感应炉熔炼铁液 15个常见问题布控

成宁富 · 发表于 2016-6-6 13:05:26

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一、感应炉铁液质量控制的四个方面
   人们常说：“成分决定组织，组织决定性能。”这句话大体上是对的，但不够全面。因为，过去一提化学成分，往往只是５元素和合金元素；除了成分因素外，结晶的控制对组织的形成亦很重要，比如与铸铁壁厚、铸型条件有关的冷却速度，结晶核心的预设，石墨形态的走向等等。把冷却速度的外因放在一边，铸铁熔炼方面应着力做到化学成分准确、铁液干净、干扰元素少和石墨核心有布控等四个方面。

１．铁液化学成分要准确稳定

　　把铸造做强，提高铸件的国际竞争力，赢得铸件定价的话语权，性能稳定达到客户的要求非常重要。一时一事把化学成分做准，不算本事，始终准确，稳定生产才有水平。

感应炉比冲天炉的烧损少的多，但毕竟有烧失。应当尽量减少烧损，并减少烧损波动的因素。

要特别提醒几点：

　　（１）净料入炉最好，炉料又脏又杂是大忌。

　　（２）采用比功率大的炉子，并辅以合理的装料投料操作，以实现快速熔炼。缩短熔解期，并防止炉底过热尤其重要，因为氧化主要在铁料的熔解阶段。

　　（３）铁液过度过热，分次出铁和浇铸拖沓都会引起成分的波动。

　　（４）在弄清各种炉料成分的基础上，要仔细计算配料。配料时务必把熔炼后期因“自沸腾”而引起的脱C量和增Si量考虑在内。

２．净化铁液

　　净化铁液是指排除铁液中的非金属夹杂物和气体。

　　借电磁搅拌和“自沸腾”，感应炉有较好的排渣除气作用。如果炉料比较干净，又认真用除渣剂清渣，清除非金属夹杂物不成问题，有无非金属夹杂物从显微检验中也容易发现。H、O、N气体就不那么直感了。但其中溶解H，即［H］，只要熔炼后期所用辅料不是潮湿的，［H］不会成问题，可保证［H］＜2ppm。铸件中产生针孔，是由铸型或浇包中的水分造成的，不是［H］的过。熔炼中、后期由于［O］和［FeO］被C还原，感应炉铁液中的氧并不多。在生产灰铸铁时，有时甚至还要设法增O。所以除气实际上是除N的问题。

　　随着我国废钢积存量的增加，感应炉中废钢用量必然增加。多用废钢，不但降低炉料成本，还可以提高铸铁性能，一举两得。废钢的含N量高，此外多用废钢少用生铁，必然要用增碳剂增C，增碳剂又会带来一些N。所以［N］可能超标（如薄壁件＞100ppm，厚壁件＞80ppm）,致使铸件中产生裂隙状气孔，对性能的稳定性也不利。所以不要用含N高的废钢和增碳剂，必要时除N需要采取附加措施，如吹Ar。个别工厂借用铸钢经验，用LF炉精炼，生产纯净的高端铸件。如果［N］不是很高，又无妨于机加工性能，则加Ti等使［N］生成TiN等,进行固N处理，则是最简捷的办法。

３．控制有害微量元素

　　有害微量元素是通过异化石墨形态，产生脆性相和影响基体组织等而起不利作用的，它们主要由某些地方生铁和废钢带来。控制有害微量元素的办法，一是把好炉料关，防止有害元素混入。二是采用铸造用高纯生铁，稀释有害微量元素含量。

４．石墨核心的布控

　　众所周知，感应炉铁液的过冷倾向大，因此白口倾向大，收缩倾向大，影响切削加工性能。追根溯源是感应炉的熔炼时间长，使生铁及回炉料中带来的石墨，残存少或全部消溶了，而铁液中某些SiO2之类可作为石墨外来核心的数量又不足，导致铁液过冷倾向增大。

　　解决的办法有两个方面。一方面是快速熔炼，特别是占熔炼时间70%的化清过程要快。后期过热温度不要过高（一般视不同情况取1490～1540℃），保温时间不要过长。目的都是为了多保留些炉料中的细微石墨。另一方面更重要，就是如何用好增碳剂。前已述及，感应炉用了较多废钢是需要增C的，应选用晶型好的石墨增碳剂。如果增C量大，可以搭用一部分碳素增碳剂，在装料期加，但一定要留一些石墨型增碳剂在化清后加。冶金型SiC,可以增C增Si，并起到石墨形核的作用。在国际上SiC是很受推崇的预处理剂。

　　以上是炉内石墨核心布控的思路，至于炉外的各种处理则另当别论了

二、感应炉熔炼中15个常见问题及对策

感应炉工作中出现的问题很多，以下仅就若干常见问题作一介绍。

１．元素烧损偏大

   感应炉中Si、Mn、Cr等易氧化元素的烧损，多在3%～5%。烧损超值，铸铁化学成分波动，必然要引起一系列的组织和性能问题。元素烧损大，一般发生在熔清时间过长，又未注意造渣保护的时侯。若废钢用量大，轻薄料多，炉料带水带锈，问题更是加重。避免元素烧损过大的办法是：

（１）炉料尽量干净，形状不要枝叉，尺寸不能过大、过薄。

（２）杜绝架料，并创造一切能快熔的条件。

（３）熔炼前期要及时造渣，后期高温下有熔渣覆盖。充分发挥熔渣的保护作用。

（４）如果工厂有切屑要利用，炉底可铺一些，熔清向熔池分批添加一些。

２．铁液中O偏高

　　感应炉没有冲天炉的氧化性气氛，而且由于铁液中的［O］和［FeO］与［C］产生反应，使Fe受到了C的保护，铁液中的溶氧是不多的。可是熔炼后期为了促使增C剂溶吸，常调低电频率以加强熔池搅动。如果“驼峰”过高，调频时间过长，铁液与大气接触几率增加，被离解的O离子将进入铁液。熔炼后期添加料未经烘烤，也会使［O］、［H］增加。近期，有业内人士提出：在1500℃以上保温，［O］不会降低，而是提高的观点，可供参考。防止O偏高的办法是：

（１）熔炼后期调频不要过度。

（２）后期不要使用潮湿的物料和工具。

（３）过热温度不要过高，切忌高温下长时间保温。

３．铁液C量低于预期

　　铁液温度超过平衡温度，反应SiO2+2C=Si +2CO向右进行，造成铁液降C增Si。所以配料时不能忘了补C。要掌握本厂的降C量，把C量如数补足。还要提醒一点，灰铸铁后期调整成分，要采取先Mn再C后Si的顺序。

４．铸件机加工后，发现有裂隙状气孔

　　裂隙状气孔是N气孔的特征。当［N］超限时容易发生，铁液中非金属夹杂物多，发生的几率更高。“病从口入”，所以要限制电弧炉废钢用量，电弧炉废钢的［N］高，而转炉废钢则不然。更要防止混入含N高的废合金钢料，如高锰钢、耐热的高铬铁素体钢和铬锰氮钢，以及奥化体钢等。当然这些合金钢带来的Mn、Cr、N、Ni对于铁素体球铁也是忌讳的。不同增C剂的含N量差别很大，煅烧石油焦的N量要比人造石墨增C剂高出许多，取某两种产品比较其含N量，前者为500ppm，后者仅为20～25ppm。SiC含N量比人造石墨的还少，用之也是放心的。若发现铁液中N量高，应当机立断，用Ti（Fe）、Al、Zr(Fe)等进行固N处理。

　　必须说明，裂隙状气孔当然要防，但并不是N越低越好。对于灰铸铁，N可缩短石墨长度，有使石墨端部圆滑的趋势，N溶于固溶体可促使珠光体细化，并增加珠光体数量。N还有孕育作用，促进石墨化。因此，可溶性N对灰铸铁有利用价值。在美国GE特殊合金灰铸铁的技术要求中，规定N量在60～120ppm，Ti要限制在0.025%以下。埃肯公司在谈到汽车行业中灰铸铁时，认为［N］的理想含量是95～160ppm，并指出不要用Ti、Al、Zr进行固N。

５．灰铸铁孕育效果不佳

　　在一些工厂，灰铸铁孕育效果不好，即使多加孕育剂亦无济于事。这与感应炉铁液中的O、S含量低有关。不同资料，数据虽有出入，但很接近：［O］＜10ppm,＜15ppm,在20ppm左右；［S］＜0.06%，＜0.05%，在0.02%～0.04%。基本的解决办法是用FeS系增S剂，把S提高至0.07%～0.10%。少数工厂后期还加增O剂，例如用海绵铁或烧结铁或切屑，使［O］达到30ppm以上。亦有工厂使用氧硫孕育剂。这些方法无非是生成氧硫化物，起石墨核心的作用。必须指出，在低S铁液中，形成了的石墨是比较容易消失的。这恐怕也是低S灰铸铁铁液“孕育不上”的一个原因。

　　关于MnS,长期以来，常说MnS是石墨的核心。然而人们在显微镜下观察，不乏淡灰蓝色的MnS质点。因此MnS是否是石墨核心，在什么条件下才能成为核心，需要实证。况且，灰铸铁中常有0.6%～1.2%的Mn,增S至0.07%～0.10%，这点S是远不足以满足Mn=1.73S的平衡需要的。显然该S不是为了去平衡Mn，不是为了生成简单的化合物MnS去起什么核心作用，S与O只有与更活泼的元素，如Ba、Ce、Zr、Al等一起生成硫氧化合物，才能起到石墨的外来核心作用。

６．球墨铸铁球化等级波动大

   某厂球墨铸铁的球化等级出现较大波动。经分析检查，原铁液S为0.01991%、0.02872%、0.02399%、0.02660%、0.03338%、0.03885%、0.01559%，含量起起伏伏，球化自然不稳定。只有加强管理，稳住了原铁液S含量，球化等级才可能稳定。

　　笔者了解到一个乡镇企业，原来用冲天炉生产低铬磨球，后来改用感应炉，低铬磨球照干，又接了球墨铸铁任务。但炉子合用，既不分用炉体，又不懂得洗炉。球化反应，光烟俱有，液面亦窜“火苗”，但浇出的铸件有碳化物，石墨球稀少，基体组织面目全非。经整顿，严格炉料管理，灰铸铁和球墨铸铁的回炉料不再相混，分炉体熔炼，问题就解决了。

7.石墨球数较少，球径大小不匀

   有球状石墨，说明残留Mg量没问题。毛病出在孕育不好或孕育衰退，如果铸件未产生白口，说明孕育差距尚不大。从熔炼而言，应该使用人造石墨增C剂布控好石墨核心。业内人士推荐SiC比人造石墨更好。并指出SiC质轻，易上浮，且表面有SiO2膜阻隔，影响溶解。因此，SiC在加料期加为好。如果以喂丝法处理，孕育务必要在球化结束后，稍滞后进行，以免孕育加速衰退。

　　常常有人问到，石墨球数以多少为合适。在球墨铸铁标准中，对石墨球数未作规定。根据石墨大小6级推算，大体球数＞150个/m㎡。ADI的工艺控制中规定石墨球数不低于100个/m㎡。

　　说到石墨增C剂，是容易从直觉上与碳素增C剂相区别的。但近年来发现，直觉判断为石墨增C剂，但使用效果却不好。看来，今后制定增C剂标准需要仔细推敲。

8.铸件切削加工性能不好

   切削加工性能是一个复杂的命题，涉及被加工对象，刀具，切削工艺参数和操作者对加工性能优劣的认知等。仅就铸铁而言，切削加工性不好，可能是多方面的原因：①有自由渗碳体。②有硬质点（如磷化物，钛化物...）。③有未熔尽的FeSi。④铁素体球墨铸铁中残留珠光体量多。⑤在热节处因RE偏聚引起的反白口，不一而足。读者利用基本的专业知识，对症下药，即可药到病止。

9.光谱分析，残Mg量在0.06%以上，但铸件并无白口

　　一般中等壁厚件，残Mg量在0.035%～0.045%即可球化。光谱分析出残Mg量在0.06%以上，金相检验又无白口，说明该厂光谱分析出了问题。光谱分析一定要经常用标样校正，用化学分析法作比对。光谱分析样的制备和打磨要认真按规程去做。Mg,以及P、C和S对操作手法很敏感，不可大意。

10.球墨铸铁的冲击韧度低

   铁素体球墨铸铁和等温淬火球墨铸铁中的QTD800-10R（需方有要求时）对V型缺口试样的最小冲击功有规定。若冲击功达不到要求，必须报废。确定他们的化学成分很关键。以铁素体球墨铸铁中的QT350-22L和QT400-18L为例，要求低P低Mn，并对Si量作相应的限制。这些专业性问题，在此从略。从熔炼角度看，应：①选用碳素废钢，并使用一定量的铸造用高纯生铁。②按照上述的提示，作好铁液质量控制的四方面工作。③把炉前处理作好。这样即可防患于未然。

11.出现不明原因的毛病

   有时候，觉得生产中啥也没变，铸件却出了毛病。怎么去深入找原因？建议运用先进的检测手段，比如用光谱仪查微量元素，用氧氮仪测总氧和总氮，用能谱分析作相成分，用X射线衍射作结构分析等。本厂若做不了，应委托有关单位去做。然后请专家一起进行诊断。

12.熔炼时间长，电耗高

      熔炼时间长，电耗高，通常是感应炉先天不足造成的。进入21世纪，中频感应炉发展很快。随着可控硅技术和电力电容器技术的发展，串联节能型中频炉异军突起；“可控硅串联的一拖二运行”理念深入人心。球墨铸铁吨电耗可低于570kW•h。而传统并联中频炉，吨电耗在800 kW•h以上。

　　调查发现，有的企业从变电站到中频电源，再经过铜排及电缆到炉体系统，每一环上都有无谓的电能浪费。亟须通过技术改造，节能增效。笔者对“电“不甚了了，铸造厂可找供应商作更新改造，亦可以在原有并联设备的基础上请其作专项改进。

13.炉子小毛病不断

   炉子的小毛病都出在电气系统和机械系统的零配件上面。购炉子不能贪图便宜，购炉时要了解供应商的资质和口碑。一流的供应商会根据铸造厂的情况，提出详细的项目书，其中对电源部分、炉子部分和选购部分列有清单，对外构件及辅机配套厂也有明白的交代。三流的供应商往往除炉子本体自制外，其余是串组起来的。与他们打交道，购货要注意细节。要问清楚可控硅、控制板、集成块、元器件、绝缘材料以及缸泵的来源，还要检查线圈水循环系统的接头是否可靠、水温能否巡查报警、有无漏电报警，电路系统是否防结露等等。以上各点有所疏忽，炉子工作起来就会频繁出毛病，耽误生产，带来经济损失。

14.炉龄低

   熔炼灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁采用酸性炉衬材料，由石英岩破碎过筛后的石英砂为其骨料。石英岩遍布全国各地，但由于地质年代和成矿条件的不同，质地并不相同。精制石英砂应该：①SiO2含量大于98%。②伴生碱性金属氧化物小于0.2%，Fe2O3小于0.5%，Al2O3小于0.5%。。③地质年代久远。此种石英的晶格完整，缺陷少，晶粒均匀。

　　炉衬质量事关炉龄和生产安全性，也影响铁液的纯净度和产量，千万不要捡便宜的买。有次行业活动中，有人问：“加硼酸干啥？加多少合适？”我反问他，炉子大小和铸件产品情况。他答不上来，这才知道他是卖炉衬材料的。炉衬材料市场门槛低，胆大的，配配料，弄个像样的包装，就可堂而皇之叫卖了。所以，我主张，如果想把你的铸造厂搞长久搞好，应该上网搜一搜，找好的公司，它们的产品粒度有合理级配，矿化剂用量会根据用户实际情况进行调整，对烧结和养护能提供技术支持。必须指出，第一炉铁液的液面位置、最高温度和保持时间等对炉龄很重要。烧结温度应高于1550℃，以保证烧结层中石英完成方石英化。液面应处于炉口高度附近，使坩埚内表面上下烧结一致。

15.大象脚

   所谓大象脚是指坩埚内腔底部，有一圈向内凹陷，呈大象脚状。它是熔化期架料，底部熔池过热，使炉衬中的SiO2与铁液中的C反应，造成该处炉衬严重侵蚀所致。炉子容量大，炉子底部所受的铁液静压力大，更容易出现大象脚。

对策如下：

（1）不许胡乱加料，不许用大料，不许用整个废铸件。

（2）勤通料，助炉料下行。

（3）发现有大象脚倾向，应及时进行修补。

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