中頻感應(yīng)電爐熔煉鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵工藝

陳曉光

（秦皇島秦冶重工有限公司，河北秦皇島066004）

·鑄造工藝·

中頻感應(yīng)電爐熔煉鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵工藝

陳曉光

（秦皇島秦冶重工有限公司，河北秦皇島066004）

闡述了中頻感應(yīng)電爐熔煉鑄態(tài)鐵素體球鐵的生產(chǎn)工藝，通過對(duì)原材料的選擇和化學(xué)成分的控制，可以生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵，可獲得較好的球化級(jí)別，而且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、可靠，質(zhì)量高、成本低，力學(xué)性能達(dá)到和超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

中頻感應(yīng)電爐；鑄態(tài)；鐵素體球墨鑄鐵

近些年來，我國(guó)球鐵產(chǎn)量增長(zhǎng)很快，球墨鑄鐵件所占的比例愈來愈大。特別是鐵素體球墨鑄鐵具有良好的塑性和韌性，性能接近甚至超過鑄鋼，而成本又低，因此更受歡迎。有些工廠多采用將鑄態(tài)球墨鑄鐵經(jīng)過退火處理的工藝生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵，這使得生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期加長(zhǎng)，成本增加。我們使用3 t中頻感應(yīng)電爐，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際制定出穩(wěn)定可行的生產(chǎn)工藝，不用進(jìn)行熱處理直接生產(chǎn)出合格的高韌性鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵，力學(xué)性能已經(jīng)達(dá)到或超過了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

1 中頻感應(yīng)電爐的熔煉特點(diǎn)

沖天爐生產(chǎn)球墨鑄鐵件，雖然生產(chǎn)成本低，但由于鐵水溫度低，化學(xué)成分不穩(wěn)定，鑄件質(zhì)量不易控制，而且，工作環(huán)境差，能源消耗大，污染嚴(yán)重。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)球墨鑄鐵質(zhì)量提出更高的要求，對(duì)于環(huán)境的保護(hù)也越來越重視。高溫、低硫、潔凈，且化學(xué)成分準(zhǔn)確，干擾元素又少的原鐵水是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵的保障，足夠高的熔煉溫度和必要的出爐溫度十分重要，可以說中頻感應(yīng)電爐非常適合生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)球墨鑄鐵。與沖天爐相比，中頻感應(yīng)電爐熔煉有以下特點(diǎn)：

1）無接觸加熱，通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流，靠電阻熱來實(shí)現(xiàn)，熔煉過程中不會(huì)有增碳和增硫現(xiàn)象，感應(yīng)爐熔煉合金元素?zé)龘p少，化學(xué)成分均勻、準(zhǔn)確，鐵水溫度高且容易控制。

2）由于電磁攪拌作用，鐵液的含氣量、含氧量較低，鐵液比較純凈，非金屬夾雜物容易上浮。但是過分強(qiáng)烈的電磁攪拌使鐵水沖刷爐襯，影響爐襯壽命，也很難使渣子覆蓋在鐵水表面，增加大氣對(duì)鐵水的污染。

3）電能消耗大，增加鑄件成本，不連續(xù)生產(chǎn)。

4）中頻無芯感應(yīng)電爐能夠直接熔化固體爐料，而且開爐及停爐比較簡(jiǎn)單方便，因此得到了普遍應(yīng)用。

2 原材料的選擇

原材料直接影響球墨鑄鐵的質(zhì)量和生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。由于中頻感應(yīng)電爐冶金性能差，所以原材料必須干凈、少銹、無油、無雜質(zhì)，而且化學(xué)成分明確。回爐料也必須經(jīng)過拋丸處理去除表面型砂、渣子等。此外嚴(yán)把原材料、輔助材料進(jìn)廠質(zhì)量關(guān)，嚴(yán)格控制材料各種元素的含量。

2.1 生鐵

選擇生鐵首先要根據(jù)球鐵的基體要求及回爐料用量來確定生鐵的牌號(hào)。其次，根據(jù)韌性要求和熱處理與否限定錳量。還要限制干擾元素的總含量。為了生產(chǎn)出合格的高韌性鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵，我們選用優(yōu)質(zhì)鑄造生鐵Q10或Q12；。

2.2 廢鋼

在鐵液中加入廢鋼，不僅可以調(diào)整化學(xué)成分，而且提高抗拉強(qiáng)度，因此，廢鋼使用普通碳素廢鋼或優(yōu)質(zhì)碳素廢鋼比較理想，合金廢鋼以及含有干擾元素的廢鋼不能使用。我們選用的優(yōu)質(zhì)碳素廢鋼化學(xué)成分穩(wěn)定（如表1所示），而且表面干凈、無銹、無雜質(zhì)。

表1 廢鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.3 增碳劑

理論上，石墨質(zhì)材料（如電極石墨、天然石墨、天然類石墨）和碳質(zhì)材料（如焦炭、石油焦、煅燒焦、煅燒石油值）均可作為增碳劑。實(shí)際使用中，選哪種增碳劑需視球鐵牌號(hào)、熔煉方法和增碳劑的品質(zhì)而定，必須選擇合適的增碳劑。由于不同的增碳劑會(huì)影響鐵液的含氮量，微量的氮能提高力學(xué)性能，但過量則容易產(chǎn)生氣孔缺陷。因此，選用石墨電極碎塊作為增碳劑，其成分要求如表2所示。

表2 增碳劑的性能指標(biāo)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

增碳劑的加入方法采用隨原材料一起加入和鐵液熔化后1 400℃以上時(shí)加入相結(jié)合的方法。通過長(zhǎng)期計(jì)算與化學(xué)分析相對(duì)比可知，增碳劑的吸收率可達(dá)85%～90%。鐵液增碳后，存在大量彌散分布的非均質(zhì)結(jié)晶核心，石墨晶核顯著增多，促進(jìn)石墨形成。同時(shí)降低鐵液的過冷度，白口傾向得到改善。

2.4 硅鐵

為了調(diào)整化學(xué)成分，減少鐵液含氧量，選擇優(yōu)質(zhì)75硅鐵。

3 化學(xué)成分的選擇

金相組織決定了球墨鑄鐵的性能，而化學(xué)成分的變化可以改變金相組織。因此，選擇合理的化學(xué)成分是獲得鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵根本。

3.1 碳當(dāng)量的選擇

在球墨鑄鐵中起主要作用的是碳、硅兩種元素。而碳、硅都是強(qiáng)烈地促進(jìn)石墨化的元素，可用碳當(dāng)量（CE）來說明他們對(duì)球墨鑄鐵金相組織和力學(xué)性能的影響。提高碳當(dāng)量可增加石墨球數(shù)，改善鐵水流動(dòng)性，減少縮孔體積和白口傾向，提高塑性和韌性，獲得健全的鑄件。但碳當(dāng)量過高，易出現(xiàn)石墨漂浮導(dǎo)致性能下降，因此，碳當(dāng)量應(yīng)在4.5%～4.8%之間。

3.2 碳

碳是影響球鐵機(jī)械性能和鑄造性能很大的元素，是促進(jìn)石墨化的元素。含碳量高，則析出的石墨球數(shù)量多，球徑尺寸小，圓整度好，減少縮孔、縮松傾向，減少甚至消除滲碳體，降低抗拉強(qiáng)度和硬度，提高塑性和韌性。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%～3.8%時(shí)獲得鑄態(tài)鐵素體球鐵。

3.3 硅

硅也是影響球鐵機(jī)械性能和鑄造性能很大的元素，也是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素。隨著硅量的增加，不僅白口傾向減少，鐵素體增加，而且能夠細(xì)化石墨，提高石墨球的圓整度。但是，硅量過高，會(huì)提高韌性—脆性轉(zhuǎn)變溫度，使鑄件發(fā)脆，有害作用更為明顯。因此含硅量應(yīng)為ω（Si）=2.4%～2.8%，原鐵水的硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：1.6%～1.8%。

3.4 錳

錳是阻礙石墨化并穩(wěn)定碳化物的元素，具有增加和細(xì)化基體中珠光體的作用。但易形成晶間偏析，形成碳化物呈網(wǎng)狀分布在共晶團(tuán)邊界上，降低球墨鑄鐵的塑性和韌性，所以在生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵時(shí)，必須嚴(yán)格控制錳的含量。而錳還有脫硫、脫氧、穩(wěn)定球化的作用。因此，應(yīng)控制在0.5%以下。

3.5 磷

磷是有害元素，極易偏析，硬而脆呈多角狀分布的磷共晶惡化球墨鑄鐵的力學(xué)性能，顯著降低塑性和韌性，所以應(yīng)嚴(yán)格控制。磷一般不得超過0.07%；

3.6 硫

硫是反石墨化元素，屬于有害雜質(zhì)。硫與稀土、鎂、錳、鐵的親和力都很強(qiáng)，形成硫化物，消耗球化劑，并且產(chǎn)生夾渣等缺陷。對(duì)石墨的球化和韌性影響較大，硫低球化良好且穩(wěn)定。當(dāng)然硫也不宜太低，部分MgS、CaS可以起到石墨晶核的作用，有助于石墨球化。因此，將硫控制在0.03%以下。

4 球化劑的選擇

中頻感應(yīng)電爐熔煉球墨鑄鐵，球化劑的作用主要是球化，脫硫、脫氧的作用很小。因此在保證石墨球化的前提下，盡量減少球化劑的用量，控制球化劑的殘留量，減少游離滲碳體，降低白口傾向，選用了含鎂和稀土較少的稀土鎂球化劑。其化學(xué)成分見表3，加入量為1.4%，稀土殘余量為：0.02%～0.04%；鎂殘余量為：0.03%～0.06%。球化處理采用沖入法，球化處理溫度大于1 450℃。

表3 球化劑的性能指標(biāo)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

5 孕育劑的選擇

孕育處理是球墨鑄鐵生產(chǎn)必不可少的重要環(huán)節(jié)，不僅能細(xì)化石墨，增加石墨數(shù)量，提高石墨圓整度，改善球化率，還具有脫氫、脫氧、脫硫和消除白口等作用，改善力學(xué)性能。因此，選擇了硅-鋇類復(fù)合孕育劑。加入量為：0.5%～0.8%。

6 澆注溫度

為了減少皮下氣孔等缺陷，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)，澆注溫度必須大于1 350℃。

7 力學(xué)性能和金相組織

每次生產(chǎn)時(shí)，澆注標(biāo)準(zhǔn)Y試塊。加工標(biāo)準(zhǔn)試樣，測(cè)量其抗拉強(qiáng)度σb和伸長(zhǎng)率δ，進(jìn)行化學(xué)分析與金相檢查。從幾年來的檢測(cè)數(shù)據(jù)中，取181組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，抗拉強(qiáng)度σb在451 MPa～590 MPa，伸長(zhǎng)率δ為10%～25%，已經(jīng)達(dá)到和超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，特別是伸長(zhǎng)率最高達(dá)到25%。其結(jié)果見表4。各元素的含量都在控制范圍以內(nèi)，石墨級(jí)別為1～2級(jí)，石墨大小為5～6級(jí)，鐵素體含量大于60%。

表4 鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度σb及伸長(zhǎng)率δ

8 總結(jié)

綜上所述，使用中頻感應(yīng)電爐熔煉，在控制好各元素含量的前題下，加強(qiáng)過程控制，完全可以生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵，而且生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、可靠，質(zhì)量高、成本低，達(dá)到和超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］陸文華.鑄鐵及其熔煉［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［2］周建輝.中頻感應(yīng)電爐熔煉合成鑄鐵［J］.鑄造設(shè)備研究，2005（03）：38-39.

［3］中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造專業(yè)委員會(huì).鑄造手冊(cè)（第一卷）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［4］沈定釗.鑄鐵冶金［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

The Cast Ferrite Ductile Iron Produced by Medium-frequency Induction Furnace

CHEN Xiao-guang
（Qinhuangdao Metallurgical Machinery Co.,Ltd,Qinhuangdao Hebei 066004，China）

This paper reviews the medium-frequency induction furnace melting production process of cast ferrite ductile iron. Through the choice of raw materials and chemical composition control，ferrite ductile iron in cast can be produced with better nodularization grade and high mechanical properties which are equal or larger than the national standard.

medium frequency induction furnace,cast,ferrite ductile iron

TG255

A

1674-6694（2010）04-0024-03

2010-06-05

陳曉光（1965-），男，工程師，主要從事企業(yè)管理及鑄造技術(shù)工作。