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平遥县金日通机械制造有限公司
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用废钢加增碳剂生产球墨铸铁,与传统方法有何区别?

2023-11-22

洲际铸造,铸造工业网


如今合成铸铁并不是什么新鲜东西,在中频电炉中大量利用废钢、钢铁屑、机杂铁、回炉料和增碳剂等低值炉料通过电炉熔炼,配合直读光谱仪在线检测技术确定其化学成分来生产合成铸铁,这一铸铁生产方法对铸造企业来说确实是不错的选择,而且由于废钢、钢铁屑等的大量使用,铸造生产成本也相应降低,新生铁等原材料价格一路疯涨的势头得到了有效遏制,极大地缓解了企业的生存压力。

如今合成铸铁并不是什么新鲜东西,在中频电炉中大量利用废钢、钢铁屑、机杂铁、回炉料和增碳剂等低值炉料通过电炉熔炼,配合直读光谱仪在线检测技术确定其化学成分来生产合成铸铁,这一铸铁生产方法对铸造企业来说确实是不错的选择,而且由于废钢、钢铁屑等的大量使用,铸造生产成本也相应降低,新生铁等原材料价格一路疯涨的势头得到了有效遏制,极大地缓解了企业的生存压力。

用电炉冶炼废钢加增碳剂生产铸铁件,尽管电炉便于化学元素含量的调整,而且主要元素可以调整到材质要求的范围之内,但是如果不采取有效的处理手段,生产出铸件的质量,确与用冲天炉生产出的铸件质量有较大差异。最主要的不同之处就是:用电炉熔化的铁液,无论是废钢加增碳剂或者是用铁屑作炉料,生产出的铸件白口倾向大,硬度高而精加工困难。本文就此谈谈自己的实践体会和认识。

 

 

用废钢加增碳剂生产球墨铸铁,与传统方法有何区别?

生产合成铸铁的主要原材料概况

1、废钢:相对来说就是废旧的钢铁结构件、边角余料,A3、45#、40Cr等普通的含CW≤1%、 SiW≤1%、MnW≤1%、低S、低P的材料;废旧的压力容器要通过解体,薄小的废钢料要打包,零散的或者是通过打包成块的,要能直接加入到熔炉内,不能卡炉影响布料更不能残存汽、液体引起爆炸;最好是不要生锈,能清除油污,国外介绍甚至要清除掉油漆和镀层的。它可以在炉料中占比到50%以上,做到少用甚至不用新生铁。

2、钢铁屑:在机加工过程中钢铁件因加工去掉的屑,其中,钢屑的化学成分与废钢相同,铁屑因铸铁的材质是普通灰铸铁还是球墨铸铁而有所不同,其主要化学成分在CW2.5~4.0%之间,SiW1.5~3.5%之间,MnW0.3~2.0%之间;钢铁屑碎小零散,要装袋或做成屑饼以方便司炉和节省能源,同样要清除油污和切削液,最好不生锈;若散装料将会在熔炉内占较大空间,一炉铁水要多次在不同的状态、不同的温度下加料,特别是在炉料已融化、铁水已生成时再加入的铁屑料极易氧化发渣,影响熔炼过程正常进行,而即使是氧化严重的铁屑,在熔炉内没有铁水出现的早期加入,也能正常熔炼;一般情况下铸件的切削余量也即铁屑量占比不过20%左右;

3、机杂铁:拆卸的报废的机器设备钢铁零部件、机身、底座等,化学成分相对复杂,可能含有少量合金元素或非金属杂质,一般情况下可清除其中的铝、锌、铅、锡等轻质低熔点金属和铜等有色金属以及油污坭后再使用;生产时根据产品的要求其用量可以控制到20%左右,生产球墨铸铁时尽量少用或不用;

4.回炉料:就是铸造生产时产生的浇冒系统、飞边、毛刺、铁豆、锅巴铁以及废品等,其化学成分可以方便掌握,但要除掉其表面的粘砂以及除锈后才能使用。它的占比在15~20%左右;

5、增碳剂:应该说在合成铸铁的生产中增碳剂是一个比较关键的角色——熔炼过程中由于废钢量的加大,铁水含碳低,必须采用非常手段进行增碳,由此用到了增碳剂;增碳剂——无论是其材料本身还是其使用方法都对生产合成铸铁起到至关重要的作用。

冲天炉和电炉熔炼出铁液质量的不同之处

1.冲天炉熔炼的铁液

冲天炉是用焦炭作燃料,将固体的铁块和其它炉料,经过预热、熔化、过热、还原,最后铁液经炉底流入前炉缸,所经历的时间很短,大约10min左右,铁液往往要在前炉缸中停留一段时间,在这段停留时间里,对金属液的增核是有利的。虽然冲天炉的出炉温度一般在1450℃左右,但是铁液经过过热区的瞬间,炉温约1700℃,尽管铁液通过过热区的时间很短,却是以细小液滴通过的,能得到高温过热,有助于石墨溶于铁液,消除新生铁中粗大石墨片的遗传性。铸铁中的主要元素碳,在熔炼过程中有一个烧损和吸收的减增过程,由于铁液滴在灼热的焦炭上,铁液就吸收了焦炭中的碳原子,所以在整个熔化过程中,碳的吸收大于烧损,最终含碳量是增。同样铁液也会从焦炭中吸收部分硫。

在压球化剂作球化处理之前,都要先烫包。由于冲天炉的熔化速度快,当第一包球铁浇注完毕后,再处理下一包时,包内温度还很高,冲天炉内铁水倒入浇包内降温少,所以再进行球化处理时,出炉温度与电炉相比较可以稍低些,对球化处理质量(球化剂的熔化及吸收、浇注温度),影响不大或没有影响。用电炉熔化铁液,每炉熔化间隔时间约50-60分钟,有时间隔的时间可能会更长些,浇包散热时间长,包内温度低,经球化处理后,包内铁水温度约下降80℃,冬天温度下降的可能会更多,所以用电炉熔化铁液处理球铁时,出炉温度要比冲天炉的温度高些。

 

 

用废钢加增碳剂生产球墨铸铁,与传统方法有何区别?

用电炉熔炼铁液对材质性能的影响

我们知道用电炉熔炼炉料,是由感应圈经导电产生磁场,在炉料中产生电涡流,由电涡流发热藉以熔化炉料。

(1)、对“自发晶核”的影响

废钢的熔点比铸铁高,增碳剂的熔点更高,当废钢在熔化过程中以及熔化之后,增碳剂被加热缓慢的溶解和扩散,增碳剂中的碳才能被钢液侵蚀吸收。钢液逐渐的变成铁液,即常称之为“合成铸铁”。由于废钢熔化温度高,钢液从增碳剂中吸收碳原子之后,在变成铁液的过程中,有短暂时间过热温度往往很高。在高温下,铁液中的碳易于被氧化成CO,因此有人认为铁液中的碳也是一种“气体形成元素”。CO在铁液中的溶解度很少,形成后即释放于邻近液面的大气中。在生产实践中我们会发现,当高温钢液倒入抬包后,抬包中有放射状火花飞出(俗称贼花),即可能是高温氧化的释碳现象。这些现象都会影响到材质的质量。

电炉在熔炼铁液过程中,具有电磁搅拌摩擦的特性。铁液过热温度高、过热时间长、且又有感应电流的搅拌摩擦,铁液中微细的晶态石墨即自发晶核和外来结晶核心,都会逐渐溶于铁液而消失;或浮经液面与集渣剂粘裹在一起被挑出炉外。这样,使铁液中可在共晶结晶时作为石墨外来晶核的物质大幅度减少。

硫在铸铁中,尤其是在球墨铸铁中是有害元素。但有资料介绍说①:在灰铸铁中当含硫量小于0.06﹪时,硫的一些有益作用就无法得到发挥。在铸铁中存在有细小而分散的硫化物夹杂,能在石墨的生核和成长中起积极而有益的作用。用感应电炉熔炼废钢加增碳剂的合成铸铁,其最终含硫量一般不会超过0.03%的。如果原铁水的含硫量过低,球化剂中的镁就无从与硫化合,过多的残余镁量不但阻碍石墨化,而且还会使铸件产生缩孔、气孔等铸造缺陷。如果减少球化剂的加入量,综合考虑又恐会影响到球化率。所以在原铁水含硫量很低的情况下,要从球化剂的选择、球化剂的加入量、球化处理操作工艺上采取措施,以保证球铁的球化质量。

合成铸铁在感应电炉中,因含硫量过低、过热温度高、电流的搅拌摩擦等因素影响,铁液中石墨化的核心大幅度减少。②这种缺乏石墨化结晶核心的铁液,过冷度很大,对孕育处理的回应能力极差,很难通过常规孕育处理措施,使铸铁具有符合要求的微观组织。因而即使化学成分含量完全符合要求,往往浇注出的铸件硬度高,不便于机械加工。有资料介绍:硫从0.02%增加到0.06%,抗拉强度增加50MPa以上,即可提高一个牌号以上,硬度值即可增加HB20。进一步增加硫到0.1%,强度值和硬度值变化不大,有此可见在灰铸铁中,硫控制在0.06-0.1%为宜(我厂生产的汽车制动鼓,材质是HT250,硫控制在0.07-0.09%).顺便也谈谈用电炉熔炼“铸铁屑”,即便熔炼的铁屑干净无锈蚀,不需要高温,过热温度并不是很高,但是由于电磁搅拌的摩擦作用以及碳、硅的烧损,如果浇注前不进行元素调配和采取有效的孕育措施,生产出的铸件同样是硬度高。

(2) 用感应电炉熔炼对提高材感质质量的影响

感应电炉熔炼,铁水温度可升以提到1570℃以上,并可以在高温状态下长时间的保温,在该温度下,可以使原材料带入的夹杂物,以及在熔炼过程形成的夹渣及夹杂物上浮至铁液表面。对于废钢+增碳剂、尤其是粒子钢+废钢+增碳剂+回炉料,这些炉料无论是废钢、粒子钢或者是粒子铁,大都是白口组织,白口组织具有较强的遗传性,要消除遗传性就需要适当的提高熔化温度,增加保温时间,才能够比较好的净化铁液,减少铸件缺陷。

合金元素烧损量低,铁水中锰、硅的烧损低于冲天炉熔炼。便于各元素的调控,能够稳定化学成分含量。

生产球墨铸铁时,含硫量过高将会直接影响到球铁的质量。如球化级别低下、材质强韧性差、铸件有夹渣等铸造缺陷。用电炉熔炼铸铁时不存在有增硫反应。

用废钢+增碳剂生产合成铸铁,由于废钢的夹杂物含量低,成分稳定,加增碳剂经高温熔炼之后,消除了炉料的遗传性,铁液的纯净度得到提高,同时增碳剂具有孕育作用,促使石墨化的效果更加稳定突出,铸件的基体组织晶粒会更加均匀、细化,所以生产出铸件材质的韧性和强度均得到提高。

扬长补短、优化操作程序

用废钢生产球墨铸铁的优点前面已谈,就不再赘述。

用电炉熔炼废钢(铁屑)+增碳剂生产球墨铸铁,欲想稳定产品质量,需要补的“短”,主要是解决金属液在凝固结晶时,自发晶核少、铁液过冷度大、石墨化能力差、铸件硬度高而不便于机械加工的问题。具体的“补短”操作方法是:①在冶炼后期要注意“自发晶核”的培养。加入适量的废钢使铁液激冷,同时适量的加入硅铁以及细颗粒的增碳剂,上面覆盖保温剂,降低功率或停电保温一段时间,以促使析出微细的晶态石墨。②在出炉或浇注过程中,进行充分的多次孕育处理,以补充“外来晶核”,可以添加小颗粒的增碳剂、碎硅铁粉粒以及复合孕育剂,虽然加入量很少,但是促进生核的效果很好。③如果含硫量过低(特别是生产HT时)可适量加入些硫铁,但必须控制在要求的范围内。总之优化操作程序指的就是:炉料入炉的先后顺序、熔炼中的温度和出炉温度的控制、化学成分的选控、以及强化孕育和复合孕育。

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