采用感應(yīng)電爐使用廢鋼生產(chǎn)高牌號灰鑄鐵件的探討

黃永強(qiáng)，蘆陸平，鄧剛虎

（山西華德冶鑄有限公司，山西臨汾 041000）

受環(huán)境保護(hù)和降低成本兩大因素的影響，目前企業(yè)用中頻感應(yīng)電爐進(jìn)行熔煉采用廢鋼生產(chǎn)高牌號鑄鐵件的優(yōu)勢逐漸呈現(xiàn)出來。但部分企業(yè)，尤其是新的操作工人由于對中頻電爐的認(rèn)識不夠，生產(chǎn)的鐵水質(zhì)量不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生操作失當(dāng)和安全事故。了解中頻感應(yīng)電爐的熔煉特點(diǎn)和認(rèn)識高牌號灰鑄鐵的特性，掌握實(shí)際的操作與控制方式與方法是生產(chǎn)合格鐵水最基本的保障。

1 中頻感應(yīng)電爐的熔煉特點(diǎn)

感應(yīng)電爐熔煉原理是電爐通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流獲得熱能，熔化爐料生成鐵液，同時經(jīng)過電磁攪拌鐵液，使得鐵液溫度上升，化學(xué)成分更加均勻，一些非金屬夾渣等雜物逐漸漂浮在液面上，由于其與空氣接觸形成渣層，一定程度上可以起到保溫作用，還可以防止鐵液中硅、錳及合金元素氧化，也防止了鐵液吸收外部的氣體。熔煉過程中與沖天爐所不同的是鐵液不會增碳增硫。

感應(yīng)電爐開爐后可連續(xù)運(yùn)行，或者間斷性生產(chǎn)，而且能夠進(jìn)行多種材質(zhì)金屬熔煉。

2 高牌號灰鑄鐵的化學(xué)成分

要使得高牌號灰鑄鐵各項性能達(dá)標(biāo)，必須關(guān)注其金相組織，符合標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)成分決定了金相組織。因此合理選擇鐵水的化學(xué)成分是提高灰鑄鐵鑄件性能的重要途徑。高牌號灰鐵成分控制如表1.

表1 高牌號灰鐵成分控制

3 熔煉高牌號灰鐵的原料選擇

感應(yīng)電爐熔煉由于其熔化與沖天爐熔化工況的區(qū)別，不僅對金屬爐料的材質(zhì)和塊度形狀有要求，而且對熔煉高牌號灰鑄鐵的原材料的質(zhì)量也提出了要求：1）生鐵選用國標(biāo)鑄造生鐵Z14、Z18等，使用化學(xué)成分不準(zhǔn)確和不穩(wěn)定的生鐵會嚴(yán)重影響鐵水質(zhì)量；2）廢鋼選用普通碳素廢鋼、優(yōu)質(zhì)碳素廢鋼，不能選擇合金廢鋼以及含有干擾元素的廢鋼，同時要求表面干凈、無銹、無雜質(zhì)；3）回爐料要求拋丸后干凈的回爐料[5]。感應(yīng)電爐熔煉主要爐料配比如表2.

表2 熔煉高牌號灰鐵主要原材料配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

特別注意的是為降低成本，目前企業(yè)實(shí)際操作中，廢鋼的加入量已經(jīng)很大很大，加入量甚至到了80%以上。

4 增碳劑和孕育劑質(zhì)量控制

實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，對增碳劑和孕育劑的選擇相當(dāng)重要，選用質(zhì)量高層次的增碳劑和孕育劑收得率就高，獲得的鐵液質(zhì)量也就品質(zhì)可靠，質(zhì)量有保證。

了解增碳劑加入，隨采用隨原材料加入和鐵水熔化后期1 400℃以上時加入相結(jié)合的方法進(jìn)行增碳。通過檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，增碳劑的吸收率在85%～90%，滿足基本需求。

常用的增碳劑主要是石墨和石油焦，兩種增碳劑的含氮量都可能在較大的范圍內(nèi)改變：石墨的含氮量可在0.15%～2.5%之間；石油焦的含氮量則在0.3%～2.0%之間。無論采用何種增碳劑，都應(yīng)選含氮量低的品種。選用石墨電極作為增碳劑最佳[3]。

孕育劑一般采用硅-鋇類復(fù)合孕育劑[2]。孕育處理的主要目的是促進(jìn)石墨化和減少白口傾向，增加共晶團(tuán)的數(shù)量，控制石墨形態(tài)以獲得A型石墨，改善灰鑄鐵的性能。采用包內(nèi)沖入法孕育，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：0.4%～0.6%.

5 高牌號灰鑄鐵感應(yīng)電爐熔煉鐵水質(zhì)量控制與檢測

電爐熔煉熔煉高牌號灰鑄鐵鐵水時對鐵水質(zhì)量的控制和檢測，除了對加入爐內(nèi)的原輔材料進(jìn)行重量配比外，還要關(guān)注以下幾點(diǎn)。

5.1 碳當(dāng)量CE與抗拉強(qiáng)度σb的對應(yīng)數(shù)據(jù)關(guān)系

爐前采用濕型砂澆注φ30 mm的試棒，加工出標(biāo)準(zhǔn)試樣，并測量其抗拉強(qiáng)度σb，同時進(jìn)行化學(xué)分析并計算碳當(dāng)量C E.結(jié)合實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)公式推算碳當(dāng)量C E與抗拉強(qiáng)度σb的對應(yīng)數(shù)據(jù)關(guān)系式σb=909.83-167.66C E[2].灰鑄鐵化學(xué)成分、碳當(dāng)量C E及抗拉強(qiáng)度σb的控制范圍見表3.

表3 灰鑄鐵化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）、碳當(dāng)量CE及抗拉強(qiáng)度σb的控制范圍

根據(jù)爐前測得鐵水碳當(dāng)量，得到碳當(dāng)量C E與抗拉強(qiáng)度σb函數(shù)關(guān)系，從而預(yù)測鑄件的抗拉強(qiáng)度。碳當(dāng)量C E可通過熱分析儀快速測定，故在爐前就可以預(yù)先控制每爐、甚至控制每包鐵水的質(zhì)量，達(dá)到穩(wěn)定鑄件質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率的目的。

通過抗拉試棒用拉力機(jī)檢測其抗拉強(qiáng)度值，對應(yīng)實(shí)際檢測的抗拉強(qiáng)度數(shù)值，以及爐前測得鐵水碳當(dāng)量，得到碳當(dāng)量C E與抗拉強(qiáng)度σb函數(shù)關(guān)系預(yù)測鑄件的抗拉強(qiáng)度數(shù)值，更能及時在爐前做到及時微調(diào)和提前控制，確保獲得的鑄鐵件達(dá)到需要的機(jī)械性能。

5.2 感應(yīng)電爐熔制的鐵液中氣體含量指標(biāo)控制

對感應(yīng)電爐熔制的鐵液中氣體含量指標(biāo)進(jìn)行控制，中頻感應(yīng)電爐熔煉鐵液中氣體量控制指標(biāo)見表4.其目的就是要保證灰鑄鐵件的內(nèi)在和外觀上沒有或者控制到一定程度上的氣孔量。為此首先要了解感應(yīng)電爐熔煉和氣體含量指標(biāo)控制辦法。

感應(yīng)電爐在熔煉鑄鐵的時候，金屬爐料和爐氣接觸的時間是很短的，熔融的金屬液與爐氣接觸的界面也很小，因而感應(yīng)電爐熔煉的鐵液中，氫和氧的含量都非常低，但氮含量很高[6]，這個指標(biāo)控制要在原輔材料的選用上解決。

表4 中頻感應(yīng)電爐熔煉氣體指標(biāo)

控制的重點(diǎn)主要是鐵水中的含氮量，而關(guān)鍵在于加入爐內(nèi)的原輔材料，重中之重就是，一選用廢鋼要求是普通碳鋼，而且要在加入量上適當(dāng)控制，并不是越多越好；二含碳量低的增碳劑，如前面提到的石墨和石油焦。

5.3 電爐熔煉時的鑄鐵結(jié)晶特性

不同碳當(dāng)量下熔煉工藝對鑄鐵共晶結(jié)晶過冷度有一定的影響[6]。

電爐在熔煉過程中，共晶結(jié)晶時晶核的數(shù)量減少。從爐料開始熔化到出鐵需要經(jīng)過1 h左右，感應(yīng)加熱所獨(dú)有的攪拌作用，使鐵液中作為石墨外來晶核的物質(zhì)大大減少，所以在用感應(yīng)電爐熔煉灰鐵時，要做好孕育處理，孕育劑的用量要比沖天爐熔煉時多一些，最好在出爐前先進(jìn)行一次預(yù)孕育，以改善鑄鐵的共晶結(jié)晶生核條件。

鑄鐵中的氮主要來源于熔煉過程，中頻感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵，主要是鐵水內(nèi)結(jié)晶核心少，鐵水白口傾向大之外，還應(yīng)考慮氮對機(jī)體的強(qiáng)化作用。鑄鐵成分在：ω（C）：3.12%，ω（S i）：1.35%，ω（Mn）：0.71%，ω（S）：0.09%，ω（P）：0.13%的鐵液中隨氮含量的增加，鑄鐵強(qiáng)度也逐步增加。氮含量對灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響見表5.

表5 氮含量對灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響

適量氮在灰鑄鐵中穩(wěn)定并細(xì)化珠光體，可作為間隙原子而固溶于鐵素體和滲碳體中，并使其產(chǎn)生晶格畸變，基體組織得到強(qiáng)化，強(qiáng)度性能提高。

5.4 合金元素鈦的控制

除了五大元素之外，對重要的有害微量元素也必須做出要求，高牌號灰鐵熔煉一定要注重氮、鈦含量。鈦在灰鑄鐵中的作用，對于要求珠光體量大于95%的灰鑄鐵，無疑是有害元素，因?yàn)殁伵c氮化合明顯消耗鑄鐵中強(qiáng)化基體的氮，從而降低灰鑄鐵強(qiáng)度和硬度。

鑄鐵中含少量的鈦，鈦是石墨化元素，能減少白口傾向，細(xì)化石墨。當(dāng)鐵液中含鈦量高時，鈦氮結(jié)合使得灰鑄鐵基體鐵素體量增加，降低鑄件的強(qiáng)度和硬度。

對灰鑄鐵化學(xué)成分鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求＜0.025%最佳。

6 采用電爐作業(yè)熔煉過程計算機(jī)控制提高熔煉質(zhì)量

在生產(chǎn)現(xiàn)場加強(qiáng)5S管理，有效的對原輔材料進(jìn)行精細(xì)化分類，對材料進(jìn)行潔凈化處理，使用材料計量統(tǒng)計管理等等，科學(xué)的對高牌號灰鑄鐵生產(chǎn)系統(tǒng)管理，數(shù)據(jù)管理，進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，能有效提高熔煉質(zhì)量，更能促進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)的良性循環(huán)。對電爐作業(yè)熔煉過程計算機(jī)控制更能有效的提高電路熔煉鐵水的質(zhì)量：

1）原輔材料管理、配料計算等，爐前電腦與配料系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，及時計算和驗(yàn)算配料結(jié)果；

2）自動冷啟動控制爐襯燒結(jié)時間，延長爐襯壽命，自動控制熔煉過程；

3）電腦連接自動監(jiān)測爐況，對電源、爐體、爐襯、水冷系統(tǒng)預(yù)測故障，增加安全、減少損害。

4）集中對高牌號灰鑄鐵電爐熔煉的生產(chǎn)物料數(shù)據(jù)管理，進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，確?；瘜W(xué)成分的一致性，綜合分析加以改善歸納并提高。

綜上所述，隨著我國對環(huán)境的保護(hù)越來越重視，使用中頻爐進(jìn)行熔煉的企業(yè)也越來越多。中頻感應(yīng)電爐熔煉過程中需要嚴(yán)格控制增碳劑對鐵水含氮量的控制，鐵水中微量的氮元素能提高鑄件的力學(xué)性能，但過量則會產(chǎn)生氣孔缺陷。爐前測得的鐵水碳當(dāng)量，可根據(jù)鑄件碳當(dāng)量（C E）與其抗拉強(qiáng)度σb的函數(shù)關(guān)系，預(yù)測鑄件的實(shí)際抗拉強(qiáng)度。

7 結(jié)論

了解中頻感應(yīng)電爐的熔煉特點(diǎn)，結(jié)合熔煉高牌號灰鐵性能，化學(xué)成分等，科學(xué)的對高牌號灰鑄鐵生產(chǎn)進(jìn)行系統(tǒng)管理，數(shù)據(jù)管理，進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，能有效提高熔煉質(zhì)量。