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市场行情

废钢加增碳剂熔炼球铁,看人家怎么做

2015-05-28 15:05:49.0 来源: 浏览量:0

受焦炭价格不断上升、环保以及用户对铸件质量要求越来越高等因素的影响,电炉在很多地方已经取代了冲天炉。又由于生铁价格的不断上升,废钢在社会上沉淀存留量较多而价格较低,所以这几年广泛的用废钢加增碳剂的方法生产球铁及灰铁。如果工艺操作正确,不但可以提高铸件的综合物理性能质量,同时也降低了生产成本。

用电炉冶炼废钢加增碳剂生产铸铁件,尽管电炉便于化学元素含量的调整,而且主要元素可以调整到材质要求的范围之内,但是如果不采取有效的处理手段,生产出铸件的质量,确与用冲天炉生产出的铸件质量有较大差异。最主要的不同之处就是:用电炉熔化的铁液,无论是废钢加增碳剂或者是用铁屑作炉料,生产出的铸件白口倾向大,硬度高而精加工困难。本文就此谈谈自己的实践体会和认识。

一、冲天炉和电炉熔炼出铁液质量的不同之处

1.冲天炉熔炼的铁液

冲天炉是用焦炭作燃料,将固体的铁块和其它炉料,经过预热、熔化、过热、还原,最后铁液经炉底流入前炉缸,所经历的时间很短,大约10min左右,铁液往往要在前炉缸中停留一段时间,在这段停留时间里,对金属液的增核是有利的。虽然冲天炉的出炉温度一般在1450℃左右,但是铁液经过过热区的瞬间,炉温约1700℃,尽管铁液通过过热区的时间很短,却是以细小液滴通过的,能得到高温过热,有助于石墨溶于铁液,消除新生铁中粗大石墨片的遗传性。铸铁中的主要元素碳,在熔炼过程中有一个烧损和吸收的减增过程,由于铁液滴在灼热的焦炭上,铁液就吸收了焦炭中的碳原子,所以在整个熔化过程中,碳的吸收大于烧损,最终含碳量是增。同样铁液也会从焦炭中吸收部分硫。

在压球化剂作球化处理之前,都要先烫包。由于冲天炉的熔化速度快,当第一包球铁浇注完毕后,再处理下一包时,包内温度还很高,铁水倒入浇包内降温少,所以再进行球化处理时,出炉温度与电炉相比较可以稍低些,对球化处理质量(球化剂的熔化及吸收、浇注温度),影响不大或没有影响。用电炉熔化铁液,每炉熔化间隔时间约50~60min,有时间隔的时间可能会更长些,浇包散热时间长,包内温度低,经球化处理后,包内铁水温度约下降80℃,冬天温度下降的可能会更多,所以用电炉熔化铁液处理球铁时,出炉温度要比冲天炉的温度高些。

2.用电炉熔炼铁液对材质性能的影响

我们知道用电炉熔炼炉料,是由感应圈经导电产生磁场,在炉料中产生电涡流,由电涡流发热藉以熔化炉料。

(1) 对“自发晶核”的影响

废钢的熔点比铸铁高,增碳剂的熔点更高,当废钢在熔化过程中以及熔化之后,增碳剂被加热缓慢的溶解和扩散,增碳剂中的碳才能被钢液侵蚀吸收。钢液逐渐的变成铁液,即常称之为“合成铸铁”。由于废钢熔化温度高,钢液变成铁液之后的过热温度往往就高。在高温下,铁液中的碳易于被氧化成CO,因此有人认为铁液中的碳也是一种“气体形成元素”。CO在铁液中的溶解度很少,形成后即释放于邻近液面的大气中。在生产实践中我们会发现,当高温钢液倒入抬包后,抬包中有放射状火花飞出(俗称贼花),即可能是高温氧化的释碳现象。

电炉在熔炼铁液过程中,具有电磁搅拌摩擦的特性。铁液过热温度高、过热时间长、且又有感应电流的搅拌摩擦,铁液中微细的晶态石墨即自发晶核和外来结晶核心,都会逐渐溶于铁液而消失;或浮经液面与集渣剂粘裹在一起被挑出炉外。这样,使铁液中可在共晶结晶时作为石墨外来晶核的物质大幅度减少。

硫在铸铁中,尤其是在球墨铸铁中是有害元素。但有资料介绍:当含硫量小于0.06﹪时,硫的一些有益作用就无法得到发挥。在铸铁中存在有细小而分散的硫化物夹杂,能在石墨的生核和成长中起积极而有益的作用。用感应电炉熔炼废钢加增碳剂的合成铸铁,其最终含硫量一般不会超过0.03%的。如果原铁水的含硫量过低,球化剂中的镁就无从与硫化合,过多的残余镁量不但阻碍石墨化,而且还会使铸件产生缩孔、气孔等铸造缺陷。如果减少球化剂的加入量,综合考虑又恐会影响到球化率。

合成铸铁在感应电炉中,因含硫量过低、过热温度高、电流的搅拌摩擦等因素影响,铁液中石墨化的核心大幅度减少。这种缺乏石墨化结晶核心的铁液,过冷度很大,对孕育处理的回应能力极差,很难通过常规孕育处理措施,使铸铁具有符合要求的微观组织。因而即使化学成分含量完全符合要求,往往浇注出的铸件硬度高,不便于机械加工。有资料介绍:硫从0.02%增加到0.06%,抗拉强度增加50MPa以上,即可提高一个牌号以上,硬度值即可增加HB20。进一步增加硫到0.1%,强度值和硬度值变化不大,有此可见在灰铸铁中,硫控制在0.06~0.1%为宜(我厂生产的汽车制动鼓,材质是HT250,硫控制在0.07~0.09%).

顺便也谈谈用电炉熔炼“铸铁屑”,即便熔炼的铁屑干净无锈蚀,不需要高温,过热温度并不是很高,但是由于电磁搅拌的摩擦作用以及碳、硅的烧损,如果浇注前不进行元素调配和采取有效的孕育措施,生产出的铸件同样是硬度高。

(2)用应电炉熔炼对提高材感质质量的影响

①感应电炉熔炼,铁水温度可升以提到1570℃以上,并可以在高温状态下长时间的保温,在该温度下,可以使原材料带入的夹杂物,以及在熔炼过程形成的夹渣及夹杂物上浮至铁液表面。对于废钢+增碳剂、尤其是粒子钢+废钢+增碳剂+回炉料,这些炉料无论是废钢、粒子钢或者是粒子铁,大都是白口组织,白口组织具有较强的遗传性,要消除遗传性就需要适当的提高熔化温度,增加保温时间,才能够比较好的净化铁液,减少铸件缺陷。

②合金元素烧损量低,铁水中锰、硅的烧损低于冲天炉熔炼。便于各元素的调控,能够稳定化学成分含量。

③生产球墨铸铁时,含硫量过高将会直接影响到球铁的质量。如球化级别低下、材质强韧性差、铸件有夹渣等铸造缺陷。用电炉熔炼铸铁时不存在有增硫反应。

④用废钢+增碳剂生产合成铸铁,由于废钢的夹杂物含量低,成分稳定,加增碳剂经高温熔炼之后,消除了炉料的遗传性,铁液的纯净度得到提高,同时增碳剂具有孕育作用,促使石墨化的效果更加稳定突出,铸件的基体组织晶粒会更加均匀、细化,所以生产出铸件材质的韧性和强度均得到提高。

二、扬长补短、优化操作程序

用废钢生产球墨铸铁的优点前面已谈,就不再赘述。

用电炉熔炼废钢(铁屑)+增碳剂生产球墨铸铁,欲想稳定产品质量,需要补的“短”,主要是解决金属液在凝固结晶时,自发晶核少、铁液过冷度大、石墨化能力差、铸件硬度高而不便于机械加工的问题。具体的“补短”操作方法是:

①在冶炼后期要注意“自发晶核”的培养。加入适量的废钢使铁液激冷,同时适量的加入硅铁以及细颗粒的增碳剂,上面覆盖保温剂,降低功率或停电保温一段时间,以促使析出微细的晶态石墨。

②在出炉或浇注过程中,进行充分的多次孕育处理,以补充“外来晶核”,可以添加小颗粒的增碳剂、碎硅铁粉粒以及复合孕育剂,虽然加入量很少,但是促进生核的效果很好。

③如果含硫量过低(特别是生产HT时)可适量加入些硫铁,但必须控制在要求的范围内。总之优化操作程序指的就是:炉料入炉的先后顺序、熔炼中的温度和出炉温度的控制、化学成分的选控、以及强化孕育和复合孕育。

我们的产品是汽车轮毂,造型采用的是铁模覆砂工艺,材质是QT450-10,其硬度是HB160-210,属于铁素体基体球铁。但是用户为了便于机械加工提高生产速度,除要求材质的抗拉强度及延长率合格之外,还要求铸件的硬度≤200 HBW。

化学成分的选择﹙%﹚:

CE4.6-4.8,C3.6-3.9,Si1.2-1.3(原)、2.65-2.9(终),Mn0.2-0.4,P≦0.05,S≤O.035(原)、≤0.022(终),RE(残)0.02-0.04, Mg(残)0.03-0.06。

在实际生产中,碳当量控制在中上线,硅力争控制在上线,旨在提高铁液的石墨化能力。

  

炉料的加入顺序、操作方法及温度控制

先在炉底加入新生铁,再加入废钢、增碳剂(根据炉料情况凭经验而加,以防增碳剂堆积形成高温层),边熔化边加废钢和增碳剂,尽可能在粒子钢没有加入之前,把增碳剂需要加入量的60-70%加完,最后加回炉料。在这段时间里,为了提高增碳剂的吸收率,消除铁液中的遗传性,宜采用大功率高温熔化。

但上述加料方法也存在着两个问题:

①当铁水含碳量达到一定量时,再提高铁水含碳量就困难了。

②在熔炼后期加入粒子钢,炉内金属液喷溅严重,不能保证安全生产。因此也可以采用另一种加料顺序,先熔化粒子钢,边熔化边往外舀渣,当熔化完毕需加入量(一般40―50%)并达到一定温度时,关闭电源,消除炉内液面“驼峰”,使液面平稳,熔渣就会往液面中心部聚集,这样就便于舀净熔渣。熔渣清除干净之后,就可以适当多加些增碳剂。启动电源高功率熔化,边加废钢边加增碳剂直至炉满,加入部分硅铁取样分析。

球铁金属液是一种铁水被饱和的Fe-C-Si-O之合金溶液,其内部存在化学反应与反应平衡问题:

2C+SiO2→Si+2CO

铁水温度高于平衡温度时,反应向右,碳被氧化放出CO降碳,是还原反应。低于平衡温度时反应向左,Si被氧化,形成SiO2黑渣,是氧化反应。平衡温度在1390-1420℃之间。故推荐球化处理温度在1450±20℃之间。根据上述资料分析增碳剂合适的加热温度,如果加热温度高于平衡温度时,铁液中的碳被氧化损耗增加,增碳剂的吸收率降低。当加热温度低于平衡温度时,由于温度较低,增碳剂的溶解扩散速度下降,因而增碳剂的吸收率也较低。另外,在实际生产操作中,很难把炉温控制在平衡温度线。提高炉温可以加快增碳剂的溶解和扩散,有利于铁液对碳的及时吸收而缩短碳的氧化时间,尽可能的使吸收远大于损耗,同时也有利于提高熔化速度。所以在熔化前期我们采用大功率高温熔化。

由于粒子钢的含渣量太多,在熔化粒子钢过程中,需要用特制的勺往外舀渣,所以增碳剂不宜与粒子钢混装熔化。当炉料熔化完毕并彻底清净熔渣之后,留下10%的增碳剂作为波动可调空间,其余的全部加入,并加盖保温剂。

在炉内温度升高增碳剂溶解被铁液吸收后,清净保温剂及熔渣,加入部分硅铁,在硅铁上面覆盖保温剂,硅铁的加入量,应在代入硅1.2%左右,这是因为废钢和粒子钢的含硅量都很低,加入部分硅铁,一是为了起到脱氧作用;二是为了缩小后期调整范围,使成分含量更加准确;三是为了铁液成分含量不超过热分析仪的测量范围,避免测量失败。还需要说明的是,无论在任何阶段需要同时添加增碳剂和硅铁时,都要先加增碳剂,待增碳剂熔解扩散被吸收之后,再加增碳剂。这是因为硅具有排碳特性,即硅量的增加,降低了碳在铁水中的溶解度。其目的还是为了提高增碳剂的吸收率。

综上所述,影响增碳剂吸收的因素有:①增碳剂的质量;②铁水的含碳量;③铁水含硅量:④炉料和铁水质量(是否严重氧化);⑤炉工操作;⑥加入时间及加入方法;⑦炉温控制。

当炉温达到1320℃左右时,清净液面熔渣,取样倒入上海产的“贺利氏”牌热分析仪样杯中。在取样分析的前后时间里,先清理干净液面熔渣,适量加入一些回炉料;当热分析仪结果出来后,调整原铁水的碳、硅含量。

采取有效措施强化孕育:使用孕育剂的种类有75硅铁、增碳剂、硅钙钡复合孕育剂。用增碳剂进行炉内、包内双重孕育;用硅铁进行冲入孕育及浮硅孕育;由大包倒入抬包时加入硅钙钡复合孕育剂进行随流孕育。只要经热分析仪测报含碳量不超上限,出炉前在炉内液面(也称作预处理或预孕育)、在球化包底、以及球化反应结束扒渣后,在球铁液面,酌情适量加放一些细颗粒(0.5―1.0mm)的增碳剂。尽管这样作增碳剂的吸收率较低,但是确能生产大量的“外来晶核”,促进石墨化,有利于石墨的生成。

球化温度的控制。球化温度是根据铸件的大小、铸件壁的厚薄以及材质的不同而灵活掌握的。而且各单位又有各自的习惯作法。如山东临沭兴华机械厂用十吨包处理球铁,当包底有一定的铁水后,为降低下部铁液温度,延缓球化剂的起爆时间,减少反映沸腾,顺包边加放“热铁块”,也便于降温浇注大型铸件,效果很好。濮阳一家铸造厂,用废钢生产球铁,出炉温度1550℃,当包内铁液达到3/4时,停止倒铁水,让球化包内进行球化反映,在包内作球化反映时,炉内剩余1/4的铁水继续升温,包内反映结束并清理浮渣,加孕育剂后再出炉内剩余1/4的铁液,这时炉内铁液温度已是1570℃,用这种方法作球化处理,生产出的铸件内在质量好,无气孔等铸造缺陷。我们在出炉之前的熔化过程中,要经历一个先高温后低温的过程,先高温便于消除铁液中的“遗传性”和促进增碳剂的吸收,后适当低温便于晶核的复生和球化处理。我们在生产实践中,原来的球化处理温度控制在1560-1570℃(用光学测温仪),生产出铸件的硬度偏高,其硬度常在200HBW左右徘徊,时而硬度还有超标现象而影响产品质量。2010年下半年,逐渐降低球化处理温度,现在出炉温度控制在1520℃±10℃左右。

三、产品质量

产品为QT450-10轮毂,造型采用铁模覆砂工艺, 球铁的球化级别1-3级,石墨大小6-7级,石墨球密而分布均匀,硬度HB170-190,硬度很少有超过HB200的。铸件实体切割取样作物理实验,抗拉强度≥500MPa(常在500 MPa左右),延长率13%-16%(最高可达22%)。

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