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1感应电炉熔炼铁液的特性及常见缺陷东风汽车公司铸造一厂2014-7万仁芳百铸网一.前言感应电炉应用于工业生产，始于上世纪30年代初期，70年代感应电炉（特别是工频炉）应用在欧洲得到了进一步普及。据统计，1974年西德生产了铸铁件389.9万吨，其中用热风冲天炉129.6万吨，占33.2%，冷风冲天炉生产95.5万吨，占24.5%，感应电炉生产了98.5万吨，占25.2%，高炉铁水与工频炉双联生产了66.3万吨，占17%。而挪威在1970年工频炉熔铁量就达到熔铁量的40%。［1~2］日本于上世纪60年代中期开始应用感应电炉化铁，1975年用量比1965年增长了6倍。据1975年抽样调查，采用冷风冲天炉的占52.4%，热风冲天炉占11.5%，无芯工频炉占15.5%，冲天炉与工频炉双联占14.1%，冲天炉与电弧炉双联占0.9%，无芯工频炉与有芯工频炉双联占1.4%，电弧炉占1.4%，其他占2.8%。[2]我国第一台大型(10t)无芯工频炉应用在武重(1968年)，大量、正常使用使用工频炉熔炼铁液是从第二汽车厂。汽车铸铁件的熔炼设备全部采用10t无芯工频炉替代冲天炉，建厂初期就采用了15台10t无芯工频炉。1971年熔炼出了第一炉铁液。1986年，合成铸铁工艺通过部级鉴定。百铸网感应电炉的优点显见，如铁液的温度高且可控制，化学成分易于调整，工人劳动强度低，作业环境好，占地面积小，对炉料块度要求不高甚至可使用切屑等等。问题主要是铁液冷激倾向和收缩倾向大，铸件易出现白口、过冷石墨和缩松缩孔缺陷，缸体缸盖漏水率居高不下，说明感应电炉铁液与冲天炉铁液在性质上有很大的不同。对于感应电炉(主要是工频炉)铁液特性，日本在上世纪70年代有大量的文章报道，但在我国，很长时间以来毕竟只有二汽一家采用工频炉化铁，大多数人对感应电炉铁液特缺少感性认识，国内对此也缺乏系统和深入的研究。进入21世纪后，大多汽车铸件生产企业都选择电炉熔炼或冲天炉-电炉双联熔炼，感应电炉的一些负面作用为更多的人所认识，人们迫切希望进一步了解感应电炉铁液的一些特性，以提高产品质量。百铸网二.感应电炉熔炼铁液的特性在熔炼过程中，感应电炉与冲天炉有两点明显不同：（a）熔化时间。冲天炉熔炼炉料从固态变成液体仅需几分钟到十几分钟，而感应电炉需40~120分钟。（b）理化反应。冲天炉熔炼过程中，炉料变成液滴而成液流，液滴(或液流)下降过程中不仅穿越底焦层，还与炉气广泛接触，同时还有熔剂参与其中，因此发生了多项冶金反应；而感应电炉熔炼过程中，炉料是从表层起逐层熔化，直到全部化清，整个过程主要是物理变化，化学反应除了炉料带进的氧化物形成炉渣外，主要就是：2C+SiO2=Si+2CO这个反应。式中的SiO2来自炉衬。这个反应是个可逆反应，其平衡温度T与铁液中的C、Si量有关，即[Si]/[C]2=e{-(154900-85.2T)/1.987T}。根据此式，可计算出当C量为2.5~3.5%、Si量为1.5~3.5%范围内，平衡温度T大约在1440~1480℃之间。当铁液温度在平衡温度以上时，反应向右进行，Si被还原出来；当铁液温度在平衡温度以下时，反应向左进行，铁液中会出现SiO2质点。1、与冲天炉熔炼过程的比较百铸网这两点不同造成的结果，就是感应电炉熔炼的铁液中，结晶核心大量消失。这点已被大量实验所证实。菊地[12]发现快速熔化的那组试样无白口，随后进行的Si-Ca孕育不起作用；而慢速熔化的那组试样白口很大，随后进行的Si-Ca孕育降白口作用很好。加山[5]按快速、慢速两种情况处理，结果表明慢速熔炼的铁液性能差(抗拉强度和成熟度低，相对硬度高)，试样缩孔缺陷多，尤其是第一、第三阶段为慢速升温时，坏的作用更为严重。资料上以“未溶石墨说”来解释这种情况，认为快速熔化条件下，铁液中有较多的未溶石墨在共晶凝固时作为晶核，使共晶团细化并消除白口，慢速熔化则晶核消失。坂野[8]和笔者公司[13]则对保温对工频炉铁液白口倾向的影响做过试验，表明平衡温度以上保温C量烧损大，Si量略有提高，但白口显著增加。但即使是原白口很大的铁液在平衡温度以下保温不加任何炉料，其白口也会减小，A型石墨增多。这一试验结果似乎验证了SiO2可以作为结晶核心这个假设，即因为是在平衡温度以下保温，SiO2得以形成，结晶核心又增加了。加山的实验中，第二阶段慢速升温影响不大，其原因也是如此。百铸网感应电炉的使用在冲天炉熔炼中，除了C和S外，几乎所有的元素都是被烧损的，而且烧损率在15~25%之间，因此一些合金元素如Cr、Cu、Mo、Ni等等都尽量不要加入炉内而是加入包中。在感应电炉熔炼中，除C有烧损外，其他元素仅略有烧损配料计算时可忽略不计，Si在1480℃以上时略有增加，也可忽略不计。C的烧损与液温、保温时间和炉型有关，工频炉由于搅拌力强，C烧损比中频炉大；铁液温度越高、保温时间越长，C烧损越大，一般在1480~1530℃液温下，C的烧损约为0.1%/h，配料计算时C应按工艺要求上限配，生产过程中希望一炉铁液应在半小时内浇完，避免C烧损带来铸件材质变化。由于合金元素烧损少，Cr、Cu、Mo、Ni等等合金元素都可以在铁液化清后直接加入炉内，只有Sn、Sb等低熔点且加入量极少的合金才在包内加入。2、合金元素的变化百铸网铸铁中要求[H]2.5ppm。氢气易导致铸件产生针孔。氢最容易扩散，由炉料带入铁液中的氢气有限，更多的氢气是从造型材料、铸型、潮湿的浇包和出槽等处带入的。冲天炉中则可能从鼓入的湿风中得到。测定铁液中的氢气含量毫无意义，主要是铁液中的Al含量不超过0.05%。氧的作用非常重要，通常冲天炉液中[O]为20~50ppm，而感应电炉铁液中[O]多在20ppm以下，即使加入含锈较多的炉料，由于熔化速度缓慢，容易发生以下反应：[O]+[C]=CO，SiO2+2[C]=[Si]+2CO，特别是在高温下，反应容易向右进行，氧量变成CO被排出，使得铁液中氧含量减少。而氧恰是形成晶核的重要元素，氧量过低，结晶核心就少，铸铁也就显示出更大的激倾向和收缩倾向[5]。3.氮、氧、氢含量百铸网氮的作用必须重视。氮促使石墨卷曲能促进珠光体形成，可使灰铁抗拉强度提高30~45Mpa，但当厚断面铸件[N]超过80ppm、薄断面铸件[N]超过130ppm时，铸件上就可能出现氮气孔(裂隙式气孔)[14]。氮的含量取决于铸铁的C、Si量。氮的溶入量上限是0.04%(400ppm)，通常冲天炉铁液中氮含量为40~80ppm，而感应电炉中氮含量则随炉料有很大的波动，当大量使用废钢且又用高氮增碳剂(如石油焦)时，铁液中的氮量可能高达150~200ppm，反之，也可能低至20~40ppm。铸件中的氮可能来自炉料，也可能来自砂芯(型)。由于氮能提高灰铁的抗拉强度，所以曾有人用含氮的孕育剂(如Fe-Cr-N、Fe-Mn-N)，效果不错。必须提醒的是含氮孕育剂用在冲天炉铁液上或许还是比较安全，用在感应电炉铁液上则有很大风险，使用前应弄清铁液中含氮量，否则会出现气孔。氮量的测定并不难，有条件的或者有需要的企业应建立氮的测定手段。百铸网冲天炉的发展方向与应用中的局限性冷风冲天炉，其能量利用率仅26%，应予淘汰。无焦冲天炉富氧冷风带保温前炉(双联)能量利用率高达72%，但目前国内尚鲜见使用。大型热风水冷无炉衬冲天炉生产率达14t/h~35t/h，能量利用率达到42~50%[15]，有的还带有有芯工频保温炉。这类炉节能、环保，铁液质量好，代表了冲天炉的发展方向。但也有一些问题：第一、产量太大，只适合在少数年产铸件10万吨以上的大企业应用，大多中小企业消化不了。中小企业仍只能采用我国独创的直燃式热风冲天炉。这种炉子热风温度只有400℃左右，能量利用率只有39%，并不理想；第二、一次投资过高；第三、铁液中硫太高，生产球铁件还需炉脱硫，同时仍有交界铁水需处理；第四、若带有芯保温炉，则增加了管理成本，有芯炉可是要24小时不能停水、不能停电的。采用1台大型冲天炉，配上2~4台有芯保温炉，各台保温炉中铁液成分不一样，可分别浇注灰铁、球铁等不同牌号铸件。这样做的前提当然必须是大型铸造厂。因此，在更节能、更环保的中小型热风冲天炉(如5t/h左右)问世之前，大多数中小企业自然会选择感应电炉。三.感应电炉的使用百铸网减小“两个倾向”是用好感应电炉的关键应该指出的是受“两个倾向”影响的主要是灰铸铁。对球铁、蠕铁而言，经过球化或蠕化处理后，铁液的激冷、收缩倾向远比原铁液要大，必须另外进行孕育处理，因此所谓感应电炉的“两个倾向”对球铁、蠕铁基本上没有影响。反而由于感应电炉不增S，容易得到低S铁液，有利于球铁、蠕铁的生产。可以说感应电炉比冲天炉更适合用作球铁、蠕铁的熔炼设备。而减小两个倾向则是熔炼好高牌号灰铁的关键。如前所述，感应电炉激冷、收缩倾向大的原因是因为结晶核心消失了。灰铸铁的结晶核心是什么？铃木[10]、中江[9]都认为，在感应电炉铁液中，MnS不可能成为晶核，因为他们的实验证明了在感应电炉中，白口是随着S量的升高而增加的，只有加入了增C剂或孕育剂后，白口才急剧下降。铃木认为是未溶石墨起到了结晶核心的作用。冲天炉熔化速度快，液滴又穿过焦碳层下落，自然会有大量未溶石墨；而感应炉中不论是生铁还是增C剂，只要是随着炉料慢慢熔化，其未溶石墨都会消失，亦即结晶核心都消失了，白口都会很大。只有把一部分增C剂放在熔炼后期(铁液化清时)加入，未溶石墨才会存在，白口才会下降。值得注意的是加山[5]认为提高炉料中生铁的比例并不能带来激冷、收缩倾向的减小，反而是铸件收缩类缺陷增加，机械性能下降。究其原因，恐怕还是因为生铁在炉内熔化时间太长。由此可知，减小感应电炉铁液激冷、收缩倾向的措施主要是两方面，一是尽量提高熔化速度，二是减少铁液中的结晶核心消失，或增加结晶核心生成。百铸网提高感应电炉铁液质量的措施a)、采用功率密度大的中频炉。工频炉由于频率低，功率密度小，熔化速度慢，作为熔炼设备已被淘汰，仅被用于保温炉。中频炉比功率可达600~1200Kw/t，熔化速度快，启熔方便，符合快速熔化的要求。对于熔化铸铁，比功率应≥650kW/t。炉子容量与选择频率有一定关系，据资料[15]提供的“频率选择图”，当频率f=200HZ时，炉子容量可为2t~10t，而当频率f=100HZ时，炉子容量可为10t~80t，换言之，当炉子容量为2t时，可选频率为60~200HZ。b)、在大量流水生产条件下，不宜选择单台大容量感应炉，以免一炉铁液浇很长时间。比如每小时铁液需要量是20t，宁选两台10t(或12t)的炉子，也不要选一台20t的炉子。百铸网c)、掌握感应电炉熔化“三阶段”规律。第一阶段(固态炉料到化清)，炉料在刚刚化清的时候，铁液表面最容易氧化，若这阶段时间过长，氧化产物或成气体(如CO)排出，或成氧化物进入渣中，结果使得铁液中的氧量低，减少了结晶核心。因此这个阶段应尽量快速熔化；第二阶段(化清到平衡温度以下)，这阶段由于可能生成SiO2，白口倾向不大，可适当放慢一些，以便于炉前成分检测和调整；第三阶段(平衡温度以上到出铁温度)又必须快速进行，以减少C的烧损和结晶核心消失。基于同样原因，熔化好的铁液必须尽快浇注掉，最好能一次出完，若需多包出铁，则应加盖保温，避免再次送电。或者采用“连续熔化”的方法，即出铁后补加同量炉料快速熔化，或采用补加少量增C剂的方法。百铸网d)、炉料配比和加料顺序的影响。许多资料