保證鑄鐵質量的前提是鐵液質量

布丁貝貝 · 發表于 2009-8-11 19:14:41

鐵液是鑄鐵質量之本

在鑄造合金家族中，各類鑄造合金的發展取決于其優勢的發揚和劣勢的抑制。鑄鐵與鑄鋼、有色合金相比，鑄造性能較好，容易鑄出形狀復雜、壁厚不勻的鑄件而較少產生鑄造缺陷。因此，鐵液的利用率高，產品的適用面廣。此外，石墨鑄鐵還有一些與生俱來的，諸如減摩性、緩震性、切削性、疲勞斷裂性等方面的良好特性。

在材質競爭中，提高鑄鐵的比強度、增加強韌性、消除內在缺陷，對于減輕鑄件重量，延長服役期，節約材料是非常重要的。為了保證鑄鐵性能的可靠性和穩定性，首先必需有良好的鐵液質量。

一鐵液質量的內涵

鐵液質量包括：溫度、成分及成分精度，有害元素含量，非金屬夾雜物數量、氣體溶量和爐外可造性等。

鐵液質量的控制分為熔煉，爐前處理和過濾三個環節。以下擇要簡述之。

二熔煉

1.沖天爐要上新臺階

①獲得高溫鐵液

盡管鑄鐵件澆注的工藝溫度并不高，不同鑄鐵大多在1260℃~1400℃之間。但從獲得優質鐵液的觀點看，應有較高的熔煉溫度。高溫熔煉保證了高的出鐵溫度，Fe、Si、Mn燒損少，爐況穩定，化學成分波動小。以發達國家為例，沖天爐內C的波動可控制在±0.05%，Si的波動可控制在±0.1%。高溫熔煉，鐵液中的S、O、H、N及夾雜物都會減少，爐料的不良遺傳性將會減弱。

沖天爐獲得高溫鐵液有三種方法：一是好的爐型，如兩排大間距，冷風+固定碳在85%以上的優質焦炭，出鐵溫度可在1480℃以上。二是富氧送風，此法簡便，調溫迅速及時，但受供氧條件的制約，局限性很大。三是熱送風，不同熱風裝置風溫由150℃至600℃不等，適于開爐時間較長的工廠使用。

我國鑄造廠多數生產規模較小，因此在相當時期內，“方法一”將是主要的措施。冷風作業，沖天爐的熱利用率低，從可持續發展的戰略考慮，熱風沖天爐符合節能的國策，而且可結合著解決環境污染，滿足社會生態要求。隨著世界經濟一體化進程的發展，鑄造業必將重組、兼并，擴大規模，實行集約化生產，熱風作業將逐步擴大其應用范圍。采用熱風與否必須考慮的兩個問題是，是否有足夠的連續作業時間，以及一次性投入的多少和投資的回收期。

利用爐氣物理熱的爐膽熱風，風溫在150℃~250℃，穩定在300℃以上的尚少。這種爐子配合中等以上品質(固定碳>80%)的焦炭，可得到1450℃~1500℃的鐵液。同時利用物理熱和化學熱的沖天爐，風溫在400℃~600℃，出爐溫度可超過1500℃。風溫在350℃以上，沖天爐有明顯的冶金效果，爐內氧化氣氛大為改善，爐渣活躍，渣中FeO<3%,鐵液S低，爐內元素燒損減少，濕底作業時[Si]有所增加。從我國工廠經濟實力考慮，應該著力開發高效、實用、經濟型的熱風沖天爐。

除了優質焦和熱風外，含有CaO的鑄造電石和特種碳化硅壓鐵加入爐內都有提溫的輔助作用。鑄造電石還是一種強脫硫劑；特種碳化硅壓塊作為爐料兼有增硅增碳和促進爐渣脫硫的功用。

布丁貝貝 · 發表于 2009-8-11 19:16:42

續:
②穩定爐膛尺寸
低質爐襯材料會帶來一系列不良的影響：爐襯侵蝕物污染鐵液；侵蝕物改變爐渣的物理化學性狀，從而影響爐子的順行和去硫效果；爐膛擴大，破壞熔煉的穩定性，開爐時間一長，后期會出現鐵液溫度下降，燒損增多，鐵液氧化的現象。
開爐在8–12h時，應重視爐襯材料的品質，敷搗料濕度要小，搗打密度要大。封爐連續作業時，爐體與風口應進行水冷，爐身、爐缸采用高鋁磚、ASC磚和ASC搗打料。該類爐子的連續工作時間，視系統設計、爐襯質量和管理水平的不同，變動于1~6周。目前國內已有生產優質爐襯材料的廠家和經銷國外產品的公司。
2.使用中頻感應爐
近年來，作者走訪了長江三角洲、珠江三角洲和膠東地區，發現采用感應爐或與沖天爐雙聯的工廠不少。感應爐鐵液的質量高，常是國外采購商和國內主機廠指定的供貨條件。
進入二十世紀九十年代，第三代晶體管模塊中頻爐取第二代傳統可控硅中頻爐而代之。這種爐子的特點是節電、熔化速度快、升溫迅速、操作簡便、工作可靠、對電網無干擾、功率因素高。有的還可以實現一臺熔化，另一臺保溫或預熱的一拖二操作。
變頻中頻爐可滿足不同熔煉階段的不同工藝要求。當熔料時，用較高的頻率實現快速熔化；當增碳時，改用較低的頻率，增加鐵液攪拌力，加快增碳過程，從而達到縮短時間、節省電力的目的。有的爐子還能隨液面高度的不同自動調節功率。近期國外推出的寬爐體感應爐，可實現大料直接裝爐。
3.不可忽視生鐵中的微量元素
生鐵出廠一般只規定Si、Mn、P、S，對C無限量，微量元素則隨礦源而任其自然，不作檢測，底碼不清。我國生鐵中的微量元素有Cu、Cr、Mo、V、Ni、Ti、Sn、Al、Pb、Bi、Zn、As、Sb等。其中Cu、Cr、Mo、V、Ni、并無害處，Al視為中性，As、Zn、Pb有害，Ti、Sb、Bi、Sn為敏感元素，低于一定值有利，超過則有弊。
一般而言，生鐵中的微量元素對普通鑄鐵件無關緊要，但對球鐵件和重要灰鐵件不可輕視。德國規定球鐵用生鐵微量元素總量ΣT≤0.0745%，日本為ΣT≤0.089%，要求Ti不大于總量的50%。國內有資料提出球鐵用生鐵ΣT≤0.1%，其中Ti<0.045%。
有的外商，對鑄鐵中的Ti有明文規定，鑄造廠應根據爐料配比情況，反算出對生鐵中Ti量的相應要求。
以前，有些工廠用某些生鐵時，出現過一些金相組織和鑄造缺陷的異常現象，這與生鐵的遺傳性不無關系。
4.感應爐增碳
感應爐若以廢鋼為主爐料，在爐內增碳生產合成鑄鐵，可得到鋼一般純凈的鐵液。由于沒有生鐵粗大石墨的遺傳和受孕能力優良，鑄鐵組織中的石墨具有細小和分布均勻的特點，球鐵的球化率高，低碳灰鐵易于得到A型石墨和珠光體基體，且壁厚敏感性減小。因為磷很低，大大降低了發動機件縮松滲漏的缺陷。
增碳劑常用的有石墨質增碳劑(電極塊或優質天然石墨、類石墨)和碳質增碳劑(如冶金焦)。電極質地純，灰分<0.5%，S、N含量只有0.1%。選用天然石墨和碳質增碳劑時，應特別關注其灰分，S和N量，并防止受潮。增碳劑的吸收率，爐底加入(裝料)時為65~70%，鏡面加入時為75~80%。在一定程度上，回收率隨處理溫度的提高而增加，但高于平衡溫度后，因部分碳消耗于反應(SiO2)+2C=[Si]+2CO，反而降低回收率。
碳的熔點為3727℃，碳原子是通過溶解和擴散方式進入鐵液的，因此增碳劑的粒度和熔池的攪拌對于增碳過程十分重要。
三爐前處理
1.脫硫
鐵液脫硫可減少球化劑用量和鑄件中硫化物夾渣的數量。發達國家球鐵生產幾乎全部采用脫硫工藝，要求脫硫后S≤0.01%，我國條件下，目標位為S≤0.02%，錫柴和常柴可達到S≤0.015%。
包底Na2CO3沖入法處理，方法簡便但脫硫率低，效果不穩定，處理時煙塵污染環境，對咽喉有刺激性。在規模生產的球鐵車間，宜將脫硫劑置于液面，采用機械攪拌法、搖包法或氣動攪拌法進行脫硫。其中氣動法較為簡單，動力消耗少，最為流行。氣動脫硫裝置可設于前爐上游，進行連續脫硫，亦可在爐前單包間斷脫硫。氣動源多為N2。
脫硫劑分CaC2系和CaO兩大類。CaC2脫硫效果好，可將硫由0.04~0.06%降至0.01%以下，浮渣呈顆粒狀易于去除，只是它的價格貴、熔點高，又礙于運輸和保管，故限于近點供應。CaO系使用較為普遍。無論是那一系脫硫劑，都應具有抗潮、防爆的特性。活性CaO經表面成膜處理，并加添加劑制成的復合脫硫劑，不受潮，去硫效率高，氣動法脫硫，脫硫率在60~90%。產量不大的工廠，單包沖入法脫硫應采用低熔點復合脫硫劑，脫硫率為30~50%，此時脫硫渣呈熔融狀。
氣動脫硫后，鐵液進入感應爐提溫。
2.除渣
除渣過程可在包中或感應爐內進行。將除渣劑(聚渣劑)撒于液面即時形成一熔融層，起覆蓋和聚渣作用。除渣劑受熱膨化，在熔融層中產生許多小孔，起良好的保溫作用。
除渣劑分低、中、高三檔。由原礦經簡單破碎、過篩的產品屬于低檔，各省均產。現已不被鑄造廠看好。中檔除渣劑對原礦有所選擇，增加了水洗等工序，能滿足鑄件的基本要求，為多數工廠接受。進口的高檔除渣劑，選優質礦源，加工工序有別于一般。該產品撒于液面即迅速散布，覆蓋整個液面，除渣能力超卓，用量少，不粘爐襯與澆包，用棍即可將熔融渣層整體挑起，清渣方便徹底，近三年來已開始受國內業界的重視。

布丁貝貝 · 發表于 2009-8-11 19:18:39

續:
3.球化
球化處理仍以包內沖入法為主。選用球化劑需視熔爐、出鐵溫度，脫硫與否和球鐵類型等而定。一般而言，沖天爐鐵液選用Mg7~9%，RE3~7%的球化劑，感應爐鐵液選用低Mg(5~6%)，低RE(1.5~2.5%)球化劑，亦有的廠仍用Mg8RE3球化劑。JB/T9228-1999標準，對Mg和RE的成分范圍偏差規定為±1%，有些廠標已縮小為±0.5%，對Ca、Al等亦有明確規定。球化劑質量中，應重視MgO含量、成分的偏析程度以及粒度的集中度。凡是粒度不勻，粉末多，色澤發暗的球化劑不宜選用。
原則上，只要掌握好鐵液的化學成分和孕育環節，采用上述球化劑即可生產鑄態球鐵。但亦有工廠采用鑄態球鐵用球化劑。一般，在鑄態鐵素體球化劑中含有Ba和Bi，在鑄態珠光體球化劑中含有Ba和Sb，但對于QT700-2以上的重要曲軸類鑄件，不推薦使用含Sb球化劑，此時應通過調整Cu、Mo等的含量來控制基體。必須指出，不管是否采用鑄態球化劑，孕育永遠是不可忽視的重要環節。
重稀土含鎂球化劑用于厚壁球鐵件，為了防止球化衰退和石墨畸變，還應當調低Si量，采取增加石墨球數，細化石墨球徑的工藝手段。
蓋包處理法大大減少了處理時的煙光污染，是一種節省球化劑、保證球化質量的簡便工藝，值得推廣。在鋼液喂絲技術的啟發下，喂絲球化經過試驗已成功用于新興鑄管公司等企業。喂絲球化是由喂絲機將合金包芯線連續不斷地向澆包底部送進，進行球化處理的一種工藝。該工藝可精確控制殘余鎂量，具有一高三少即球化質量高、渣量少、溫降少、污染少的特點。包芯線外皮為0.3mm厚的冷軋鋼皮，芯材一般為含Mg25~30%，并有Ca、Ba、(RE)等的復合成分。喂絲法成本比沖入法低20~40%，對大批量生產的鑄管廠、汽車鑄造廠等很有吸引力。目前，國內已有多家單位能成套供應喂絲機和包芯線，包芯線分球化、蠕化、孕育、脫硫、增碳和合金化等多個品種。
型內球化是在澆道內設一反應室，鐵液邊流過邊發生球化反應。型內球化勞動條件好，氧化損失少，Mg吸收率高達80%，克服了球化衰退與孕育衰退，提高了球鐵性能。型內球化對鐵液硫量要求嚴格，鑄件的工藝出品率低。七十年代國內曾有應用，現已不見于生產。
4.孕育
孕育是提升鑄鐵質量的重要環節。經過十多年的努力，我國孕育劑基本實現了系列化和商品化。
時下，國內孕育劑主要是硅系和碳硅系。
硅系孕育劑熔點低，適合于碳高碳低，硫高硫低的各種鐵液，應用最廣。特殊硅鐵的孕育作用強，用量少，引起鐵液化學成分的波動小，鑄鐵質量穩定。覆蓋面大的首推FeSi-Ba-Ca，它明顯增加共晶團數，抑制灰鐵中的D、E型石墨而促進A型石墨的形成，提高球化級別，Ba，尤其是Ba、Ca共存時，抗衰退性好。FeSi-Sr是薄壁發動機零件適用的孕育劑，有很優秀的防白口能力，而不明顯增加共晶團數，因此可根除因縮松而招致滲漏的弊病。球鐵生產中，由于Ce的存在，Sr的孕育效果受到削弱。含Zr硅鐵有類似于含Ba硅鐵的作用，而表現得較弱。但Zr有除氣功能和微合金化作用，對鑄鐵的力學性能起穩定作用。含Zr硅鐵的熔點高，故常Zr-Mn共存，以降低其熔點。高Ca的孕育劑，如CaSi，兼有脫硫脫氧和防白口及增加石墨核的作用，在二十世紀五、六十年代多有使用，后來由于焦碳和鐵液質量的改善，CaSi已很少單獨使用，偶見于與FeSi或FeSiRE復合使用。碳硅孕育劑中的碳(石墨)使這種孕育劑有十分優秀的防止白口能力。對由高溫鐵液生產邊角多、壁厚較薄的灰鐵件時，較為適用。水壓薄壁件，有防滲漏要求時，亦可作為選項。球鐵生產中，碳硅孕育劑不應使用。
出鐵槽大劑量孕育由各種形式的后孕育所替代是孕育方法發展的大趨勢。后孕育要講究孕育劑的粒度大小和粒度均勻性，特別是包口隨流孕育和澆注流噴射孕育時，粒度偏大，熔吸不良將在鑄件中產生硬點、晶間夾雜物等缺陷。當采用高效孕育劑時，切忌孕育過量、以防縮孔、氣孔和石墨偏聚現象的發生。
型內孕育有多種方法，目前大多采用的是將塊狀孕育劑放在直澆道底部進行過流孕育，這種方法抓住了孕育的形核峰機，理論上可獲得最佳的孕育效果。
5.合金化
鑄鐵常用的合金元素有Si、Mn、Cu、Cr、Mo、Ni、Sn、Sb、V、Ti、P等。其中Si、Mn、Cr、Mo、P以鐵合金形式加入，Cu、Ni、Sb、Sn以金屬形式加入，V、Ti以鐵合金或VTi生鐵形式加入。加入時機在爐后(沖天爐)、爐內(感應爐)還是爐前，需視它們的熔點、氧化性和密度等而定。為了便于高熔點鐵合金的熔吸，除控制粒度外，采用發熱合金劑或喂絲加入法是比較理想的措施。
實踐表明，將一部分FeMn、FeCr與硅系孕育劑一起加入，對孕育有加權作用。在可能的情況下，推遲低合金化元素的加入時機，對性能影響有利。
四過濾
金屬過濾技術在工業發達國家應用較為普遍。實踐證明，關鍵機件的失效不完全在于試棒力學性能的高低，而是鑄件內部的健全程度。因此，單純追求金相組織的完美是不全面的。作者走訪過的工廠，其品牌產品無不重視過濾的最后一關。一般小件采用纖維過濾網，過流量大或重要件采用蜂窩陶瓷過濾片或泡沫陶瓷過濾片。過濾片與過濾網相比，檔渣能力更強(泡沫陶瓷過濾片可去掉幾微米至幾十微米的細小夾雜)，還有明顯的消氣作用。作為探索，集球化–孕育–過濾于一體的多功能過濾器正在試驗中

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保證鑄鐵質量的前提是鐵液質量