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如何控制中頻爐熔煉灰鐵抗拉強(qiáng)度？
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廠家：如何控制中頻爐熔煉灰鐵抗拉強(qiáng)度？ 日期：：2019-12-25 瀏覽次數(shù)： 178
中頻爐熔煉過程中，為了降低生產(chǎn)成本，從減少基體的割裂、優(yōu)化爐料配比、優(yōu)化操作工藝、化學(xué)成分控制及加強(qiáng)孕育處理人手，最終通過控制灰鐵基體組織、石墨長度，來控制灰鐵的抗拉強(qiáng)度。實踐表明，除了提高技術(shù)水平、穩(wěn)定工藝、控制生產(chǎn)成本外．穩(wěn)定車間操作質(zhì)量顯得格外重要。
2012年8月，無錫一汽鑄造有限公司(簡稱“錫鑄”)完成了新工廠的整體搬遷工作，熔煉方式由老廠沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l爐熔煉，如此轉(zhuǎn)變給熔煉工作提出了挑戰(zhàn)。中頻爐熔煉中。原鐵液中硫含量較低，即主要反球化(蠕化)元素含量低．因此，對處理蠕鐵、球鐵有明顯的優(yōu)勢。但灰鐵則不同，原鐵液因不同加料工藝、不同配比等因素導(dǎo)致的不同鐵液特性，對抗拉強(qiáng)度有大的影響。對于灰鐵，經(jīng)過低合金化后，其珠光體數(shù)量基本一致(≥95％)，若細(xì)化珠光體片間距則需增加更多細(xì)化奧氏體枝晶的合金元素Mo、Cr等，由此提高抗拉強(qiáng)度，但此法不僅增加生產(chǎn)成本，而且需承擔(dān)細(xì)化奧氏體枝晶后帶來的鑄件縮松后果，另需額外增加高強(qiáng)孕育成本，而細(xì)化石墨控制相對性能的提高更加有效且成本較低。本文針對中頻爐熔煉中，提高柴油機(jī)HT250、HT300缸蓋(六缸，四氣門、兩氣門)抗拉強(qiáng)度，談一些心得與體會，與同行交流。
中頻爐雖不如工頻爐攪拌能力強(qiáng)，但較多夾渣的原輔材料加人電爐后，附著爐壁(或侵蝕爐襯)及存在于鐵液中的低熔點夾渣概率依然較大，后續(xù)熔煉過程中需進(jìn)行高頻率、高效的挑渣，如：多次高溫靜置，并及時進(jìn)行挑渣，直至靜置后期電爐表面無新增浮渣，如此將大大增加了鐵液在電爐中的保持時間、勞動成本、勞動強(qiáng)度及能耗，同時降低生產(chǎn)效率；另，人工高頻率、高效挑渣對生產(chǎn)車間的操作質(zhì)量提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為此，使用較多夾渣的原輔材料在很大程度上影響了鐵液的純凈度．輕則細(xì)小夾渣割裂鑄件基體，降低抗拉強(qiáng)度，重則直接導(dǎo)致鑄件夾渣、縮松缺陷而報廢.
常見原輔材料不純表現(xiàn)為：①廢鋼銹蝕、夾渣；②回爐料粘砂、銹蝕；③生鐵銹蝕；④硫化鐵夾渣。為此建議：①選用單一品種廢鋼，室內(nèi)堆放、加工廢鋼；②回爐料處理、轉(zhuǎn)運進(jìn)行防水(雨)處理，滾光(拋丸)徹底，杜絕回爐料有粘砂、粘渣；③生鐵轉(zhuǎn)運、堆放進(jìn)行防水(雨)處理；④硫化鐵選用優(yōu)質(zhì)礦源材料經(jīng)高純提煉至低品位的產(chǎn)品，減少熔煉增渣。
鑄件得到細(xì)小石墨，需建立在一定的相對高碳當(dāng)量前提下，一般CE范圍為3．8％～3．9％，其主要控制思路為：鐵液中有足夠多的長效核心，且鐵液在凝固初期石墨生長速度緩慢，迫使石墨在凝固后期長大，細(xì)化石墨的同時減少鑄件縮松傾向(減少漏水率)。
生鐵、增碳劑均含碳，碳在熔煉過程中隨著溫度的升高、時間的延長，或擴(kuò)散、分解或溶解，在出鐵處理前，原鐵液中碳的存在形式主要為細(xì)小的石墨顆粒及碳原子。細(xì)小的石墨顆粒可直接作為石墨析出的非均質(zhì)形核核心，碳原子是石墨析出的溶質(zhì)。即不做任何處理，原鐵液已初具石墨析出、長大的條件。從細(xì)化石墨的角度考慮。原鐵液中不希望出現(xiàn)過多的碳原子，這勢必減少石墨的核心數(shù)。由于碳原子在冷卻過程中更易形成能量更低的滲碳體，為此筆者將相同成分不同爐料配比的鐵液進(jìn)行三角試塊白口比較，結(jié)果為：生鐵比例越高白口傾向越大：增碳劑比例越高，白口傾向越小，且隨時間延長白口數(shù)增長緩慢(增碳劑比例大于2．2％、一次升溫至1540℃，保溫20min，白口數(shù)基本不變)。由此可見。生鐵中的碳極易熔解成碳原子。白口傾向大；增碳劑擴(kuò)散較為緩慢，可作為“長效孕育劑”；中頻電爐爐料配比中增加增碳劑比例可增加非均勻形核核心數(shù)，進(jìn)而為細(xì)化石墨打下堅實基礎(chǔ)。因此，建議爐料配比為：生鐵％≤5％，廢鋼％≥60％．回爐料％≤35％，增碳劑％≥1．8％。
就細(xì)化石墨而言。中頻電爐熔煉控制的重中之重是控制增碳劑的核心作用，由于增碳劑擴(kuò)散較為緩慢，針對增碳劑，熔煉中應(yīng)堅持“前期促溶解，后期防過熱”的原則．即在加料前期隨廢鋼加入增碳劑。在廢鋼的低碳環(huán)境中促進(jìn)增碳劑的擴(kuò)散、吸收，成分調(diào)整結(jié)束后應(yīng)及時出鐵及避免高溫保持時間過長，減少作為核心的增碳劑過熱成晶胚乃至碳原子的傾向。需特別注意的是：①前期加入高比例增碳劑時應(yīng)至少分3批、均勻加入，避免增碳劑積聚爐壁造成爐襯侵蝕；②配料中應(yīng)使C走上限或超過控制范圍0．05％，通過加廢鋼減低C至目標(biāo)范圍，否則，因C低需加增碳劑時，為使增碳劑較好擴(kuò)散、溶解。避免大尺寸增碳劑產(chǎn)生粗大石墨，需進(jìn)行多次倒包及較高溫度保持，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率；③后期應(yīng)嚴(yán)格控制出鐵溫度小于1530℃(小于l520℃最佳)。
中頻電爐熔煉原鐵液較沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉有以下差異：①沖天爐熔煉的鐵液中，氧含量為0．004％～0．006％．無芯感應(yīng)電爐熔煉的鐵液氧含量在0．002％左右，有時還會更低些【；②后者，中頻電爐爐內(nèi)熔化帶的溫度也在1700℃以上[”，爐料的不良遺傳性得以消除，同時沖天爐的冶金效果較強(qiáng)，鐵液較為純凈；電爐熔煉鐵液最高過熱溫度為1550℃，爐料的不良遺傳性很難消除。同時中頻電爐具有強(qiáng)烈的攪拌作用，中頻電爐爐渣極易附著在爐襯表面，即便通過高溫靜置，也難以完全使其快速上浮，純凈度較沖天爐熔煉差。關(guān)于鐵液中O、S、Mn、C成分的主要控制如下。
灰鐵中作為石墨核心的硫化物一氧化物的中心為氧化物(球鐵石墨核心構(gòu)成剛好相反)，在較低0條件下硫化物夾渣缺陷增多。為此，當(dāng)然可以選擇含氧化物的預(yù)處理劑進(jìn)行鐵液增氧處理。但顯著增加成本；爐料少量銹蝕也能增氧，但風(fēng)險較大，易失控；后期或可進(jìn)行鐵屑壓塊(高氧含量)試驗，降低爐料成本的同時對鐵液進(jìn)行增氧。
S、Mn元素均為反石墨化元素，Mn具有一定的合金化作用，但兩者易生成硫化錳，高氧條件下可作為石墨形核的基底，低氧環(huán)境下則易形成硫化錳夾渣。資料顯示，在現(xiàn)生產(chǎn)碳當(dāng)量條件下，硫化錳析出的成分條件為：S=0．1％、Mn=0．6％，且兩者成反比關(guān)系，即硫量越高時，少量的錳即可生成硫化錳。從減少硫化錳夾渣的角度，應(yīng)控制硫量小于0．1％．這樣允許存在的錳量高些。但實際操作則發(fā)現(xiàn)，若不能充分發(fā)揮S的作用，很難同時實現(xiàn)高性能、低漏水率。原因如下：實現(xiàn)高性能的關(guān)鍵是細(xì)化石墨，增加核心，但同時需實現(xiàn)低漏水率時，必須控制石墨的前期生成速度(前期的石墨析出膨脹對解決縮松無效)圓。因此，在不生成硫化錳的前提下，適當(dāng)提高硫含量，除了能抑制無效石墨膨脹．還能顯著增加核心。
關(guān)于C控制，可結(jié)合增碳劑加入量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過近500組數(shù)據(jù)對“拉伸強(qiáng)度．C”、“性能一增碳劑比例”進(jìn)行線性回歸計算(如圖1、圖2)顯示，性能與C負(fù)相關(guān)很強(qiáng)．與增碳劑正相關(guān)很強(qiáng)，另就典型數(shù)據(jù)源進(jìn)行歸納計算，可得出性能(y)與C、增碳劑()加入量的經(jīng)驗公式：Y=364．8+3．88~(10T一13．33C)，MPa。為此，當(dāng)需要提高鐵液流動性、減少縮松而需提高C時，可通過調(diào)整爐料配比、增碳劑加入量對試驗C進(jìn)行設(shè)計。
中頻爐熔煉優(yōu)質(zhì)成本低、高強(qiáng)度灰鑄鐵，控制機(jī)體組織、石墨大小是關(guān)鍵。另外，現(xiàn)實生產(chǎn)中，總難免性能的波動，因此，除了提高技術(shù)水平、穩(wěn)定工藝、控制生產(chǎn)成本外，穩(wěn)定車間操作質(zhì)量顯得格外重要，高質(zhì)量的生產(chǎn)過程控制不僅能減少質(zhì)量波動、批量事故，更能為熔煉技術(shù)的不斷提高提供可信的實踐數(shù)據(jù)。
2012年8月，無錫一汽鑄造有限公司(簡稱“錫鑄”)完成了新工廠的整體搬遷工作，熔煉方式由老廠沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l爐熔煉，如此轉(zhuǎn)變給熔煉工作提出了挑戰(zhàn)。中頻爐熔煉中。原鐵液中硫含量較低，即主要反球化(蠕化)元素含量低．因此，對處理蠕鐵、球鐵有明顯的優(yōu)勢。但灰鐵則不同，原鐵液因不同加料工藝、不同配比等因素導(dǎo)致的不同鐵液特性，對抗拉強(qiáng)度有大的影響。對于灰鐵，經(jīng)過低合金化后，其珠光體數(shù)量基本一致(≥95％)，若細(xì)化珠光體片間距則需增加更多細(xì)化奧氏體枝晶的合金元素Mo、Cr等，由此提高抗拉強(qiáng)度，但此法不僅增加生產(chǎn)成本，而且需承擔(dān)細(xì)化奧氏體枝晶后帶來的鑄件縮松后果，另需額外增加高強(qiáng)孕育成本，而細(xì)化石墨控制相對性能的提高更加有效且成本較低。本文針對中頻爐熔煉中，提高柴油機(jī)HT250、HT300缸蓋(六缸，四氣門、兩氣門)抗拉強(qiáng)度，談一些心得與體會，與同行交流。
中頻爐雖不如工頻爐攪拌能力強(qiáng)，但較多夾渣的原輔材料加人電爐后，附著爐壁(或侵蝕爐襯)及存在于鐵液中的低熔點夾渣概率依然較大，后續(xù)熔煉過程中需進(jìn)行高頻率、高效的挑渣，如：多次高溫靜置，并及時進(jìn)行挑渣，直至靜置后期電爐表面無新增浮渣，如此將大大增加了鐵液在電爐中的保持時間、勞動成本、勞動強(qiáng)度及能耗，同時降低生產(chǎn)效率；另，人工高頻率、高效挑渣對生產(chǎn)車間的操作質(zhì)量提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為此，使用較多夾渣的原輔材料在很大程度上影響了鐵液的純凈度．輕則細(xì)小夾渣割裂鑄件基體，降低抗拉強(qiáng)度，重則直接導(dǎo)致鑄件夾渣、縮松缺陷而報廢.
常見原輔材料不純表現(xiàn)為：①廢鋼銹蝕、夾渣；②回爐料粘砂、銹蝕；③生鐵銹蝕；④硫化鐵夾渣。為此建議：①選用單一品種廢鋼，室內(nèi)堆放、加工廢鋼；②回爐料處理、轉(zhuǎn)運進(jìn)行防水(雨)處理，滾光(拋丸)徹底，杜絕回爐料有粘砂、粘渣；③生鐵轉(zhuǎn)運、堆放進(jìn)行防水(雨)處理；④硫化鐵選用優(yōu)質(zhì)礦源材料經(jīng)高純提煉至低品位的產(chǎn)品，減少熔煉增渣。
鑄件得到細(xì)小石墨，需建立在一定的相對高碳當(dāng)量前提下，一般CE范圍為3．8％～3．9％，其主要控制思路為：鐵液中有足夠多的長效核心，且鐵液在凝固初期石墨生長速度緩慢，迫使石墨在凝固后期長大，細(xì)化石墨的同時減少鑄件縮松傾向(減少漏水率)。
生鐵、增碳劑均含碳，碳在熔煉過程中隨著溫度的升高、時間的延長，或擴(kuò)散、分解或溶解，在出鐵處理前，原鐵液中碳的存在形式主要為細(xì)小的石墨顆粒及碳原子。細(xì)小的石墨顆粒可直接作為石墨析出的非均質(zhì)形核核心，碳原子是石墨析出的溶質(zhì)。即不做任何處理，原鐵液已初具石墨析出、長大的條件。從細(xì)化石墨的角度考慮。原鐵液中不希望出現(xiàn)過多的碳原子，這勢必減少石墨的核心數(shù)。由于碳原子在冷卻過程中更易形成能量更低的滲碳體，為此筆者將相同成分不同爐料配比的鐵液進(jìn)行三角試塊白口比較，結(jié)果為：生鐵比例越高白口傾向越大：增碳劑比例越高，白口傾向越小，且隨時間延長白口數(shù)增長緩慢(增碳劑比例大于2．2％、一次升溫至1540℃，保溫20min，白口數(shù)基本不變)。由此可見。生鐵中的碳極易熔解成碳原子。白口傾向大；增碳劑擴(kuò)散較為緩慢，可作為“長效孕育劑”；中頻電爐爐料配比中增加增碳劑比例可增加非均勻形核核心數(shù)，進(jìn)而為細(xì)化石墨打下堅實基礎(chǔ)。因此，建議爐料配比為：生鐵％≤5％，廢鋼％≥60％．回爐料％≤35％，增碳劑％≥1．8％。
就細(xì)化石墨而言。中頻電爐熔煉控制的重中之重是控制增碳劑的核心作用，由于增碳劑擴(kuò)散較為緩慢，針對增碳劑，熔煉中應(yīng)堅持“前期促溶解，后期防過熱”的原則．即在加料前期隨廢鋼加入增碳劑。在廢鋼的低碳環(huán)境中促進(jìn)增碳劑的擴(kuò)散、吸收，成分調(diào)整結(jié)束后應(yīng)及時出鐵及避免高溫保持時間過長，減少作為核心的增碳劑過熱成晶胚乃至碳原子的傾向。需特別注意的是：①前期加入高比例增碳劑時應(yīng)至少分3批、均勻加入，避免增碳劑積聚爐壁造成爐襯侵蝕；②配料中應(yīng)使C走上限或超過控制范圍0．05％，通過加廢鋼減低C至目標(biāo)范圍，否則，因C低需加增碳劑時，為使增碳劑較好擴(kuò)散、溶解。避免大尺寸增碳劑產(chǎn)生粗大石墨，需進(jìn)行多次倒包及較高溫度保持，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率；③后期應(yīng)嚴(yán)格控制出鐵溫度小于1530℃(小于l520℃最佳)。
中頻電爐熔煉原鐵液較沖天爐一電爐雙聯(lián)熔煉有以下差異：①沖天爐熔煉的鐵液中，氧含量為0．004％～0．006％．無芯感應(yīng)電爐熔煉的鐵液氧含量在0．002％左右，有時還會更低些【；②后者，中頻電爐爐內(nèi)熔化帶的溫度也在1700℃以上[”，爐料的不良遺傳性得以消除，同時沖天爐的冶金效果較強(qiáng)，鐵液較為純凈；電爐熔煉鐵液最高過熱溫度為1550℃，爐料的不良遺傳性很難消除。同時中頻電爐具有強(qiáng)烈的攪拌作用，中頻電爐爐渣極易附著在爐襯表面，即便通過高溫靜置，也難以完全使其快速上浮，純凈度較沖天爐熔煉差。關(guān)于鐵液中O、S、Mn、C成分的主要控制如下。
灰鐵中作為石墨核心的硫化物一氧化物的中心為氧化物(球鐵石墨核心構(gòu)成剛好相反)，在較低0條件下硫化物夾渣缺陷增多。為此，當(dāng)然可以選擇含氧化物的預(yù)處理劑進(jìn)行鐵液增氧處理。但顯著增加成本；爐料少量銹蝕也能增氧，但風(fēng)險較大，易失控；后期或可進(jìn)行鐵屑壓塊(高氧含量)試驗，降低爐料成本的同時對鐵液進(jìn)行增氧。
S、Mn元素均為反石墨化元素，Mn具有一定的合金化作用，但兩者易生成硫化錳，高氧條件下可作為石墨形核的基底，低氧環(huán)境下則易形成硫化錳夾渣。資料顯示，在現(xiàn)生產(chǎn)碳當(dāng)量條件下，硫化錳析出的成分條件為：S=0．1％、Mn=0．6％，且兩者成反比關(guān)系，即硫量越高時，少量的錳即可生成硫化錳。從減少硫化錳夾渣的角度，應(yīng)控制硫量小于0．1％．這樣允許存在的錳量高些。但實際操作則發(fā)現(xiàn)，若不能充分發(fā)揮S的作用，很難同時實現(xiàn)高性能、低漏水率。原因如下：實現(xiàn)高性能的關(guān)鍵是細(xì)化石墨，增加核心，但同時需實現(xiàn)低漏水率時，必須控制石墨的前期生成速度(前期的石墨析出膨脹對解決縮松無效)圓。因此，在不生成硫化錳的前提下，適當(dāng)提高硫含量，除了能抑制無效石墨膨脹．還能顯著增加核心。
關(guān)于C控制，可結(jié)合增碳劑加入量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過近500組數(shù)據(jù)對“拉伸強(qiáng)度．C”、“性能一增碳劑比例”進(jìn)行線性回歸計算(如圖1、圖2)顯示，性能與C負(fù)相關(guān)很強(qiáng)．與增碳劑正相關(guān)很強(qiáng)，另就典型數(shù)據(jù)源進(jìn)行歸納計算，可得出性能(y)與C、增碳劑()加入量的經(jīng)驗公式：Y=364．8+3．88~(10T一13．33C)，MPa。為此，當(dāng)需要提高鐵液流動性、減少縮松而需提高C時，可通過調(diào)整爐料配比、增碳劑加入量對試驗C進(jìn)行設(shè)計。
中頻爐熔煉優(yōu)質(zhì)成本低、高強(qiáng)度灰鑄鐵，控制機(jī)體組織、石墨大小是關(guān)鍵。另外，現(xiàn)實生產(chǎn)中，總難免性能的波動，因此，除了提高技術(shù)水平、穩(wěn)定工藝、控制生產(chǎn)成本外，穩(wěn)定車間操作質(zhì)量顯得格外重要，高質(zhì)量的生產(chǎn)過程控制不僅能減少質(zhì)量波動、批量事故，更能為熔煉技術(shù)的不斷提高提供可信的實踐數(shù)據(jù)。
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