灰鑄鐵感應(yīng)電爐熔煉與沖天爐熔煉的差異

張守全，徐國強(qiáng)，林艷茹

（寧夏共享裝備有限公司，寧夏銀川 750021）

隨著環(huán)保要求的不斷提高，鑄造沖天爐熔煉也越來越不能夠達(dá)到環(huán)保要求，與此同時為了改變對熔煉過程控制的靈活性感應(yīng)電爐熔煉已經(jīng)成為主要熔煉設(shè)備。但是兩種熔煉爐的熔煉方式以及對鐵水質(zhì)量的影響也具有非常大的區(qū)別。很多剛剛將沖天爐改為感應(yīng)電爐熔煉時對鑄鐵材質(zhì)的控制仍然停留在沖天爐熔煉的工藝上，這對產(chǎn)品質(zhì)量是一個很大的制約，在材質(zhì)控制上經(jīng)常出現(xiàn)一些很棘手的問題。

1 沖天爐與感應(yīng)電爐熔煉的差異

鑄鐵的性能在很大程度上受其化學(xué)成分的影響，所以鑄鐵熔煉多以控制化學(xué)成分為重點(diǎn)，在這一點(diǎn)上，從過去到現(xiàn)在始終沒有改變。隨著技術(shù)的進(jìn)步，對材料的要求越來越高，單純把成分控制作為熔煉過程的重點(diǎn)已經(jīng)不能滿足要求，因而熔煉工藝及熔煉設(shè)備也發(fā)生了很大的變化。沖天爐逐漸被感應(yīng)電爐所取代已成為必然。

電爐固然有沖天爐無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但也喪失了沖天爐的一些優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)表明，在使用相同原材料的條件下，同樣的爐料配比和化學(xué)成分的鑄鐵，沖天爐和電爐熔煉，得到的鑄鐵在性能上有著很大的差異。

對于電爐熔煉，一般認(rèn)為成分容易控制而且穩(wěn)定，鐵水比較純凈，獲得優(yōu)質(zhì)鐵水順理成章，但是，根據(jù)鑄鐵結(jié)晶核心的觀點(diǎn)，過于純凈的鐵水對鑄鐵的結(jié)晶過程以及最終鑄鐵的力學(xué)性能并非有利。應(yīng)當(dāng)說，現(xiàn)代工程鑄鐵的熔煉除了對化學(xué)成分進(jìn)行控制外，更重要的就是控制鐵水孕育前后的結(jié)晶核心數(shù)或生核能力，通常生核數(shù)用爐前快速檢驗(yàn)三角試片測定，也就是測前白口值（CW值）和后白口值（PW值），和鑄鐵種類、級別、鑄件截面或冷卻速度有關(guān)。除了化學(xué)成分要控制在規(guī)定的范圍以內(nèi)，每包鐵水還要具有一定的前白口值和后白口值。因此，三角試片實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)用的鑄鐵品質(zhì)控制的生產(chǎn)技術(shù)。通過對三角試片白口值的檢測不僅可以判斷鐵水的化學(xué)成分，還可以判斷其結(jié)晶特點(diǎn)，所以在目前鑄鐵熔煉過程中無論是沖天爐熔煉還是電爐熔煉對三角試片白口值測試技術(shù)的掌握是非常重要的。

1.1 沖天爐與電爐熔煉的特點(diǎn)

1）金屬爐料的過熱方式和碳的變化

在沖天爐中，金屬爐料在熔化帶開始熔化，此后，液滴向下流經(jīng)熾熱焦碳的歷程是鐵水過熱的唯一原因。在爐料的整個熔化過程中爐內(nèi)碳的變化既有鐵水與熾熱焦碳接觸的增碳，也有爐內(nèi)高溫爐氣和爐渣對鐵水的脫碳作用，但由于前者作用的程度大于后者，最終以增碳為主要傾向。

在電爐中，金屬爐料在強(qiáng)大的磁場中內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，在感應(yīng)電流的作用下，使得爐料熔化、過熱。因爐料中有大量的氧化物，如果沒有增碳劑的參與整個過程碳的變化是以脫碳為主要趨勢。為了保證鐵水的最終含碳量，增碳劑也就成了爐料的重要組成，增碳劑在爐內(nèi)一方面通過與鐵水接觸增碳，另一方面也起著脫氧作用。

2）熔化時間和結(jié)晶核心的變化

盡管在各區(qū)帶幾何參數(shù)設(shè)計(jì)都很好，要在沖天爐中熔煉純凈鐵水也是十分困難的，在化學(xué)成分沒有相應(yīng)變化的情況下，三角試片的白口仍然是變化的。這是由于爐料性質(zhì)的變化，特別是爐料中石墨含量的變化。概括的說，對于任何化學(xué)成分的爐料，石墨含量高，都將使三角試片白口值降低。沖天爐中從配好的爐料成分中熔化出來的液滴并不能最終確定白口值或生核數(shù)。白口值只能是爐料中各組分的平均值。沖天爐從爐料熔化到出鐵之間只有數(shù)分鐘，由于影響熔滴的時間較短，所以由原材料決定的核心數(shù)在熔化后變化不大。也就是說影響結(jié)晶核心數(shù)的是原材料，而與時間沒有太大的關(guān)系。需要指出的是，由于全部熔滴通過高溫還原帶，脫氧條件良好，所以這對鐵水的生核有利。

在電爐熔煉過程中，熔化的金屬和裝入爐中的材料，從熔化到過熱一直接觸，整個過程至少要?dú)v經(jīng)2 h以上，而且升溫后繼續(xù)保溫也是常有的，所以在緩慢升溫和長時間保溫過程中，以石墨、硅酸鹽、硫化物和氧化物質(zhì)點(diǎn)組成的核心就會溶解消失，因而核心數(shù)量減少，如果再使用劣質(zhì)原材料，如銹蝕嚴(yán)重的鐵料，經(jīng)電磁攪拌混入熔池使電爐的脫氧條件相當(dāng)不好，鐵水中含氧量過高其形核能力低，結(jié)果在金相組織中D型、E型石墨占有比例增加，同時白口傾向也增大，共晶過冷度增大，且基體中鐵素體量也隨之增加，這種變化在保溫2h～3h后會加速[1]，組織變得更為惡劣，其強(qiáng)度和硬度降低，特別是鐵水高溫儲存時這種傾向更加明顯。此過程，熔池中的核心數(shù)發(fā)生了很大的變化，而且溫度越高這種變化越大。因此在改變時間、溫度這兩個因素時，可以在很大程度上改變初始的三角白口值。這樣幾乎不與爐料的性質(zhì)有關(guān)。也就是說影響結(jié)晶核心數(shù)的主要是熔化時間和溫度。

總之，根據(jù)上述沖天爐和電爐熔煉的特點(diǎn)可知，兩種熔爐熔煉的鐵水其核心數(shù)和生核能力是不同的，前者數(shù)量多能力強(qiáng)，后者數(shù)量少能力差。造成這種差異，最明顯的差別就是熔煉時間。

1.2 微量元素（Pb、N）的變化

由于沖天爐內(nèi)的冶金反應(yīng)非常強(qiáng)烈，爐料是處在氧化性氣氛很強(qiáng)的環(huán)境中，爐料中原本就很微量的Pb在如此氧化性的氣氛中，絕大部分都被氧化，隨爐渣一起被排出，只有很少一部分會殘留在鐵水中，因此對鑄鐵有不利影響的Pb通過沖天爐的冶金過程，一般不會對鑄鐵造成不利影響。而在電爐中缺乏這一冶金過程，多數(shù)的Pb將會沉積在爐內(nèi)無法去除。

在沖天爐的熔煉過程中，焦炭中的N和空氣中的N2在高溫下，一部分分解會以原子的形式溶入鐵水中，使得鐵水中的N含量很高。而且，由于熔化到澆注的時間短，鐵水中的N損失小。在電爐熔化過程中由于時間長，即便是鐵水中的N很高也會因時間長而逸出。

2 影響鑄鐵性能因素的分析

2.1 金相組織的影響

鑄鐵的性能是取決于其金相組織，而金相組織中，共晶團(tuán)數(shù)量和石墨片長度及數(shù)量是決定鑄鐵性能的主要因素。單位面積內(nèi)共晶團(tuán)數(shù)量多會使得雜質(zhì)彌散在晶界上，減少對性能的不利影響。石墨片大、數(shù)量多會減小基體的有效面積，而且石墨片尖部的應(yīng)力大，增加對基體的割裂作用。

熔煉過程中對成份的控制，其目的也是為了得到好的金相組織，因此鑄鐵熔煉就是控制孕育前后影響共晶團(tuán)數(shù)量和石墨大小及數(shù)量的核心數(shù)和生核能力，無論是沖天爐熔煉還是電爐熔煉都是如此。

2.2 化學(xué)成分變化的影響

灰鑄鐵C、Si、Mn元素是影響性能的主要因素，無論是沖天爐熔煉還是電爐熔煉是主要的控制對象，但除此之外鑄鐵中還有一些微量元素對鑄鐵的性能影響也很大。這類元素主要有硫、氮、鈦、鉛等。

1）硫（S）

在灰鑄鐵中起著很重要的作用，一定的S含量可以減緩鐵水過熱后的白口寬度的增加。S以Mn S形式存在，熔點(diǎn)高，可作為石墨核心，同時S還可以使得石墨片變厚，尖端變鈍，以減少對基體的割裂作用。經(jīng)驗(yàn)證明，電爐熔煉灰鑄鐵要想保證高強(qiáng)度和良好的孕育，含硫量0.06%～0.09%為好。在沖天爐中，S主要來源于焦碳，由于焦碳中含硫量高，所以沖天爐鐵水中的S含量較高，一般為0.1%～0.3%.而電爐熔煉時所用的原材料本身含硫量很低，所以電爐鐵水含硫量也很低，一般為0.03%～0.04%.

2）氮（N）

N對鑄鐵性能的影響主要有兩方面，一是象S一樣對石墨形態(tài)的影響，使其變厚變鈍。另一方面是對基體組織的強(qiáng)化作用。在沖天爐熔煉過程中焦碳中的N和空氣中的N2在高溫下一部分分解以原子形式溶入鐵水中，使得鐵水中的N含量很高，而電爐熔煉中所使用的增碳劑其含氮量通常只有焦碳的2/3左右[2]，而且沒有空氣的參與，所以電爐鐵水的含氮量要比沖天爐的含氮量低的多。當(dāng)鐵水中Ti含量較高時，它可以中和一部分N，這樣N對改善性能的作用就無從談起。

3）鈦（Ti）

Ti在鑄鐵中中和一部分N，因此，間接地對鑄鐵性能起著不利作用。不管是在沖天爐還是電爐鐵水中絕大多數(shù)的鈦是來源于生鐵，而且在熔煉過程中的變化不大，只是由于兩種熔爐鐵水中N含量的不同才反映出其對鑄鐵性能的影響。

4）鉛（Pb）

Pb對鑄鐵性能的影響主要表現(xiàn)在對石墨形態(tài)改變，由于Pb的存在，在結(jié)晶時會產(chǎn)生“魏氏石墨”這種石墨的存在將大大地降低鑄鐵的性能。在沖天爐中由于冶金反應(yīng)非常強(qiáng)烈，且爐料是處于氧化性很強(qiáng)的環(huán)境中，又因Pb的熔點(diǎn)低，在高溫下易蒸發(fā)，所以沖天爐鐵水Pb含量較低。然而電爐熔煉缺乏沖天爐的條件，爐料中的Pb相當(dāng)一部分溶于鐵水中，最終對鑄鐵的性能產(chǎn)生影響。

根據(jù)上述所作分析，在沖天爐中比較正常的鐵水，因其爐內(nèi)脫氧條件良好，加之熔化速度快，多數(shù)結(jié)晶核心在尚未消失之前已經(jīng)進(jìn)行澆注。在鐵水無異常的情況下只要適當(dāng)?shù)脑杏幚砭涂梢赃_(dá)到預(yù)計(jì)的性能要求。所以沖天爐熔煉的重點(diǎn)應(yīng)注意控制出爐溫度和化學(xué)成分。

在電爐熔煉過程中要盡量減少結(jié)晶核心的損失，就需要嚴(yán)格控制熔煉溫度和鐵水的保溫時間。據(jù)資料介紹，1510℃時是一個臨界溫度[1]，此時在熔池中發(fā)生自脫氧的化學(xué)反應(yīng)，在這個臨界點(diǎn)金屬開始沸騰，碳和氧化物反應(yīng)生成CO氣體，氣體逸出時攜帶大量的雜質(zhì)。這個過程使氧化夾雜物突然減少。發(fā)生自脫氧的溫度和熔池的化學(xué)成分有關(guān)，也與熔池中是否有游離的碳和硅有關(guān)?？傊畬τ诖蠖鄶?shù)的成份來說均為1510℃。低于這個溫度鐵水氧化嚴(yán)重，加入的孕育劑不是全部用作孕育，而是有一部分在起脫氧作用，結(jié)果得到含有較多夾雜物的鐵水。脫氧不好的鐵水結(jié)果常常出現(xiàn)氣孔、針孔，混合型石墨，最終使綜合性能降低。因此電爐熔煉一定注意過熱溫度的控制，但卻不宜過高，過高的溫度將損失結(jié)晶核心，結(jié)果造成組織粗大。

在電爐中加入一定量的硫鐵礦控制含硫量在0.06%～0.01%的范圍內(nèi)，來改善結(jié)晶條件，以減少石墨對基體的割裂作用。為了增加結(jié)晶核心，在熔化后期也可以適當(dāng)加入碳或硅鐵再生結(jié)晶核心。如果在熔池中加入碳化硅顆?？梢缘玫礁玫男Ч?yàn)樘蓟柙阼F水中的溶解速度緩慢。使用碳化硅是一項(xiàng)專利技術(shù)，這種方法常被用來消除鐵水過熱后結(jié)晶核心減少帶來的不良影響。

電爐熔煉過程C、Si、Mn用增碳劑和相應(yīng)的鐵合金進(jìn)行調(diào)整。值得注意的是除了對以上元素，還應(yīng)對N、Ti、Pb等微量元素進(jìn)行嚴(yán)格的控制。具有關(guān)實(shí)驗(yàn)證明在爐內(nèi)加入石灰氮可以有效地增加N的含量，但一定要注意與Ti的匹配關(guān)系，過高的N含量就會有產(chǎn)生氮?dú)饪椎目赡?。因此在對N進(jìn)行調(diào)整時一定要慎重。

對于Pb的控制最重要的是要對原材料嚴(yán)格檢查，盡量減少含鉛物投爐。一但Pb含量超標(biāo)就會產(chǎn)生魏氏石墨，此時一定要采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，常用的措施是補(bǔ)加爐料稀釋，或在出鐵時加入Re-Si來消除或減小Pb的危害，這也是非常有效的方法。如果Pb含量太高而無法調(diào)整，只有放棄鐵水，決不可輕易澆注。

2.3 廢鋼比例的選擇

在電爐熔煉中，降低碳含量可獲得較高的機(jī)械性能，其方法有二：①高溫下脫碳，可得到高的強(qiáng)度和硬度，但鑄造性能變差。②配入較高的廢鋼，因?yàn)閺U鋼用量大，鐵水增碳充分，這樣在獲得高強(qiáng)度的同時可以獲得良好的鑄造性能。在生產(chǎn)過程中采用第二種方法，以便獲得具有良好質(zhì)量的鑄件。

常用的增碳劑有石墨、類石墨及碳化硅等，增碳劑中一般含有較高的N，同時增碳劑的使用可以增加結(jié)晶核心。因此在電爐熔煉時一定要配入較多的廢鋼，這樣增碳劑的用量就多，增碳劑中的N大部分溶入鐵液，這對提高鑄鐵的性能有一定的作用。

［1］陸文華.鑄造合金及熔煉［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［2］宋強(qiáng)，王錄才，張明.沖天爐與感應(yīng)電爐熔煉的對比分析［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2011（5）：1-4.

［3］楊貴成.感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵的碳當(dāng)量與抗拉強(qiáng)度和硬度的關(guān)系［J］.鑄造設(shè)備研究，2002（4）:37-38.