提高熔炼过程中铁水纯净度

提高冲天炉和电炉熔炼过程中铁水纯净度 徐玉强 摘要：铸造生产的核心环节是熔炼合格的铁水，注到合格的铸型中成形。合格的铸型主要保证铸件的形状和尺寸精度，而优质的铁水内在质量，是保证铸件的使用性能，保证使用寿命，使用的可靠性，故铁水熔炼过程中的质量控制是铸造生产过程中的关键环节。 要生产高质量的铸件，首先就需研究影响铸铁性能的因素，也就是如何提高熔炼铁水的纯净度：如何获得好的石墨形态；化学成分波动范围的控制等，研究解决上述问题的技术控制参数：并研究采用什么熔炼方法达到目的。这样在实际的生产过程中、稳定完成技术参数的控制，就可保证铸件的使用性能，从而保证机械设备的使用寿命、使用的可靠性。 关键词：纯净度；夹杂物；硫共晶；磷共晶；微量元素；石墨形态 1 概述： 铸铁作为传统的金属材料在铸造生产中占有重要地位，近十多年来，我国铸铁熔炼技术取得了长足的进步。但总体来说，与工业发达国家相比，我国在铸铁材质与控制，熔炼设备与技术方面仍然存在着交大的差距。 随着我国加入WTO，许多工业发达国家的铸件将会大量转入发展中国家生产，这对我们是一个机遇，也是一个挑战。为迎接这个挑战，我们首要的工作必须提高铁液质量与熔炼技术。我国是铸造大国，有着许许多多的中小型铸造企业，但其熔炼设备与技术相对落后。与发达国家相比，我国铸铁在同等CE值下要低1—2个牌号，而且由于铁液质量的波动，铸铁性能的复现性较差，为了保证铸铁性能的可靠性和稳定性，首先需有良好的铁液质量。 常识告诉我们：铁水的质量是影响铸件产品质量的主要矛盾。铁水的质量由铁水温度、化学成分和铁水纯净度三大指标构成。三大指标中，哪一个是薄弱环节呢?由于冲天炉技术的发展，感应电炉以及双联熔炼技术的应用，可以轻易地获1500℃左右的高温铁水；现代炉料配制技术和现代检测技术的发展及广泛应用，可以对铁水的化学成分实施在线调控，从而获得化学成分准确和稳定的铁水。显而易见，铁水纯净度是影响铁水质量的薄弱环节，成为影响铸件产品质量的主要矛盾。因此，如何清除铁水中的有害气体和各种非金属夹杂物，从而获得纯净铁水，成为生产优质铸件的主攻方向。 2 铸件内在质量的控制技术参数分析 要生产高质量的铸件，首先就需研究影响铸铁性能的因素，也就是如何提高熔炼铁水的纯净度：如何获得好的石墨形态；化学成分波动范围的控制等，研究解决上述问题的技术控制参数：并研究采用什么熔炼方法达到目的。现以示之。 铁水熔炼质量控制 铁水纯净度的控制： 1）元素氧化烧损产生的氧化物夹杂物； 2）熔解氧产生的熔炼性气孔； 3）硫含量的控制，防止硫共晶的产生； 4）磷含量的控制，防止磷共晶的产生； 5）限制微量元素含量在干扰量以下。 铁水熔炼过程控制： 1）铁水氧化的控制： 2）消除石墨遗传性，获得良好的石墨形态； 3）控制化学成分的波动范围，获得准确的化学成分； 4）铁水熔炼温度的控制； 5）最佳熔炼方法的选择和相应的设备系统。 2.1铁水纯净度技术参数的控制 2.1.1元素烧损及氧化物夹杂 铁水中的硅、锰元素的氧化烧损，是通过炉气中的氧和二氧化碳吸附于铁滴表面后熔入铁水中。此时熔解氧为原子态。首先与铁原子反应生成氧化亚铁，由于硅、锰与氧的亲和力大与铁原子、硅、锰原子将生铁原子从氧化七亚铁中还原出来，自身被氧化形成硅、锰氧化物夹杂。 众所周知：铁水的氧化主要产生在熔化带。由于空气中的氧在氧化带已基本燃烧光。形成二氧化碳；故铁水在熔化带被氧化的氧原子主要由二氧化碳提供的，减少熔化带的二氧化碳量就能控制铁水在熔化带被氧化，由于二氧化碳遇红热焦碳被还原，是吸热反应，故提高还原带的炉气温度可减少炉气中二氧化碳的含量，减少硅、锰烧损。故热风冲天炉能有效控制元素氧化烧损。 2.1.2铁水氧化性气孔的产生与控制 冲天炉铁水中的熔解氧，一部份如上所述，与铁水中硅、锰反应生成氧化物夹杂。 A．一部份溶解氧在石墨表面吸附，氧化石墨生成一氧化碳气。 即：(C)石墨+[O]={CO}↑ b．当生成的氯化亚铁于铁水中的碳接触时，碳还原氧化亚铁，也是生成一氧化碳气孔。(FeO)+(C)={CO}↑ +(Fe) 高温铁水有利于气泡上浮去除。这种熔炼过程中铁水氧化生成的气孔叫熔炼性气孔，其特点是呈细小均匀的分有于铸件断面。 2.1.3铁水硫含量的控制 在冲天炉熔：炼陈过程中，焦碳中的硫将有60%进入铁水中。如何控制硫进入铁水，是冲天炉熔炼质量控制的重要任务之一。 在冲天炉熔炼过程中能否创造条件脱硫呢?据脱硫的三大条件，即高温、高碱度、低氧化性。这在一般冲天炉中是无法满足的，只有在先进的热风水冷冲天炉熔炼条件下，才能满足上述条件-在热风水冷冲天炉熔炼过程中，由于高温、铁水氧化性低，无炉衬，可造碱性渣，当铁水在1500～1550℃，平均1530℃，炉渣碱度控制在1.7-2.3时，可稳定地将铁水硫含量降到0．04％，在包中辅以脱硫措施或采用炉前连续脱硫，就可将硫控制在0.02-0.03％，充分满足球铁生产和转炉熔炼高级钢的需要。 2.1.4铁水中磷的控制，一般在冲天炉熔炼过程中磷基本上无大变化。磷量的控制主要是从金属炉料控制。 2.1.5微量干扰元素，微量干扰元素应控制其含量在作用量以下。在熔炼过程中，高温有利于低熔点干扰元素的氧化、烧损。其含量相应的减少。但控制主要从金属炉料的选择解决之一。在冲天炉熔炼过程中。 2.2铁水熔炼过程因素的控制 铸铁与钢之所以不同，是因为有了石墨的存在，对石墨形态的控制，就是铸铁熔炼过程控制关键之一；同时在熔炼过程中必须保证获得各种基体组织的成分要求，也就是化学成分的波动范围的控制：也需保证在满足机械性能的前提下，获碍良好的加工性能等等。 2.2.1石墨形态的控制 不同的石墨形态，可以得到不同性能的铸铁，各种不同自的铸铁均有一个共同的要求，即石墨应是细小的、均匀的，对孕育铸铁的石墨则应是短而钝头的，对球墨铸铁来说，石墨应是园整的，我国铸铁生产的原材料有新生铁(铸造生铁)、回炉料、废钢等，新生铁有大量的粗大过共晶石墨干和共晶石墨，回炉料以共晶石墨为主，也存在少量的过共晶石墨。因此，在熔炼过程中，要保证得到上述要求的：石墨形态．首先就必须将粗大的过共晶石墨和共晶溶解到结晶临界半经以下，在重新结晶的条件下，才能得到上述要求的石墨形态。这就是消除石墨遗传性。只要存在原始石墨，在随后的重新结晶时，碳原子就会在原始石墨上生长造成石墨的大小不均匀及尖头石墨。石墨尖头会造成尖端虚力集中，在应力作用下尖端裂口延伸以致断裂，降低另件使用的可靠性和安全性。 根据我们以及世界各国的研究，粗大的过共晶石墨在铁水温度达到1500C，并保持6～9秒钟可以熔化到结晶临界半经以下，只有在这样的熔炼条件下，生产的高牌号孕育铸铁或球墨铸铁的质量和性能是可靠的。故生产孕育铸铁、球墨铸铁对铁水的熔炼温度是有要求的，其铁水熔炼温度应控制在1500℃以上。最高不超过1550℃。以1530℃为最佳。 2.2.2铸铁熔炼方法的选择 不同的铸铁熔炼方法，具有不同的熔炼条件。其熔炼的铁水浇出的铸件性能也差异。德国人Gopat V.Panchathan V在1978年曾经做过冲天炉、回转炉、电炉熔炼的铁水性能对比试验，发现冲天炉熔炼的铁水铸件相对强度高，使用性能好，相对硬度低，加工性能好。而电炉熔炼铁水的相对强度低，使用性能较差，相对硬度较高，加工性能较差。回转炉居中。二汽陈勉已总工在九华山铸造学会年会上介绍：要得到好的汽车铸件，采用冲天炉熔炼铁水最佳。大家都知道，二汽是采用电炉熔炼的。 为什么冲天炉铁水优于电炉呢？冲天炉熔炼过程是熔化带熔化的铁滴在焦炭表面滚动中下落的，造成了铁水微观增碳的不均匀性，故其结晶过冷度较小，结晶晶粒细化，不易产生白口，而电炉熔炼铁水是在隔绝碳的情况下进行的，同时造成碳原子分布的均匀化，使其结晶过冷度增大，使铸件表面白口倾向增加。据国外统计，相对冲天炉铸件其加工刀具磨损率增加35％，加工时增加45％。增加了机械成本。 2.2.3化学成分波动范围的控制 在一般有炉衬冷风冲天炉中，随着熔炼时间的延长，炉衬的烧损，炉径将不断地扩大，如补焦不及时，量不准确，将造成低焦顶面波动增大，不仅温度降低，铁水氧化烧损增加，同时增大了化学成分的波动范围，要控制碳的波动在±0.10％是困难的。如采用热风水冷无炉衬冲天炉，熔化过程中炉衬稳定不变，消除了上述问题，化学成分波动范围能得到稳定的控制。从而保证各种铸件铁牌号的准确稳定生产。 2.2.4铁水的最佳熔炼温度控制 综上所述，保证铁水的内在质量熔炼温度应在1500C，在该温度铁水氧化物夹杂、气孔最低抑止增硫，消除石墨遗传性，稳定化学成分波动范围均能得到保证。如果超过1550C，将增加铁水的结晶过冷度，对使用性能不利。故从铁水嫩内在的质量分析，铁水的熔炼温度范围应是1500～1550C，最佳温度1530C。 3 铸铁的生产工艺过程参数 3.1 原材料的选择 3.1.1 选择优质的原辅材料 焦炭是冲天炉熔炼的重要材料之一，焦炭的质量直接影响到铁水质量，选用优质的铸造焦是非常重要的，优质铸造焦的成分主要为：硫分≤0．6％、固定碳≥85％、灰分≤10％及合适的块度。 生铁是铸铁的主要材料之一。按铸铁材质要求来选取生铁牌号。这里要特别提及的是生铁中微量元素的含量问题，一般来说随铁矿石矿源不同而有不同，对于球铁铸件和重要灰铸铁件微量元素含量会有严格的要求，生铁中的微量元素最好∑T≤0．1％，其中Ti<0．05％。 回炉铁是一般厂家常备的材料，必须注意其本身的干净程度。与其他炉料一样，回炉铁的加人量也必须严格按一定比例，否则会导致原铁水的si、S含量不易控制。 原辅材料除本身的成分稳定与纯净度外，还必须选择合理的块度。 3.1.2 尽量多用废钢 新生铁本身含有粗大的石墨片，而石墨的熔点在2000℃以上，在熔炼过程中不能熔尽，在结晶过程中使石墨变得粗大，而且新生铁因产地原因也有各不相同的遗传因素影响。另外，废钢的使用量直接与铸铁件的强度相关，某厂家应用在相同CE值时多加人40％的废钢，强度高出70MPa，硬度下降9HB。 3.2 冲天炉的选用与优化 冲天炉炉型的选用应根据产量及生产形式为依据。产量大且大批量连续生产时，可选用长炉龄冲天炉进行连续或多班生产；产量中等两班连续生产时，可选用水冷式两班制冲天炉；产量小或间断生产时,可选用常用的普通炉(如倒大双炉、多排小风眼炉等)。这样既可减少单位投资也能稳定铁质量，降低运行费用。 另外，冲天炉的优化过程中尽量学习借鉴和利用目前所现有的先进技术，如炉壁水冷技术、热风技术、龙卷风供风、曲线炉膛、鼓风机变频调速、冲天炉微机控制技术等，冲天炉用耐火材料尽量采用风口砖、熔化带处采用性能较优的耐火材料来确保送风的稳定性和炉膛的稳定性。 “高温出水，低温浇注。”是熔炼过程中的一般经验，高温铁水有利于变质处理及铁水的纯净，同时也改变了组织结构。控制浇注温度一方面是保证有好的充型性，更重要的是使铁液在型内的均匀性提高，以降低冷却速度，减小过冷度，尽量使型内铁液冷却一致，从而达到组织均匀和硬度均匀的求，也是提高铸铁品质系数的重要措施。有许多厂家因多种原因产品允许浇注温度区间较大，达到±50~C，使得产品因浇注而产生的废品始终高居不下，一般对于复杂产品(缸体、缸盖)允许浇注温度应控制在±10℃，一般产品控制在±20℃左右较为合适。 实践证明在相同条件下铁液温度对质量有很大的影响，随着温度的提高其性能变化见下表： 铁液温度对性能的影响 铁液温度℃ 强度性能 弹性模量 硬度 柏松比 1300—1460 1460—1500 1500—1600 ↑ ↑ ↑ ↓ ↑ ↑ - ↓ ↑ ↑ ↑↑ ↑ 3.3 双联技术 双联熔炼能较可靠的实现铁液供求平衡，最大限度的发挥熔化炉的能力，可回用冷铁水和浇注剩余铁水方便生产组织；铁液温度、成分较稳定，并能进行成分调整、合金化、脱硫处理，能够一种成分铁液浇注多种牌号产品。 3.3.1双联对冲天炉熔炼铁液的要求 冲天炉+电炉双联决不意味着可以忽视或降低冲天炉熔炼铁液的冶金质量，否则是不经济的、不合理的。 首先，双联中的电炉主要起保温作用。但其容量有限故对冲天炉铁水温度与成分同样要求要高，成分波动范围CE±0．1、Si±0．1％、Mn±0．05％，而温度必须≥1450℃，如有炉外脱硫工艺则希望更高一些。另外，还要注意冲天炉铁水的纯净度,尽可能少的控制有害元素的含量，及扒干净炉渣，这些在电炉中都相对比较难处理，从而影响铁水的综合质量。 3.4 铁液质量的检测 铁液质量包括：温度、成分及波动范围、有害元素含量、非金属夹杂物种类及含量、气体溶量和炉外可改性等。 常用铁液质量的检测方式或方法主要有：化学分析法、光谱分析、热分析、红外线测温仪、热电偶、三角试块法、炉前金相法、碳硫快速分析仪等。其中三角试块法、炉前金相法、化学分析法均存在着准确度与速度等方面的问题，而光谱分析对碳硫元素存在有较大的误差。因此，最好的方法是另外配有炉前碳硫快速分析或热分析仪。 4 结论 通过以上各种控制理论及措施，熔炼铁水质量得到大幅度的提高，铸件质量得到良好的改善，同时也为铁水纯净度理论方面提供了一些有用的理论和实践支持，这一切都源于我们在铁水净化方面所做的一些探索性的工作，并取得令人满意的效果，既方便了铸造工艺控制过程中难点的突破，又改善了铸件的品质，提高铸件生产的成品率，从而也取得了很好的经济效益。 参考文献： [1] 中国机械学会铸造分会.铸造手册铸铁卷第2版[M].机械工业出版社,2002.1：35～75. [2] 曾艺成. 高强度灰铸铁生产技术发展概况 [J]. 现代铸铁，1986，（3）：20～24. [3] 陆文华. 灰铸铁的孕育工艺 [J]. 现代铸铁，1986，（3）：25～26.