感應(yīng)電爐的特異性及對策

國際鑄業(yè)咨詢網(wǎng) （陜西西安 710075） 袁東洲

由于電力供應(yīng)狀況的改善，以及機(jī)械制造裝備業(yè)對鑄件品質(zhì)要求的提高，近幾年來，在鑄造生產(chǎn)中越來越多地采用感應(yīng)電爐進(jìn)行熔煉，尤其是中頻感應(yīng)電爐已經(jīng)成為新建鑄造車間和熔煉工部技術(shù)改造中優(yōu)先考慮選用的設(shè)備。

目前，我國中頻感應(yīng)電爐電源裝置已發(fā)展到比較高的水平，控制系統(tǒng)的保護(hù)更趨完善合理；計算機(jī)在感應(yīng)電爐上的應(yīng)用，使得爐況監(jiān)控、故障診斷乃至熔煉過程冶金質(zhì)量監(jiān)控具有國際現(xiàn)代化的水準(zhǔn)。感應(yīng)電爐正日益得到廣泛應(yīng)用，對現(xiàn)代化機(jī)械制造和冶金工業(yè)的飛速發(fā)展，對穩(wěn)定地提高鑄件質(zhì)量，減少廢品及降低鑄造車間能耗，改善車間作業(yè)環(huán)境，一定會起到至關(guān)重要的作用。

為把先進(jìn)的熔煉設(shè)備使用好、利用好，我們從事鑄造行業(yè)的工程技術(shù)人員有必要研究和探討感應(yīng)電爐的特性，根據(jù)具體應(yīng)用情況尋找適用的技術(shù)對策。

1.感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵的特異性

感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時工藝相對穩(wěn)定，調(diào)整成分方便，溫度易于控制，熔煉過程的燒損少，尤其生產(chǎn)球墨鑄鐵與沖天爐相比，有利于獲得低硫鐵液，并可減少環(huán)境污染，改善勞動條件，鑄件質(zhì)量較為穩(wěn)定，還可以利用廉價原材料。但任何事物總是具有兩重性，在使用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵的生產(chǎn)實踐中，同樣也會出現(xiàn)和存在一些鑄造性能缺陷，這就是感應(yīng)電爐最常見、最易產(chǎn)生的特異性。

（1）白口傾向增大，過冷度增加，感應(yīng)電爐鐵液與沖天爐鐵液相比晶核數(shù)量較少。結(jié)論是：隨著保溫時間的延長和熔煉（過熱）溫度的提高，鑄鐵的基本組織變異，共晶團(tuán)數(shù)降低，白口深度漸增。

（2）D、E型石墨組織出現(xiàn)，當(dāng)鐵液過熱到較高溫度并長時間保溫時，在獲取亞共晶灰鑄鐵中，A型石墨數(shù)量極易減少，得到的鑄鐵組織中，D、E型石墨比例增加，過冷度增大。這種過冷石墨影響到機(jī)械加工的切削性能。當(dāng)鑄鐵的基本組織中折出鐵素體數(shù)量增加，在出現(xiàn)D、E型石墨時，隨保溫時間延長，會影響鑄鐵的強(qiáng)度和硬度。

（3）鑄鐵件的縮孔及外縮陷。隨著鐵液長時間保溫，還會出現(xiàn)鑄鐵鑄造缺陷，除了上述的白口傾向增大和基體組織異化外，還會引起凝固時的縮孔和外縮陷缺陷，薄壁鑄件（單體鑄造活塞環(huán)）易產(chǎn)生邊角硬度超標(biāo)或白口缺陷；澆注的壁厚差較大的機(jī)械配件厚壁處容易產(chǎn)生疏松、縮松或縮孔等鑄造缺陷。究其產(chǎn)生原因，除鐵液長時間保溫的影響外，當(dāng)然還與加入生銹的嚴(yán)重氧化的金屬爐料有關(guān)。

2.消除感應(yīng)電爐鑄造中特異性的技術(shù)措施

（1）不過分提高出爐溫度，不要高溫儲存或保溫鐵液，堅持“速熔快出”，避免高溫保溫和長時間“過熱”， 從冶金學(xué)角度上說要盡可能“一次過熱”而不是多次過熱，這樣可以防止晶核生成物消耗過多，也可以避免過分劇烈的脫氧反應(yīng)。

就鑄造車間生產(chǎn)現(xiàn)場管理而言，應(yīng)避免感應(yīng)電爐熔煉鐵液等待造型的現(xiàn)象，盡可能地使造型速度與電爐的熔化率相匹配，將鐵液保溫時間盡量縮短，升溫后盡快出爐，避免鐵液過熱導(dǎo)致形核能力差帶來的不良影響。

（2）強(qiáng)化孕育處理措施。出鐵前對鐵液進(jìn)行孕育處理，可以預(yù)防和抑制白口傾向。孕育效果以“后孕育”效果最佳，即澆注時在澆包流鐵嘴進(jìn)行孕育的方法（要求均勻撒在鐵液上經(jīng)澆口杯進(jìn)入鑄型，孕育劑顆粒不能大），這樣可以促使石墨朝著A型方向變化，可以有效抑制或消除過冷石墨（D型和E型）的生成。選擇長效孕育劑（如硅鋇孕育劑FeSi70B5類），可以顯著防止E型石墨形成。

（3）選擇和使用含氮量低的增碳劑。使用含氮量較高的瀝青、焦炭等制作的增碳劑，會使厚壁鑄件產(chǎn)生針狀氣孔及縮孔缺陷。因此，應(yīng)盡量采用含氮量低的廢電極石墨等制作的增碳劑，可以有效減少此類鑄造缺陷。生產(chǎn)球墨鑄鐵件還必須選用低硫的石墨型增碳劑，因為硫含量高不僅障礙石墨化，而且障礙增碳劑的吸收，從而影響石墨球的數(shù)量，降低球墨鑄鐵件的質(zhì)量等級。

（4）出鐵液前，給爐內(nèi)加入經(jīng)過預(yù)熱干凈無銹的新生鐵塊，是消除薄壁鑄件產(chǎn)生過冷石墨和邊角白口的有效措施（如單體鑄造活塞環(huán)）。在熔煉的后期，加入一定比例新生鐵（俗稱面包鐵塊），由于新生鐵中所含的初生石墨能起晶核作用。因而，出鐵前（在1420℃左右）取樣后，加入少量（即配料中新生鐵總量的5%～10%）新生鐵，可以有效防止薄壁鑄件產(chǎn)生過冷石墨及尖角白口現(xiàn)象。其依據(jù)是“未溶石墨質(zhì)點(diǎn)理論”，有效避免薄壁鑄件產(chǎn)生白口缺陷，改善薄壁鑄件切削性能。從安全生產(chǎn)角度考慮，所加入新生鐵塊必須烘烤，預(yù)熱是必不可少的，防止飛濺，以免燒傷熔煉操作工。

（5）電爐熔煉鐵液時原則上CE量應(yīng)略高于沖天爐。使用感應(yīng)電爐也必須控制好鐵液的化學(xué)成分。雖然化學(xué)成分不作為鑄件驗收的唯一重要依據(jù)，但是化學(xué)成分的穩(wěn)定是生產(chǎn)牌號鑄鐵的基礎(chǔ)。有的單位及熔煉工人不重視對鐵液化學(xué)成分的控制，加上有的熔煉操作工的偏面認(rèn)識，只知道硫是有害元素，認(rèn)為硫含量越低，生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量就越高。孰不知，用感應(yīng)電爐熔煉孕育鑄鐵時，為保證孕育的效果良好，應(yīng)使鐵液中的wS=0.045%～0.065%，以不超過wS=0.08%為好。實踐證明，此時鑄件金相組織幾乎全部為A型石墨，且長度在2～3級，經(jīng)孕育后即可達(dá)到4～5級。珠光體含量≥90%。由于成分比較穩(wěn)定，基體組織和石墨形態(tài)得以改善，力學(xué)性能也相應(yīng)得到提高，減少了縮松、縮孔和微裂紋等鑄造缺陷。

較準(zhǔn)確地控制Si含量。以生產(chǎn)牌號為QT450—12球墨鑄鐵件空壓機(jī)曲軸箱、變速箱殼體為例，由于其壁厚差較大，經(jīng)常在厚壁處出現(xiàn)難加工和微裂紋缺陷。經(jīng)顯微檢測后該處金相組織為針狀滲碳體。用感應(yīng)電爐熔煉球墨鑄鐵時出爐溫度一般都在1520℃以上，目的是為消除各種雜質(zhì)和化合物，提高球化率。

由于球墨鑄鐵的凝固為粥狀凝固，上述兩種產(chǎn)品壁厚處消失模鑄造時在負(fù)壓狀態(tài)下表面先凝固，內(nèi)部后凝固，易出現(xiàn)Si偏析。在缺陷處取樣后經(jīng)化學(xué)分析，外表面與內(nèi)部Si的含量相差甚大，才判斷因為嚴(yán)重Si偏析導(dǎo)致加工困難。

由于影響形核能力是由Si含量的多少來決定，所以應(yīng)控制原鐵液的Si含量。通常wSi＝1.2%～1.4%，球化處理時兩次孕育，澆注時在流鐵嘴進(jìn)行后孕育處理之后，終wSi應(yīng)控制在2.65%以內(nèi)。Si含量越高，越容易形成偏析，只要出現(xiàn)Si偏析，石墨球就不圓整，或畸形，因此控制Si含量就尤顯重要。

再則，對澆注系統(tǒng)重新審視設(shè)計，盡可能使溫度場均勻，縮小型腔內(nèi)的鐵液溫度差，抑制Si偏析的形成。

采取以上對策后，再熔煉的球墨鑄鐵，伸長率提高，韌性改善，加工中曾經(jīng)出現(xiàn)的硬邊、鑄件窗口處開裂等鑄造缺陷明顯減少。

（6）加強(qiáng)爐料管理，強(qiáng)化“精料出精品”觀念。注重爐料清理，凡入爐的原輔材料應(yīng)干凈、無銹蝕，回爐料必須經(jīng)過滾筒清理，廢鋼經(jīng)過切割成大小適中塊度（以電爐爐襯內(nèi)徑的2/3為宜），并經(jīng)清理無銹蝕，經(jīng)細(xì)挑精選無雜質(zhì)（比如鋁，產(chǎn)生皮下氣孔）；鐵屑應(yīng)挑選干凈，去除雜質(zhì)，然后壓成餅再加入。

3.感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵的增碳技術(shù)

增碳劑在鑄造時使用，可大幅度增加廢鋼用量，減少生鐵用量或不用生鐵。目前絕大多數(shù)增碳劑都適用于電爐熔煉，通常我們是通過添加增碳劑或加入廢鋼來完成碳的增減調(diào)整。

（1）影響增碳的因素 鐵液增碳時關(guān)注的一是增碳速度；二是增碳時碳的吸收率。影響增碳主要有如下4個因素影響：①鐵液的組成。高錳鐵液有助于吸碳，高硅、高磷鐵液阻礙碳的吸收。鐵液內(nèi)碳飽和度越低，則吸碳速度越快；在高硅鐵液內(nèi)，碳元素的燒損高達(dá)18%；而在高錳鐵液內(nèi)，碳的燒損幾乎為0，這就證明了上面的論點(diǎn)：錳有助于吸碳，而硅阻滯碳吸收。②增碳時的鐵液溫度。③增碳劑的種類和品質(zhì)。④鐵液攪動的程度。鐵液的攪動可以促進(jìn)增碳，因此，攪拌力弱的中頻感應(yīng)電爐與攪拌力強(qiáng)烈的工頻感應(yīng)電爐相比，中頻電爐碳吸收相對要困難得多。過分延長攪動時間反而會加劇碳燒損，降低碳元素的吸收率。

（2）感應(yīng)電爐增碳方法 電爐熔煉時應(yīng)采取將增碳劑隨廢鋼等爐料一起往里投放的方式，小劑量的添加可以選擇加在鐵液表面。但是要避免大批量往鐵液里投料，以防止氧化過多而出現(xiàn)增碳效果不明顯和鑄件碳含量不夠的情況。增碳劑的加入量，根據(jù)其他原材料的配比和含碳量來定。

不同種類的鑄鐵，根據(jù)需要選擇不同型號的增碳劑。具體增碳的方法如下：

第一，經(jīng)過配料計算加入爐料時，按需要分批加入增碳劑。爐料未完全熔化時，把增碳劑包裹好壓入未熔融鐵液中即可，這樣可以避免紛揚(yáng)；當(dāng)達(dá)到所需溫度時增碳過程也就結(jié)束。

第二，對于中頻感應(yīng)電爐而言，增碳劑的加入，最好在金屬爐料加入時逐步加入。過早加入，很容易粘附在爐底及爐壁下部；加入過遲，不僅導(dǎo)致成分調(diào)整延遲，還很有可能造成過度升溫的失誤，在中頻電爐熔煉中使用增碳劑，可按配比或碳當(dāng)量要求隨料加入電爐中下部位，增碳劑的吸收率可達(dá)95%以上。

第三，鐵液熔清后，如果碳量不足調(diào)整碳含量時，鐵液升溫等到爐料完全熔化后，先打凈鐵液表面渣滓和爐中熔渣，加上碎玻璃渣覆蓋鐵液鏡面，再撥開后加入增碳劑，壓入鐵液中不讓其露在鐵液的表面，經(jīng)電磁攪拌或人工攪拌使碳溶解吸收，使其卷入鐵液內(nèi)，約15min完成增碳作業(yè)，碳元素吸收率可在90%左右。

第四，需要同時增碳和增硅時，必須遵循“先增碳后增硅”的大原則。在完成增碳后方可添加硅鐵進(jìn)行增硅作業(yè)，否則就會影響鐵液吸收碳的速度。

（3）降碳或脫碳的方法 一是在鐵液熔化不是很滿的情況下，采取加入經(jīng)過預(yù)熱的廢鋼降碳；二是利用鐵液攪拌運(yùn)動將氧化鐵（鍛工車間的錘渣）卷入鐵液內(nèi)，可以進(jìn)行脫碳和其他元素的氧化脫除。經(jīng)過實踐，錘渣對鐵液的干擾太大，且互相影響。

相關(guān)資料顯示：在鐵液1420℃時加入10%左右的錘渣，除了硫元素外，鑄鐵常規(guī)五大元素的其他4個元素均有減少。

（4）感應(yīng)電爐酸性爐襯的配料原則 熔化鑄鐵時在不同溫度條件下，鐵液中含量最多的碳和硅會與爐襯發(fā)生反應(yīng)，使?fàn)t襯的厚度和鐵液成分發(fā)生變化。尤其是溫度較高時，石英砂爐襯中的SiO2被鐵液中的碳還原，這樣的結(jié)果使得爐襯被侵蝕而變薄，鐵液的成分將減碳增硅。因此，在鑄造生產(chǎn)中，爐前配料計算時就得按照“低硅、高碳”的原則進(jìn)行，這樣生產(chǎn)出來的鑄件成分才不會偏離標(biāo)準(zhǔn)。這也是使用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵的一個特性。

4.結(jié)語

將先進(jìn)的熔煉設(shè)備應(yīng)用于鑄造工業(yè)生產(chǎn)是一大進(jìn)步。能夠認(rèn)識設(shè)備使用性能，找到其特異性的癥結(jié)所在，采取針對性的技術(shù)措施消弱以至消除其帶來的不利影響，能完全掌握并利用好該設(shè)備同樣也是一大進(jìn)步。為進(jìn)一步提高感應(yīng)電爐熔煉的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)充分利用其所長，通過改變生產(chǎn)方式，改善工藝技術(shù)措施，以減少感應(yīng)電爐熔煉的鑄鐵件缺陷，這些方面還有許多工作要做，仍然任重道遠(yuǎn)。