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感应炉熔炼铁液的15个常见问题布控

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感应炉熔炼铁液的15个常见问题布控

发布日期:2015-11-24 作者: 点击:

一、感应炉铁液质量控制的四个方面

 


人们常说:“成分决定组织,组织决定性能。”这句话大体上是对的,但不够全面。因为,过去一提化学成分,往往只是5元素和合金元素;除了成分因素外,结晶的控制对组织的形成亦很重要,比如与铸铁壁厚、铸型条件有关的冷却速度,结晶核心的预设,石墨形态的走向等等。把冷却速度的外因放在一边,铸铁熔炼方面应着力做到化学成分准确、铁液干净、干扰元素少和石墨核心有布控等四个方面。

 


1.铁液化学成分要准确稳定


把铸造做强,提高铸件的国际竞争力,赢得铸件定价的话语权,性能稳定达到客户的要求非常重要。一时一事把化学成分做准,不算本事,始终准确,稳定生产才有水平。

感应炉比冲天炉的烧损少的多,但毕竟有烧失。应当尽量减少烧损,并减少烧损波动的因素。

要特别提醒几点:

(1)净料入炉最好,炉料又脏又杂是大忌。

(2)采用比功率大的炉子,并辅以合理的装料投料操作,以实现快速熔炼。缩短熔解期,并防止炉底过热尤其重要,因为氧化主要在铁料的熔解阶段。

(3)铁液过度过热,分次出铁和浇铸拖沓都会引起成分的波动。

(4)在弄清各种炉料成分的基础上,要仔细计算配料。配料时务必把熔炼后期因“自沸腾”而引起的脱C量和增Si量考虑在内。

 


2.净化铁液


净化铁液是指排除铁液中的非金属夹杂物和气体。

借电磁搅拌和“自沸腾”,感应炉有较好的排渣除气作用。如果炉料比较干净,又认真用除渣剂清渣,清除非金属夹杂物不成问题,有无非金属夹杂物从显微检验中也容易发现。H、O、N气体就不那么直感了。但其中溶解H,即[H],只要熔炼后期所用辅料不是潮湿的,[H]不会成问题,可保证[H]<2ppm。铸件中产生针孔,是由铸型或浇包中的水分造成的,不是[H]的过。熔炼中、后期由于[O]和[FeO]被C还原,感应炉铁液中的氧并不多。在生产灰铸铁时,有时甚至还要设法增O。所以除气实际上是除N的问题。

随着我国废钢积存量的增加,感应炉中废钢用量必然增加。多用废钢,不但降低炉料成本,还可以提高铸铁性能,一举两得。废钢的含N量高,此外多用废钢少用生铁,必然要用增碳剂增C,增碳剂又会带来一些N。所以[N]可能超标(如薄壁件>100ppm,厚壁件>80ppm),致使铸件中产生裂隙状气孔,对性能的稳定性也不利。所以不要用含N高的废钢和增碳剂,必要时除N需要采取附加措施,如吹Ar。个别工厂借用铸钢经验,用LF炉精炼,生产纯净的高端铸件。如果[N]不是很高,又无妨于机加工性能,则加Ti等使[N]生成TiN等,进行固N处理,则是最简捷的办法。

 


3.控制有害微量元素


有害微量元素是通过异化石墨形态,产生脆性相和影响基体组织等而起不利作用的,它们主要由某些地方生铁和废钢带来。控制有害微量元素的办法,一是把好炉料关,防止有害元素混入。二是采用铸造用高纯生铁,稀释有害微量元素含量。

 


4.石墨核心的布控


众所周知,感应炉铁液的过冷倾向大,因此白口倾向大,收缩倾向大,影响切削加工性能。追根溯源是感应炉的熔炼时间长,使生铁及回炉料中带来的石墨,残存少或全部消溶了,而铁液中某些SiO2之类可作为石墨外来核心的数量又不足,导致铁液过冷倾向增大。

解决的办法有两个方面。一方面是快速熔炼,特别是占熔炼时间70%的化清过程要快。后期过热温度不要过高(一般视不同情况取1490~1540℃),保温时间不要过长。目的都是为了多保留些炉料中的细微石墨。另一方面更重要,就是如何用好增碳剂。前已述及,感应炉用了较多废钢是需要增C的,应选用晶型好的石墨增碳剂。如果增C量大,可以搭用一部分碳素增碳剂,在装料期加,但一定要留一些石墨型增碳剂在化清后加。冶金型SiC,可以增C增Si,并起到石墨形核的作用。在国际上SiC是很受推崇的预处理剂。

以上是炉内石墨核心布控的思路,至于炉外的各种处理则另当别论了

 


二、感应炉熔炼中15个常见问题及对策

 


感应炉工作中出现的问题很多,以下仅就若干常见问题作一介绍。

 


1.元素烧损偏大

 


感应炉中Si、Mn、Cr等易氧化元素的烧损,多在3%~5%。烧损超值,铸铁化学成分波动,必然要引起一系列的组织和性能问题。元素烧损大,一般发生在熔清时间过长,又未注意造渣保护的时侯。若废钢用量大,轻薄料多,炉料带水带锈,问题更是加重。避免元素烧损过大的办法是:

(1)炉料尽量干净,形状不要枝叉,尺寸不能过大、过薄。

(2)杜绝架料,并创造一切能快熔的条件。

(3)熔炼前期要及时造渣,后期高温下有熔渣覆盖。充分发挥熔渣的保护作用。

(4)如果工厂有切屑要利用,炉底可铺一些,熔清向熔池分批添加一些。

 


2.铁液中O偏高


感应炉没有冲天炉的氧化性气氛,而且由于铁液中的[O]和[FeO]与[C]产生反应,使Fe受到了C的保护,铁液中的溶氧是不多的。可是熔炼后期为了促使增C剂溶吸,常调低电频率以加强熔池搅动。如果“驼峰”过高,调频时间过长,铁液与大气接触几率增加,被离解的O离子将进入铁液。熔炼后期添加料未经烘烤,也会使[O]、[H]增加。近期,有业内人士提出:在1500℃以上保温,[O]不会降低,而是提高的观点,可供参考。防止O偏高的办法是:

(1)熔炼后期调频不要过度。

(2)后期不要使用潮湿的物料和工具。

(3)过热温度不要过高,切忌高温下长时间保温。

 


3.铁液C量低于预期


铁液温度超过平衡温度,反应SiO2+2C=Si +2CO向右进行,造成铁液降C增Si。所以配料时不能忘了补C。要掌握本厂的降C量,把C量如数补足。还要提醒一点,灰铸铁后期调整成分,要采取先Mn再C后Si的顺序。

 


4.铸件机加工后,发现有裂隙状气孔


裂隙状气孔是N气孔的特征。当[N]超限时容易发生,铁液中非金属夹杂物多,发生的几率更高。“病从口入”,所以要限制电弧炉废钢用量,电弧炉废钢的[N]高,而转炉废钢则不然。更要防止混入含N高的废合金钢料,如高锰钢、耐热的高铬铁素体钢和铬锰氮钢,以及奥化体钢等。当然这些合金钢带来的Mn、Cr、N、Ni对于铁素体球铁也是忌讳的。不同增C剂的含N量差别很大,煅烧石油焦的N量要比人造石墨增C剂高出许多,取某两种产品比较其含N量,前者为500ppm,后者仅为20~25ppm。SiC含N量比人造石墨的还少,用之也是放心的。若发现铁液中N量高,应当机立断,用Ti(Fe)、Al、Zr(Fe)等进行固N处理。

必须说明,裂隙状气孔当然要防,但并不是N越低越好。对于灰铸铁,N可缩短石墨长度,有使石墨端部圆滑的趋势,N溶于固溶体可促使珠光体细化,并增加珠光体数量。N还有孕育作用,促进石墨化。因此,可溶性N对灰铸铁有利用价值。在美国GE特殊合金灰铸铁的技术要求中,规定N量在60~120ppm,Ti要限制在0.025%以下。埃肯公司在谈到汽车行业中灰铸铁时,认为[N]的理想含量是95~160ppm,并指出不要用Ti、Al、Zr进行固N。

 


5.灰铸铁孕育效果不佳


在一些工厂,灰铸铁孕育效果不好,即使多加孕育剂亦无济于事。这与感应炉铁液中的O、S含量低有关。不同资料,数据虽有出入,但很接近:[O]<10ppm,<15ppm,在20ppm左右;[S]<0.06%,<0.05%,在0.02%~0.04%。基本的解决办法是用FeS系增S剂,把S提高至0.07%~0.10%。少数工厂后期还加增O剂,例如用海绵铁或烧结铁或切屑,使[O]达到30ppm以上。亦有工厂使用氧硫孕育剂。这些方法无非是生成氧硫化物,起石墨核心的作用。必须指出,在低S铁液中,形成了的石墨是比较容易消失的。这恐怕也是低S灰铸铁铁液“孕育不上”的一个原因。

关于MnS,长期以来,常说MnS是石墨的核心。然而人们在显微镜下观察,不乏淡灰蓝色的MnS质点。因此MnS是否是石墨核心,在什么条件下才能成为核心,需要实证。况且,灰铸铁中常有0.6%~1.2%的Mn,增S至0.07%~0.10%,这点S是远不足以满足Mn=1.73S的平衡需要的。显然该S不是为了去平衡Mn,不是为了生成简单的化合物MnS去起什么核心作用,S与O只有与更活泼的元素,如Ba、Ce、Zr、Al等一起生成硫氧化合物,才能起到石墨的外来核心作用。

 


6.球墨铸铁球化等级波动大

 


某厂球墨铸铁的球化等级出现较大波动。经分析检查,原铁液S为0.01991%、0.02872%、0.02399%、0.02660%、0.03338%、0.03885%、0.01559%,含量起起伏伏,球化自然不稳定。只有加强管理,稳住了原铁液S含量,球化等级才可能稳定。

笔者了解到一个乡镇企业,原来用冲天炉生产低铬磨球,后来改用感应炉,低铬磨球照干,又接了球墨铸铁任务。但炉子合用,既不分用炉体,又不懂得洗炉。球化反应,光烟俱有,液面亦窜“火苗”,但浇出的铸件有碳化物,石墨球稀少,基体组织面目全非。经整顿,严格炉料管理,灰铸铁和球墨铸铁的回炉料不再相混,分炉体熔炼,问题就解决了。

 


7.石墨球数较少,球径大小不匀

 


有球状石墨,说明残留Mg量没问题。毛病出在孕育不好或孕育衰退,如果铸件未产生白口,说明孕育差距尚不大。从熔炼而言,应该使用人造石墨增C剂布控好石墨核心。业内人士推荐SiC比人造石墨更好。并指出SiC质轻,易上浮,且表面有SiO2膜阻隔,影响溶解。因此,SiC在加料期加为好。如果以喂丝法处理,孕育务必要在球化结束后,稍滞后进行,以免孕育加速衰退。

常常有人问到,石墨球数以多少为合适。在球墨铸铁标准中,对石墨球数未作规定。根据石墨大小6级推算,大体球数>150个/m㎡。ADI的工艺控制中规定石墨球数不低于100个/m㎡。

说到石墨增C剂,是容易从直觉上与碳素增C剂相区别的。但近年来发现,直觉判断为石墨增C剂,但使用效果却不好。看来,今后制定增C剂标准需要仔细推敲。

 


8.铸件切削加工性能不好

 


切削加工性能是一个复杂的命题,涉及被加工对象,刀具,切削工艺参数和操作者对加工性能优劣的认知等。仅就铸铁而言,切削加工性不好,可能是多方面的原因:①有自由渗碳体。②有硬质点(如磷化物,钛化物...)。③有未熔尽的FeSi。④铁素体球墨铸铁中残留珠光体量多。⑤在热节处因RE偏聚引起的反白口,不一而足。读者利用基本的专业知识,对症下药,即可药到病止。

 


9.光谱分析,残Mg量在0.06%以上,但铸件并无白口


一般中等壁厚件,残Mg量在0.035%~0.045%即可球化。光谱分析出残Mg量在0.06%以上,金相检验又无白口,说明该厂光谱分析出了问题。光谱分析一定要经常用标样校正,用化学分析法作比对。光谱分析样的制备和打磨要认真按规程去做。Mg,以及P、C和S对操作手法很敏感,不可大意。

 


10.球墨铸铁的冲击韧度低

 


铁素体球墨铸铁和等温淬火球墨铸铁中的QTD800-10R(需方有要求时)对V型缺口试样的最小冲击功有规定。若冲击功达不到要求,必须报废。确定他们的化学成分很关键。以铁素体球墨铸铁中的QT350-22L和QT400-18L为例,要求低P低Mn,并对Si量作相应的限制。这些专业性问题,在此从略。从熔炼角度看,应:①选用碳素废钢,并使用一定量的铸造用高纯生铁。②按照上述的提示,作好铁液质量控制的四方面工作。③把炉前处理作好。这样即可防患于未然。

 


11.出现不明原因的毛病

 


有时候,觉得生产中啥也没变,铸件却出了毛病。怎么去深入找原因?建议运用先进的检测手段,比如用光谱仪查微量元素,用氧氮仪测总氧和总氮,用能谱分析作相成分,用X射线衍射作结构分析等。本厂若做不了,应委托有关单位去做。然后请专家一起进行诊断。

 


12.熔炼时间长,电耗高

 


熔炼时间长,电耗高,通常是感应炉先天不足造成的。进入21世纪,中频感应炉发展很快。随着可控硅技术和电力电容器技术的发展,串联节能型中频炉异军突起;“可控硅串联的一拖二运行”理念深入人心。球墨铸铁吨电耗可低于570kW?h。而传统并联中频炉,吨电耗在800 kW?h以上。

调查发现,有的企业从变电站到中频电源,再经过铜排及电缆到炉体系统,每一环上都有无谓的电能浪费。亟须通过技术改造,节能增效。笔者对“电“不甚了了,铸造厂可找供应商作更新改造,亦可以在原有并联设备的基础上请其作专项改进。

 


13.炉子小毛病不断

 


炉子的小毛病都出在电气系统和机械系统的零配件上面。购炉子不能贪图便宜,购炉时要了解供应商的资质和口碑。一流的供应商会根据铸造厂的情况,提出详细的项目书,其中对电源部分、炉子部分和选购部分列有清单,对外构件及辅机配套厂也有明白的交代。三流的供应商往往除炉子本体自制外,其余是串组起来的。与他们打交道,购货要注意细节。要问清楚可控硅、控制板、集成块、元器件、绝缘材料以及缸泵的来源,还要检查线圈水循环系统的接头是否可靠、水温能否巡查报警、有无漏电报警,电路系统是否防结露等等。以上各点有所疏忽,炉子工作起来就会频繁出毛病,耽误生产,带来经济损失。

 


14.炉龄低

 


熔炼灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁采用酸性炉衬材料,由石英岩破碎过筛后的石英砂为其骨料。石英岩遍布全国各地,但由于地质年代和成矿条件的不同,质地并不相同。精制石英砂应该:①SiO2含量大于98%。②伴生碱性金属氧化物小于0.2%,Fe2O3小于0.5%,Al2O3小于0.5%。。③地质年代久远。此种石英的晶格完整,缺陷少,晶粒均匀。

炉衬质量事关炉龄和生产安全性,也影响铁液的纯净度和产量,千万不要捡便宜的买。有次行业活动中,有人问:“加硼酸干啥?加多少合适?”我反问他,炉子大小和铸件产品情况。他答不上来,这才知道他是卖炉衬材料的。炉衬材料市场门槛低,胆大的,配配料,弄个像样的包装,就可堂而皇之叫卖了。所以,我主张,如果想把你的铸造厂搞长久搞好,应该上网搜一搜,找好的公司,它们的产品粒度有合理级配,矿化剂用量会根据用户实际情况进行调整,对烧结和养护能提供技术支持。必须指出,第一炉铁液的液面位置、最高温度和保持时间等对炉龄很重要。烧结温度应高于1550℃,以保证烧结层中石英完成方石英化。液面应处于炉口高度附近,使坩埚内表面上下烧结一致。

 


15.大象脚

 


所谓大象脚是指坩埚内腔底部,有一圈向内凹陷,呈大象脚状。它是熔化期架料,底部熔池过热,使炉衬中的SiO2与铁液中的C反应,造成该处炉衬严重侵蚀所致。炉子容量大,炉子底部所受的铁液静压力大,更容易出现大象脚。

对策如下:

(1)不许胡乱加料,不许用大料,不许用整个废铸件。

(2)勤通料,助炉料下行。

(3)发现有大象脚倾向,应及时进行修补。


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