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用感应电炉熔炼灰铸铁时的一些冶金特点 从上世纪60年代起,铸铁行业中采用感应电炉作为熔炼设备的企业逐渐增多,尤其是70年代以后,中频无心感应电炉的电源有了重大的改进,熔制铸铁时热效率可达到70%,电炉设备和所用的耐火材料也在不断发展,因而其应用日益广泛。 对于不适于采用长炉龄大型冲天炉的中、小型铸铁企业,用无心感应电炉熔炼有很多优点,宏观方面看来主要有: ◆熔炼时排出的废气、烟尘和炉渣大幅度减少,便于治理环境和改善作业条件; ◆可利用廉价的金属炉料,尤其是便于循环回用加工的切屑和边角余料; ◆生产安排的灵活性较好; ◆铸铁的化学成分和温度比较均匀且易于控制。 但是,感应电炉熔炼的冶金过程与冲天炉有本质上的差别,如果不能切实了解其冶金特点,正确执行熔炼过程的各项作业,则用于制造灰铸铁件时,不仅不能充分体现感应电炉熔炼的优越性,反而会导致显微组织不符合要求、铸件的加工性能恶化等各种问题。 以下,简单地谈谈用感应电炉熔炼灰铸铁时的一些主要冶金特点,供参考。 一.感应电炉熔制的铁液中气体含量 与用冲天炉熔炼相比,用无心感应电炉熔炼铸铁时,金属炉料与炉气接触的时间很短,熔融的金属液与炉气接触的界面很小,因而,感应电炉熔炼制得的铁液中,氢和氧的含量都低于冲天炉熔炼的铁液,但是,由于炉料配比的差别很大,氮含量却较高。 1.氧含量 冲天炉熔炼的铁液中,氧含量一般为0.004~0.006%(质量分数,以下均同此),无心感应电炉熔炼的铁液,氧含量一般在0.002%左右,有时还会更低些。一般说来,铁液中的氧含量低,有助于改善铸件的冶金质量,但是,如果铁液中的氧含量太低(0.001%或更低),则不利 于孕育处理时晶核的形成,导致产生过冷石墨(D 型),即使增加孕育剂的加入量,孕育效果也不好。 2.氢含量 在灰铸铁中,氢是有害元素,其含量越低越好。由于铸铁中碳、硅含量高,氢在其中的溶解度低,冲天炉熔制的铁液中,氢含量一般为0.0002~0.0004%。感应电炉熔制的铁液,因为金属与炉气接触的界面小,氢含量一般都更低,约在0.0002%左右,铸件产生氢致皮下气孔、针孔的可能性较小。 3.氮含量 用冲天炉熔炼时,灰铸铁中的氮含量一般为0.004~0.007%。 铸铁中含有少量的氮,有促成珠光体的作用,有助于改善铸铁的力学性能。如果氮含量在0.01%以上,则铸件就易于产生氮致气孔。 通常,废钢中的氮含量比铸造生铁中的高得多,用感应电炉熔炼铸铁时,由于炉料中所用的铸造生铁锭很少、废钢较多,熔炼制得的铸铁中氮含量会相应较高。此外,由于炉料中使用大量废钢,必须用增碳剂,而大多数增碳剂中氮含量都比较高,这又是导致铸铁中氮含量增高的另一因素。 因此,用感应电炉熔炼时,铸铁中的氮含量比用冲天炉熔炼的要高一些。一般说来,炉料中废钢用量为15%时,铸铁中的氮含量约为0.003~0.005%;废钢用量为50%时,氮含量可达0.008~0.012%;炉料全部为废钢时,氮含量可高达0.014%以上。 为避免铸件产生气孔缺陷,感应电炉熔炼铸铁时所用的增碳剂,一定要选购含氮量低的品种,如有可能,应核查增碳剂的含氮量。当前的问题在于:分析增碳剂中的含氮量,尚缺乏简便而准确的方法。美国ASTMD3197标准所认定的两种方法:一种是湿法,分析一个样品需时2周之久;另一种是用Leco公司分析装置的燃烧法,此法分析样品所需的时间约2~3min。但是,有报道说:就同一样品用这两种方法测定的结果差别很大,湿法的分析值偏低,燃烧法的分析值偏高,二者的差别竟可能高达3~4倍。 常用的增碳剂主要是石墨和石油焦,两种增碳剂的含氮量都可能在较大的范围内改变:石墨的含氮量可在0.15~2.5%之间;石油焦的含氮量则在0.3~2.0%之间。无论采用何种增碳剂,都应选含氮量低的品种。 有报道称:含氮量低的石墨,质地致密而柔软,有韧性,可以在纸上划出痕迹;含氮量高的石墨,质地硬而脆,有气孔,划在纸上不留划痕。 碳化硅中的含氮量较低,虽然其中的含碳量不高,主要作用是增硅,但在改善铸铁对孕育处理的回应能力方面有很好的效果,是电炉熔炼铸 铁时不可或缺的重要添加材料。 如果铸件气孔缺陷较多,可考虑在炉前加入少量钛、铝、硼等固氮元素。 二.感应电炉熔炼时铸铁的结晶特性 金属、炉衬、炉渣和炉内气氛之间的相互作用,是熔炼炉中冶金过程的基础。只要对冲天炉和感应电炉的熔炼过程作简单地分析,就可以看出,二者熔炼铸铁的冶金过程差别很大,因而,熔制得到的铁液就具有不同的特性。 在碳当量相同的条件下,用感应电炉熔炼的铸铁与用冲天炉熔炼的相比,共晶结晶时的过冷度大得多,参见图1。 碳当量[C+1/3(Si+P)] 图1在不同的碳当量下熔炼工艺对共晶结晶过冷度的影响 a-冲天炉熔炼;b-感应电炉熔炼 在碳、硅含量相同的条件下,用感应电炉熔 炼的