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灰铁熔炼从冲天炉转变成电炉的问题和学习认识1980年开始从事铸铁熔炼后，逐步熟悉了铸铁冲天炉和电炉熔炼的一些基本操作，但是真正认识到其中存在的问题，是在2006年，在山东烟台某上市公司，建设新的铸造工厂，开始试生产后。该工厂，在老厂以冲天炉熔炼，常年生产机床卡盘，材质是灰铁300，为环球牌卡盘配套盘体铸件，同时生产日本牧野数控加工中心的床身，立柱等等机床铸件，也是灰铁300牌号。由于这些铸件配套的成品质量要求严格，铸造工厂对冲天炉熔炼的各种操作，原材料等等要求很严格，曾经得到国内冲天炉熔炼专家学者指导，灰铁300材质，一直比较稳定，得到国内外客户的好评。新厂熔炼设备是应达电炉，按老厂工艺，成分配料熔炼，生产同样铸件。一。问题的出现：2006年下半年，烟台铸造工厂新建铸造新厂，开始调试生产，使用3吨美国应达电炉，德国FAT树脂砂设备，美国热电的瑞士ARL4460光谱仪等设备开始生产牧野机床铸件。老厂依然在使用冲天炉和树脂砂设备生产同样铸件。生铁，废钢孕育剂等材料，完全相同，特别是生铁，使用威海乳山的“诸往生铁”，号称胶东地区的本溪生铁。两处熔炼设备，新厂是电炉，老厂是冲天炉，大家控制灰铁300牌号铁水的碳硅量基本一样，电炉铁水增加硫化铁，提高硫含量。但是得到的机械性能却有差别，即电炉按冲天炉碳硅含量控制，配料的铁水，强度，硬度总是不及冲天炉的强度硬度好，抗拉强度一般差30-20MPa，铸件导轨面硬度要求，粗加工后在180HB，一般差10-20HB。初期，大家分析原因，总以为两种熔炼设备，孕育效果不同，冲天炉出铁槽很长，出炉时孕育剂在除铁槽里缓慢加入，孕育效果好，而电炉除铁槽很短，不可能像冲天炉那样的孕育效果。于是，加长了电炉出铁槽和添加孕育剂的平台，但是强度硬度依然不及冲天炉，最终没有办法只好把电炉铁水的碳量从3.0-3.1%降低到2.85-2.95%，硅含量保持不变，1。6-1.8%，这样才能勉强满足铸件强度硬度要求。对于冲天炉和电炉如此熔炼铁水，性能的差别，百思不得其解。在我们铸造生产中，一直以为，电炉熔炼，铁水成分，温度控制都比冲天炉好，过热温度高，铁水更纯净，晶粒容易细化，通过各种预处理，孕育，在原材料，出炉成分完全一样情况下，其强度硬度应该比冲天炉好，起码不应该低于冲天炉铁水的性能，但是现实却相反（如此现象，曾经问过很多专家）。带着这些问题，陆续查看了一些文章，很难得，在当年（05-06年）的“现代铸铁”杂志上，偶然发现一篇文章，介绍了国外电炉和冲天炉熔炼灰铁的性能差别，与我们生产中的情况相似，国外铸造生产，原材料和工艺状况应该更好，但是也有如此差别，文中特别例举德国某工厂，熔炼灰铁时，冲天炉和电炉的强度差别，电炉总是不如冲天炉强度高。同时认为是鈦等有害元素影响。由于当时老厂冲天炉成分也定期拿到新厂光谱仪打成分，我搜集了接近一个月期间的电炉，冲天炉灰铁300成分，细查区别，最后也发现，最大区别除了五元素中碳有差别之外，主要区别在鈦，电炉一般鈦含量在0.035-0.055%之间，而冲天炉鈦含量在0.019-0.025%之间。在此问题出现之前，日本牧野曾经要求冲天炉铁水检测铁水氮含量，几次结果都在80-120PPM左右，因为当时（04-05年）知识，学习不足，根本不知其原因。二：冲天炉与电炉熔炼灰铁的区别1.近几年，国内铸造工作者和专家在不同场合和杂志都有论述，二汽万仁芳老师谈到冲天炉熔炼，灰铁从固态炉料到高温铁水，在炉内熔炼只有几分钟到十几分钟，同时下落的铁水滴始终有石墨核心介入，同时有极短时间1700多度的过热过程。而电炉灰铁熔炼，从固体炉料到1500度以上过热时间，最快也要一小时左右。2.冲天炉熔炼时，炉内有很明显的氧化，还原过程，硅锰主要元素都有氧化，同时生铁中各种微量元素也有氧化，其中铁水中含有的有害微量元素要比电炉低。特别是鈦，铅，等元素含量低。3.冲天炉熔炼控制管理难度较大，除碳，硫之外，各种元素都有烧损，灰铁主要元素控制波动较大。而电炉熔炼，对各种元素烧损都很小，温度可以随意提高，五大元素可以控制较准确，同时也较多保存了生铁里面的有害元素。4.冲天炉铁水内对灰铁凝固中的结晶核心等氧，硫化合物保存较多，正常熔炼时冲天炉铁水氮含量基本在正常范围（80-120PPM左右）。而电炉铁水由于熔炼时间较长，氧硫等结晶核心保存较少，特别是高温下，铁水保温时间较长时，铁水白口倾向较大，性能恶化。电炉熔炼，由于对有害微量元素保留较多，明显影响有鈦，来源主要是生铁，当鈦含量超过0.025%之上，逐步增加到0.05-0.07%时，灰铁强度有明显降低。最近发现，灰铁300熔炼，如果使用硅锆孕育剂，则锆与强化灰铁基体的氮亲和力更强，降低灰铁强度的现象更明显。5.现在主张电炉灰铁熔炼以合成铸铁工艺生产，生铁配料要少于15%，使用石墨化增碳剂，可以实现好的灰铁性能。但是成分好的合成铸铁铁水，同样有炉内高温保温时间过长，性能恶化倾向。所以专家们在国内多次铸造会议上呼吁，灰铁熔炼要有高水平的冲天炉加电炉双联熔炼设备。灰铁里面，鈦，氮作为微量元素，它们的作用，有一些教材谈到，有过论述。郝石坚老师的“现代铸铁学”一书和翟启杰老师的文章都谈到。三．氮在灰铁中的作用：1.普通灰铁中，氮含量一般都在0.004-0.018%（40-180PPM）左右，含量太高，容易出现氮气孔，或者出现裂隙状氮气孔，如果同时有氢进入，则生成裂隙状气孔的氮含量则降低。碳硅含量增加，铸铁氮气孔减少。2.氮对铸铁中石墨形态的影响。由于凝固过程中，石墨受氮的吸附，氮使石墨片长度缩短，弯曲程度增加，端部钝化，长宽比减小。研究测试表明，含氮铁水在凝固过程中，氮在石墨表面的吸附阻碍了石墨的长大，从而细化了灰铸铁的共晶转变组织。在石墨长大过程中，吸附在石墨表面的氮原子固溶在石墨中，使石墨在长大过程中晶格产生畸变，晶体缺陷增多，导致石墨片产生弯曲和分枝倾向增大。3.氮对灰铁基体组织的影响：氮使初生奥氏体一次轴变短，二次臂间距减小，使共晶团细化。在灰铁中W（N）在0.005-0.0175%时，使珠光体数量增多，同时抑制铁素体生成。超出此范围，产生强烈稳定碳化物的作用，。在厚壁灰铁中，W（N）超出0.008%时，能产生一些紧实石墨，片状石墨变粗变短，石墨片端部园钝化。4.氮对灰铁的抗拉强度有影响，在适当含量范围内，提高氮含量，可以提高灰铁的抗拉强度。郝石坚在“现代铸铁学”一书中介绍，铸铁成分在：W（C）3.12%，W(Si）1.35%，W（Mn)0.71%,W(S)0.09%,W(P)0.13%的铁水中随氮含量的增加，铸铁强度也逐步增加。见下表：（摘自郝石坚“现代铸铁”P307）.氮对灰铸铁抗拉强度的影响含量氮含量抗拉强度MPaPPM10.008%2878020.010%30510030.014%32814040.015%361150该试验以加入氰化钠改变铁水氮含量，以0.3%硅钙孕育。周小平文章指出：当氮含量超过O．0183%后，性能急剧下降，其原因是试棒中出现气孔．此时，氮在灰铸铁中的溶解度达到饱和，硬度变化不大．氮在灰铸铁中稳定并细化珠光体，可作为间隙原子固溶于铁素体和渗碳体中，使其产生晶恪畸变，基体组织强化，强度性能提高．本试验条件下，当3．0≤C%≤3．2，1．9≤Si%≤2．1，0．4≤Mn%o．6，灰铸铁中溶解氮含量0．0183%时，抗拉强度可达到400N／ram左右，硬度可达到HB260左右．四．鈦在灰铁中的作用（郝石坚文章内容）1.鈦在铸铁中可以与氧，硫，碳，氮都形成化合物。鈦与氧生成TiO2，其生成自由能更负，则鈦在铁水中首先有脱氧作用。鈦与硫，碳，氮生成自由能接近，当碳，氮浓度较高时，影响鈦和硫的反应。2.鈦与碳在较高温度下合成TiC，虽然TiC的稳定性略低于鈦的其他化合物，，但是铸铁中碳的浓度很高，铁水中仍有一部分TiC存在。TiC是面心立方晶格晶体，弥散分布于铸铁基体，有利于提高铸铁的抗磨能力。3.鈦与氮的化合物TiN也是面心立方晶格的离子晶体，在铁水中与结构近似的TiC互溶，形成Ti（C，N）。4.铸铁中含有少量鈦，（小于0.3%）时，石墨析出量随鈦含量增加而增多，有报道说，TiN是石墨形核基质，有促进石墨化作用，这个问题需深入研究。我们在电炉灰铁300熔炼中，孕育之后的三角试片断口可以看见，鈦含量在0.05%以上的断口颜色，明显比鈦含量低的断口发黑，估计就是这个原因。那么氮和鈦究竟有什么关系？资料介绍，铁水中鈦高（微量含量时），鈦很容易与强化灰铁基体的氮结合，减低氮对灰铁基体的强化作用。五。以后的经历1.08年9月份，应五粮液普什铸造聘请，去宜宾工作。报到的第一天，在普什铸造的会客室里，遇见美国卡麦隆的北京代理，闲聊天，他问起：普什铸造生产的美国卡麦隆大型压缩机缸体，约3吨重，材质灰铁300，北京代理委托江苏常州戚墅堰机车研究所验证检测材质，发现普什铸造供应的缸体铸件硬度不足。问我原因。我要求看看化学成分，他打开电脑，找出成分，一看其他元素含量都可以，只有鈦含量在0.057%左右。我回答：估计是鈦高了。介入普什铸造工作之后，才发现，当时工厂为降低成本，使用了一些四川本地小铁厂的地方生铁，鈦含量很高。2.之后，普什铸造开始生产重庆康明斯汽缸体，灰铁300铬钼铜材质，按重庆康明斯工厂要求，配料一直使用：60%废钢，30%回炉料，10%生铁，以质量较好的持久增碳剂增碳，铁水鈦含量一直在0.025以下。性能稳定。见照片1：3.08年，因为四川地震影响，陕西408厂将部分日本大发DK-28和DK-20船用汽缸体铸件生产任务转移至普什铸造生产，并派技术人员到普什铸造指导，参与铸造生产。09年初，大发DK20，5缸，6缸汽缸体新模具到普什铸造，投入生产，要求材质灰铁300，加适量铜。此时普什铸造，灰铁熔炼由于使用了多加废钢的合成铸铁工艺，鈦含量一般都在0.025-0.03%左右。一天早上，查看前晚电炉熔炼灰铁300铜的DK-20大发汽缸体成分，发现鈦含量与往常不同，在0.012%，感觉此炉铁水性能应该很高，追查电炉班长，询问熔炼情况后才知，当晚其熔炼配料没有按工艺要求进行，废钢加入几乎在90%。（该熔炼班长，以前在江苏地区外资企业打工，灰铁熔炼配料一般都是如此配料）几天之后，拉伸试棒结果在407MPa，当然其中铜含量在0.7%左右，（碳：3.04%，硅：1.7-1.9%）超出DK-20材质要求2个级别。由于熔炼班长私自改变配料，强度过高，孕育不足，该件汽缸体铸件在个别壁薄处产生裂纹，报废。但是可以看出，由于鈦含量很低产生的灰铁强度效果。4.普什铸造由于工厂设备和检测档次很好，08-09年期间，正处发展初期，工程技术人员很多，人才兴旺，工厂发展很快，美国GE公司陆续几次来厂考察，指导，改善现场管理，最后陆续给了一些铸件生产。GE公司提供的一种灰铁汽缸体铸件的技术文件里面，其对灰铁的要求部分复制于后：GEIERAl@ELECTRlC(TRANSPORTATIONSYmEbtSBUSINESSOPERATIONSI52SPECIFICATIONANDPROPERTIEStidw’--n‘Y‘ITLLSPECIALALLOYGRAYIRONMAINFRAMECASTINGS1.SCOPE:GeneralElectricMaterialC50E69identifiesaspecialalloygrayirondieselenginema.inframecasting,theconditionofwhichisdesignatedasfollows:C50E69A-MAINFRAMECASTINGWITHNUTPOCKETS-37,500psiminimumtensilestrengthinheavywallcriticalsections,electricmeltorelectricholdingfurnaceC50E69B-MAINFRAMECASTINGWITHOUTNUTPOCKETS-32,500psiminimumtensilestrengthinheavy