探讨电炉熔炼铸铁工艺及常见缺陷防治

探讨电炉熔炼铸铁工艺及常见缺陷防治

导语

   近年来，由于环保的要求，大多数小型冲天炉被小型中频感应电炉所取代，冲天炉由于使用焦炭等燃料，熔炼过程发生冶金反应，而电炉熔炼主要是合金重熔，冶金反应作用不显著.  

电炉熔炼铸铁的工艺特点就在于铁液重熔后合金过冷度增大，同时过热温度较高，随之而来的铸铁质量控制遇到了新的问题。

    电炉铁水重熔后，所含的杂质物相比冲天炉要少，也就是说纯净度要高，在其凝固过程中缺少了异质结晶核心，凝固时的成分起伏和浓度起伏要弱些，这使得过冷度加大（这儿所谓过冷度是指相同成分的铁碳合金凝固时的实际温度超出沿稳定系结晶温度的那一部分），合金沿介稳定系凝固结晶的可能性加大，也就是结晶产物中Fe3C(渗碳体)的含量增多，而冲天炉铁水由于含较多的异质核心，凝固结晶时沿稳定系发展的倾向大，在铁碳合金相图上，稳定系结晶的产物就是铁素体和石墨。

  电炉铸铁的熔炼特点，要求铸造工作者在铸铁的成分选择、炉料配比、废钢用量、孕育工艺、增碳脱碳、增硫脱硫、球化工艺、蠕化工艺、温度控制、浇注工艺等许多方面需要更新观念，采取符合实际的手段来保证和提高产品质量。

    技术专家夏振环先生，作客“百家铸造论坛”，与网友、粉丝一起，探讨“电炉熔炼铸铁工艺特点及常见缺陷的防治”。

夏振环先生根据三十年冲天炉生产和近十多年电炉生产实践，就上述10大问题谈谈经验教训。

一电炉铸铁炉料配比及合成铸铁

在铸造行业，人们常说，铸造材料的成分决定组织，组织左右性能；这句话其实并不全面。我们在生产实践中发现许多铸铁，在相同成分时，机械性能却有较大差异。铁水的质量除与其成分有关联外，还与炉料配比（生铁用量、废钢用量、返回料用量、合金加入量），熔化与出炉温度，孕育工艺等有密切关系。所谓合成铸铁，就是指配料中使用50%以上的废钢，通过增碳合成的方法制取的铸铁材料，因为需要较高的熔化温度，只宜在电炉中熔炼。目前合成铸铁主要有合成灰铁和球铁。

通过大量实践，对于HT250、HT300等高强度灰铸铁来说，废钢左右强度、生铁影响组织.

1、配料禁忌

（1）、高比例废钢（尤其是船板）与高比例回炉料（浇冒口、废铸件、铁屑）搭配，合成灰铁的废钢加入量不宜超过50%；

（2）、高比例废钢（尤其是船板）与含硫磷高的生铁搭配；

（3）、回炉料超过40%（浇冒口、废铸件、铁屑）。

2、配料优化组合（%）

组成生铁废钢回炉料

配比A403030     配比B304030   配比C204040    配比D205030
 

3、锰硫含量

需要提高硬度时锰的含量可达1.0－1.2%，但不要求相应提高硫的含量（关于灰铁中的硫含量，另行分析）。

      某公司为了节约成本，多用废钢，在两个月内试制合成高牌号灰铸铁，废钢用量一度达60%，有一段时间除加入废钢外另加回炉料和少量铁屑，最初质量不错，但一段时间后发现铸件批量缩孔、缩松和有白色硬斑，并且持续不断越来越严重。

此缺陷成因：初步判断是铁水中MnS的含量过高而引起的铸件显微缩孔、缩松，MnS富集形成白色硬斑。这是由于高牌号灰铁HT300成分要求Mn含量较高（1%左右），加之废钢自身锰也高（船板中的16锰钢含Mn在1.6%），而废钢中的S以及回炉铁（包括铁屑）中的S和锰反应产生的MnS在炉料中的积累达到一定程度，就会产生过量，从而产生上述缺陷。

为了减少铁水中的MnS含量，一般用加入一定量的优质新生铁（低S低Mn）来调整，另外提高孕育效果，可使MnS细化，减弱其不良影响。

   废钢加入量过大时，由于废钢熔点在1530度左右，而生铁和回炉料的熔点只是1230度左右，多用废钢增加了电耗，加大了铁水的过冷倾向，还吸附大量的氮气，一般来说合成铸铁工艺并不适用于灰铸铁，而比较适用于球铁 。

二关于电炉灰铸铁增硫问题

   前面已经说过，中频感应电炉熔炼铸铁工艺对比冲天炉熔炼，除了具有熔化温度高的优势外，却有不少缺点，主要有三个方面的问题：一是铁水过冷倾向较大，极易产生影响材料机械性能的D、E型石墨；二是铁水纯净，异质结晶核心较少，导致孕育效果差，在同等成分条件下，铸件强度偏低铁质偏硬；三是收缩倾向较大，在高牌号灰铸铁中锰含量较高时，容易产生显微缩孔、缩松。

针对上述问题，应对的措施是：

1、在熔化后期增加一个高温保持时间，尽可能使各种炉料熔化的铁水晶粒均匀，尤其是细化石墨；

2、适量增加外来异质核心（如硫化物），强化孕育效果，促进A型石墨的形成；

3、控制高牌号灰铸铁的硫、锰含量及其比例，控制回炉料比例，达到合适成分。

这些措施，对不同结构的铸件产品是有差别的，需在实践中掌握。

某公司某日，用电炉熔炼6炉灰铁HT300铁水，浇铸液压阀G03、G02等产品，经解剖内部组织发现大面积显微缩孔、缩松、缩裂，共830只全部报废（见附图）。检测布氏硬度HBS241，化学成分C3.27，Si1.78，Mn0.83，S0.087，P0.04。珠光体98%，E形石墨达80%（A型20%），石墨长度5级。据有关人员研究分析，应是铁水材质出了问题。

化学成分分析的结果，对一般的薄壁HT300铸件来说似乎是正常的，然而对于液压阀铸件（壁较厚）却出了问题。此缺陷成因：初步判断是铁水中MnS的含量过高而引起的铸件显微缩孔、缩松、缩裂，也就是说铁水中的S、Mn含量超出铸件所适应的范围（对不同铸件其成分量有差别）。

   由于在熔炼中加入了一定量的增S剂，铁水中的S、Mn含量积累达到一定程度，就会导致铁水含S量超出铸件自身正常凝固结晶的要求，从而产生此类缺陷。对策：停止加入增S剂，调整Mn的含量，保证HT300灰铁的五元素的正常含量，调整后，缺陷全部消除。

在电炉灰铁铁水中通过加入增S剂形成一定量的MnS，作为异质核心，提高孕育效果，这从理论来说是正确的，但是近年来大多数文献资料所说，电炉高牌号灰铁的含S量需控制在0.05-0.10%比较合适，然而许多工厂的实践证明，当含Mn量在1%左右时，若铸件成分分析含S量超过0.05%，铸件就开始产生缩孔缺陷，当含S量超过0.07%时就会发生批量缩孔，这种现象如何解释呢？

灰铸铁中的S有两种存在形式，一种是单质，另一种是化合状态的MnS，灰铁中起结晶核心作用的硫，主要是化合状态的MnS，我们现在的化验手段（无论是化学分析还是光谱分析），都只能分析出铸件和铁水中单质状态的S，而以化合状态（MnS）存在的S是化验不出来的。当单质S含量超过0.05%时，化合态的S含量就比较高了，此时的铁水中：

MnO+FeS=MnS+FeO，FeO+C=Fe+CO,或2FeO+C=2Fe+CO2

这时铁水在凝固过程中就在析出CO或CO2的同时产生部分棕色的MnS粉沫，形成铁渣反应气缩孔。只要具备一定的条件，这种气缩孔，不仅在电炉铁水也在冲天炉铁水中发生。其实我们在电炉熔化过程中，已经增加了一部分硫，这些硫来自于：

1、由回炉的浇注系统带来，浇注系统中的硫磷含量远高于铸件中的含量；

2、生铁中的硫，一般生铁中的硫含量是不高的，而我们购买的普通生铁上面都携带不同程度的炉渣（拉圾），我们是不会化验的，但这些拉圾却含有较高的硫磷，会带入炉内；

3、废钢和生铁等炉料的铁锈，氧化铁含量较高，进入铁水中会增加硫的吸收率。在这样的情况下，如果我们再补加硫化铁来增S,就过分了。实际生产高牌号灰铸铁件时，铁水中的单质S控制在0.03-0.05%之间为妥。

三电炉高牌号灰铁的孕育和变质处理

   关于高牌号灰铁（以HT300为例）的孕育工艺，传统的孕育量是处理铁水量的0.3-0.4%（以冲天炉生产为主），近年来随着电炉的普及，孕育量逐渐增加，最新资料推荐0.5-0.6%，本人通过长期实践，选择孕育量在0.8%左右，取得强度硬度和切削加工性能的全面提高，铸件加工后的内部缺陷大幅度减少。

    某公司生产高牌号的电磁阀，技术要求铸件硬度大于HB200，强度大于300N/mm2,该产品主要壁厚超过50mm，通过多次试验，在加大一次孕育量的同时，采取二次随流孕育，消除了厚壁带来组织粗大的缺陷，提高了铸件致密度，保证了产品质量。

    关于铁水二次随流孕育，在浇注前加入粒度0.2-0.7mm的均匀的孕育剂，比较适用于厚件，而用于小件时反而增大了铁水的收缩性能。

    有一个时期，某公司部分产品加工后表面呈现白色亮斑硬度很高，刀具打滑，经分析，原来是孕育剂的块度过大，与铁水包容量不相适合，致使孕育剂在铁水浇注时未能完全熔解,铸件局部硅量富集形成硬化相；当在铁水温度偏低进行二次随流孕育时，也会产生同样的缺陷。

    有一家专业生产HT300灰铁液压件的工厂，浇注一种KP泵体，铸件壁厚30mm左右，按照HT300的经验成分配料，铁水成分：C3.0-3.1%，Si1.7-1.8%，Mn0.95-1.05%，P0.05%，S0.04%，铸件本体解剖抗拉达300N/mm2，但是连续多批产品在内浇口附近发生缩陷和缩裂，无论对浇注系统如何调整，就是不见效果，

没有办法，只能提高碳当量降低强度，调整到C3.2-3.3%，Si1.8-2.0%时，缺陷消失，但产品经加工后试压，大部分产生膨胀渗漏，本体测试抗拉也不合格，造成主机厂批量退货。联想到以往有一批同类泵体，由于听了别人的建议，用硫铁增S，铁水含S在0.07%以上时，铸件大面积缩孔，积存大量废品，为了处理这批废品，根据稀土脱硫的原理，当加入此类废品时，在孕育过程中补加少量稀土镁硅铁（约0.2%），有效地降低了硫含量，解决了缩孔问题。

     针对当时KP泵存在的缩陷和缩裂，虽然原铁水含硫并不高，在孕育时同样试加了少量稀土镁硅铁（约0.2%），也取得了理想的结果，缩孔问题完全解决。分析其机理，铸铁产生缩陷，主要还是铁水中的气体（包括氧、氮、氢等）作怪，这些气体在凝固后期析出时，铁水无法补充，产生了缺陷，而稀土镁硅铁作为一种灰铁变质剂（也是一种孕育剂），却好是脱除气体的能手，铁水含气量大幅度减少，缺陷也就消除了。

（转自：热加工论坛）