑中的鎂無從與硫化合，過多的殘余鎂量不但阻礙石墨化，而且還會(huì)使鑄件產(chǎn)生縮孔、氣孔等鑄造缺陷。如果減少球化劑的加入量，綜合考慮又恐會(huì)影響到球化率。
合成鑄鐵在感應(yīng)電爐中，因含硫量過低、過熱溫度高、電流的攪拌摩擦等因素影響，鐵液中石墨化的核心大幅度減少。這種缺乏石墨化結(jié)晶核心的鐵液，過冷度很大，對(duì)孕育處理的回應(yīng)能力極差，很難通過常規(guī)孕育處理措施，使鑄鐵具有符合要求的微觀組織。因而即使化學(xué)成分含量完全符合要求，往往澆注出的鑄件硬度高，不便于機(jī)械加工。有資料介紹：硫從0.02％增加到0.06％，抗拉強(qiáng)度增加50MPa以上，即可提高一個(gè)牌號(hào)以上，硬度值即可增加HB20。進(jìn)一步增加硫到0.1％，強(qiáng)度值和硬度值變化不大，有此可見在灰鑄鐵中，硫控制在0.06～0.1％為宜（我廠生產(chǎn)的汽車制動(dòng)鼓，材質(zhì)是HT250，硫控制在0.07～0.09％）．
順便也談?wù)動(dòng)秒姞t熔煉“鑄鐵屑”，即便熔煉的鐵屑干凈無銹蝕，不需要高溫，過熱溫度并不是很高，但是由于電磁攪拌的摩擦作用以及碳、硅的燒損，如果澆注前不進(jìn)行元素調(diào)配和采取有效的孕育措施，生產(chǎn)出的鑄件同樣是硬度高。
?。?）用應(yīng)電爐熔煉對(duì)提高材感質(zhì)質(zhì)量的影響
?、俑袘?yīng)電爐熔煉，鐵水溫度可升以提到1570℃以上，并可以在高溫狀態(tài)下長時(shí)間的保溫，在該溫度下，可以使原材料帶入的夾雜物，以及在熔煉過程形成的夾渣及夾雜物上浮到鐵液表面。對(duì)于廢鋼＋增碳劑、尤其是粒子鋼＋廢鋼＋增碳劑＋回爐料，這些爐料無論是廢鋼、粒子鋼或者是粒子鐵，大都是白口組織，白口組織具有較強(qiáng)的遺傳性，要消除遺傳性需要適當(dāng)?shù)奶岣呷刍瘻囟龋黾颖貢r(shí)間，才能夠比較好的凈化鐵液，減少鑄件缺陷。
②合金元素?zé)龘p量低，鐵水中錳、硅的燒損低于沖天爐熔煉。便于各元素的調(diào)控，能夠穩(wěn)定化學(xué)成分含量。
?、凵a(chǎn)球墨鑄鐵時(shí)，含硫量過高將會(huì)直接影響到球鐵的質(zhì)量。如球化級(jí)別低下、材質(zhì)強(qiáng)韌性差、鑄件有夾渣等鑄造缺陷。用電爐熔煉鑄鐵時(shí)不存在有增硫反應(yīng)。
?、苡脧U鋼＋增碳劑生產(chǎn)合成鑄鐵，由于廢鋼的夾雜物含量低，成分穩(wěn)定，加增碳劑經(jīng)高溫熔煉之后，消除了爐料的遺傳性，鐵液的純凈度得到提高，同時(shí)增碳劑具有孕育作用，促使石墨化的效果更加穩(wěn)定突出，鑄件的基體組織晶粒會(huì)更加均勻、細(xì)化，所以生產(chǎn)出鑄件材質(zhì)的韌性和強(qiáng)度均得到提高。
二、揚(yáng)長補(bǔ)短、優(yōu)化操作程序
用廢鋼生產(chǎn)球墨鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)前面已談，不再贅述。
用電爐熔煉廢鋼（鐵屑）＋增碳劑生產(chǎn)球墨鑄鐵，欲想穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，需要補(bǔ)的“短”，主要是解決金屬液在凝固結(jié)晶時(shí)，自發(fā)晶核少、鐵液過冷度大、石墨化能力差、鑄件硬度高而不便于機(jī)械加工的問題。具體的“補(bǔ)短”操作方法是：
①在冶煉后期要注意“自發(fā)晶核”的培養(yǎng)。加入適量的廢鋼使鐵液激冷，同時(shí)適量的加入硅鐵以及細(xì)顆粒的增碳劑，上面覆蓋保溫劑，降低功率或停電保溫一段時(shí)間，以促使析出微細(xì)的晶態(tài)石墨。
②在出爐或澆注過程中，進(jìn)行充分的多次孕育處理，以補(bǔ)充“外來晶核”，可以添加小顆粒的增碳劑、碎硅鐵粉粒以及復(fù)合孕育劑，雖然加入量很少，但是促進(jìn)生核的效果很好。
③如果含硫量過低（特別是生產(chǎn)HT時(shí)）可適量加入些硫鐵，但必須控制在要求的范圍內(nèi)?？傊畠?yōu)化操作程序指的是：爐料入爐的先后順序、熔煉中的溫度和出爐溫度的控制、化學(xué)成分的選控、以及強(qiáng)化孕育和復(fù)合孕育。
我們的產(chǎn)品是汽車輪轂，造型采用的是鐵模覆砂工藝，材質(zhì)是QT450－10，其硬度是HB160－210，屬于鐵素體基體球鐵。但是用戶為了便于機(jī)械加工提高生產(chǎn)速度，除要求材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度及延長率合格之外，還要求鑄件的硬度≤200HBW。
化學(xué)成分的選擇﹙％﹚:
CE4.6－4.8，C3.6－3.9，Si1.2－1.3（原）、2.65－2.9（終），Mn0.2－0.4，P≦0.05，S≤O.035(原)、≤0.022（終），RE(殘)0.02－0.04，Mg（殘）0.03－0.06。
在實(shí)際生產(chǎn)中，碳當(dāng)量控制在中上線，硅力爭控制在上線，旨在提高鐵液的石墨化能力。
爐料的加入順序、操作方法及溫度控制
先在爐底加入新生鐵，再加入廢鋼、增碳劑（根據(jù)爐料情況憑經(jīng)驗(yàn)而加，以防增碳劑堆積形成高溫層），邊熔化邊加廢鋼和增碳劑，盡可能在粒子鋼沒有加入之前，把增碳劑需要加入量的60－70％加完，加回爐料。在這段時(shí)間里，為了提高增碳劑的吸收率，消除鐵液中的遺傳性，宜采用大功率高溫熔化。
但上述加料方法也存在著兩個(gè)問題:
①當(dāng)鐵水含碳量達(dá)到一定量時(shí)，再提高鐵水含碳量困難了。
?、谠谌蹮捄笃诩尤肓Ｗ愉?，爐內(nèi)金屬液噴濺嚴(yán)重，不能保證安全生產(chǎn)。因此也可以采用另一種加料順序，先熔化粒子鋼，邊熔化邊往外舀渣，當(dāng)熔化完畢需加入量（一般40―50％）并達(dá)到一定溫度時(shí)，關(guān)閉電源，消除爐內(nèi)液面“駝峰”，使液面平穩(wěn)，熔渣會(huì)往液面中部聚集，這樣便于舀凈熔渣。熔渣清除干凈之后，可以適當(dāng)多加些增碳劑。啟動(dòng)電源高功率熔化，邊加廢鋼邊加增碳劑直到爐滿，加入部分硅鐵取樣分析。
球鐵金屬液是一種鐵水被飽和的Fe－C－Si－O之合金溶液，其內(nèi)部存在化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)平衡問題：
2C＋SiO2→Si＋2CO
鐵水溫度高于平衡溫度時(shí)，反應(yīng)向右，碳被氧化放出CO降碳，是還原反應(yīng)。低于平衡溫度時(shí)反應(yīng)向左，Si被氧化，形成SiO2黑渣，是氧化反應(yīng)。平衡溫度在1390－1420℃之間。故推薦球化處理溫度在1450±20℃之間。根據(jù)上述資料分析增碳劑合適的加熱溫度，如果加熱溫度高于平衡溫度時(shí)，鐵液中的碳被氧化損耗增加，增碳劑的吸收率降低。當(dāng)加熱溫度低于平衡溫度時(shí)，由于溫度較低，增碳劑的溶解擴(kuò)散速度下降，因而增碳劑的吸收率也較低。另外，在實(shí)際生產(chǎn)操作中，很難把爐溫控制在平衡溫度線。提高爐溫可以加快增碳劑的溶解和擴(kuò)散，有利于鐵液對(duì)碳的及時(shí)吸收而縮短碳的氧化時(shí)間，盡可能的使吸收遠(yuǎn)大于損耗，同時(shí)也有利于提高熔化速度。所以在熔化前期我們采用大功率高溫熔化。
由于粒子鋼的含渣量太多，在熔化粒子鋼過程中，需要用特制的勺往外舀渣，所以增碳劑不宜與粒子鋼混裝熔化。當(dāng)爐料熔化完畢并徹底清凈熔渣之后，留下10％的增碳劑作為波動(dòng)可調(diào)空間，其余的全部加入，并加蓋保溫劑。
在爐內(nèi)溫度升高增碳劑溶解被鐵液吸收后，清凈保溫劑及熔渣，加入部分硅鐵，在硅鐵上面覆蓋保溫劑，硅鐵的加入量，應(yīng)在代入硅1.2％左右，這是因?yàn)閺U鋼和粒子鋼的含硅量都很低，加入部分硅鐵，一是為了起到脫氧作用；二是為了縮小后期調(diào)整范圍，使成分含量更加準(zhǔn)確；三是為了鐵液成分含量不超過熱分析儀的測量范圍，避免測量失敗。還需要說明的是，無論在任何階段需要同時(shí)添加增碳劑和硅鐵時(shí)，都要先加增碳劑，待增碳劑熔解擴(kuò)散被吸收之后，再加增碳劑。這是因?yàn)楣杈哂信盘继匦?，即硅量的增加，降低了碳在鐵水中的溶解度。其目的還是為了提高增碳劑的吸收率。
綜上所述，影響增碳劑吸收的因素有：①增碳劑的質(zhì)量；②鐵水的含碳量；③鐵水含硅量：④爐料和鐵水質(zhì)量（是否嚴(yán)重氧化）；⑤爐工操作；⑥加入時(shí)間及加入方法；⑦爐溫控制。
當(dāng)爐溫達(dá)到1320℃左右時(shí)，清凈液面熔渣，取樣倒入上海產(chǎn)的“賀利氏”牌熱分析儀樣杯中。在取樣分析的前后時(shí)間里，先清理干凈液面熔渣，適量加入一些回爐料；當(dāng)熱分析儀結(jié)果出來后，調(diào)整原鐵水的碳、硅含量。
采取有效措施強(qiáng)化孕育：使用孕育劑的種類有75硅鐵、增碳劑、硅鈣鋇復(fù)合孕育劑。用增碳劑進(jìn)行爐內(nèi)、包內(nèi)雙重孕育；用硅鐵進(jìn)行沖入孕育及浮硅孕育；由大包倒入抬包時(shí)加入硅鈣鋇復(fù)合孕育劑進(jìn)行隨流孕育。只要經(jīng)熱分析儀測報(bào)含碳量不超上限，出爐前在爐內(nèi)液面（也稱作預(yù)處理或預(yù)孕育）、在球化包底、以及球化反應(yīng)結(jié)束扒渣后，在球鐵液面，酌情適量加放一些細(xì)顆粒（0.5―1.0mm）的增碳劑。盡管這樣作增碳劑的吸收率較低，但是確能生產(chǎn)大量的“外來晶核”，促進(jìn)石墨化，有利于石墨的生成。
球化溫度的控制。球化溫度是根據(jù)鑄件的大小、鑄件壁的厚薄以及材質(zhì)的不同而靈活掌握的。而且各單位又有各自的習(xí)慣作法。如山東臨沭興華機(jī)械廠用十噸包處理球鐵，當(dāng)包底有一定的鐵水后，為降低下部鐵液溫度，延緩球化劑的起爆時(shí)間，減少反映沸騰，順包邊加放“熱鐵塊”，也便于降溫澆注大型鑄件，效果很好。濮陽一家鑄造廠，用廢鋼生產(chǎn)球鐵，出爐溫度1550℃，當(dāng)包內(nèi)鐵液達(dá)到3／4時(shí)，停止倒鐵水，讓球化包內(nèi)進(jìn)行球化反映，在包內(nèi)作球化反映時(shí)，爐內(nèi)剩余1／4的鐵水繼續(xù)升溫，包內(nèi)反映結(jié)束并清理浮渣，加孕育劑后再出爐內(nèi)剩余1／4的鐵液，這時(shí)爐內(nèi)鐵液溫度已是1570℃，用這種方法作球化處理，生產(chǎn)出的鑄件內(nèi)在質(zhì)量好，無氣孔等鑄造缺陷。我們?cè)诔鰻t之前的熔化過程中，要經(jīng)歷一個(gè)先高溫后低溫的過程，先高溫便于消除鐵液中的“遺傳性”和促進(jìn)增碳劑的吸收，后適當(dāng)?shù)蜏乇阌诰Ш说膹?fù)生和球化處理。我們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中，原來的球化處理溫度控制在1560－1570℃（用光學(xué)測溫儀），生產(chǎn)出鑄件的硬度偏高，其硬度常在200HBW左右徘徊，時(shí)而硬度還有超標(biāo)現(xiàn)象而影響產(chǎn)品質(zhì)量。2010年下半年，逐漸降低球化處理溫度，現(xiàn)在出爐溫度控制在1520℃±10℃左右。
三、產(chǎn)品質(zhì)量
產(chǎn)品為QT450－10輪轂，造型采用鐵模覆砂工藝，球鐵的球化級(jí)別1－3級(jí)，石墨大小6－7級(jí)，石墨球密而分布均勻，硬度HB170－190，硬度很少有超過HB200的。鑄件實(shí)體切割取樣作物理實(shí)驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度≥500MPa（常在500MPa左右），延長率13％－16％（可達(dá)22％）。
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