熔炼要求及炉子选择注意事项

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：熔炼炉的选择还应注意以下问题：①炉子的熔炼性能与炉料的熔炼要求应协调一致。对铸件有高耐磨性要求或要求铁液流动性高时，含磷质量分数可提高至0.3%，要求铸件致密性高时，含磷质量分数应低于0.1%。灰铸铁的临界温度为1500～1550℃，冲天炉出铁温度宜在1520～1550℃，保温炉出铁温度宜在1480～1500℃。

1.灰铸铁熔炼炉型

灰铸铁熔炼应以冲天炉为主，根据铸铁牌号、铸件批量及质量要求，选择不同的冲天炉类型。在大批量生产高牌号、高质量要求铸件时，宜采用外热风冲天炉或冲天炉—感应炉双联熔炼。能源条件适宜的地区，可采用非焦炭冲天炉或感应炉熔炼。熔炼炉的选择还应注意以下问题：①炉子的熔炼性能与炉料的熔炼要求应协调一致。炉料的化学成分与铸件的差别越大、炉料的杂质越多、炉料的氧化越严重，要求熔炼炉的冶金性能越强。②熔炼过程的冶金效果取决于熔炼炉的类型和熔炼工艺两方面，而合适的炉型，可以减轻熔炼工艺的负担，降低熔炼的成本。

2.灰铸铁的化学成分

灰铸铁的化学成分可参考表1-2。

（1）碳当量碳当量表明铸铁的实际成分距离共晶成分的远近，也反映了铸铁凝固温度区间的大小。考虑到铁液中各元素的综合作用，铁液碳当量的精确值可以用发明专利ZL201210299358.X提出的数学模型进行计算：

式中 w（M）_i——铁液中除铁之外其他各元素的化学成分（质量分数，%）；

k——元素对共晶点实际含碳量的影响系数；

q——元素对共晶点实际含碳量的影响倾向指数，降低共晶点实际含碳量取0，提高共晶点实际含碳量取1；

n——元素数量。

常见元素的对共晶点实际含碳量的影响系数和影响倾向指数见表1-4，实际应用中，可以根据铸件生产质量要求考虑元素的种类多少。

表1-4 常见元素的对共晶点实际含碳量的影响系数和影响倾向指数

（2）碳碳是铸铁中产生石墨的物质基础。亚共晶铸铁在缓慢冷却的条件下，石墨数量随着含碳量的提高而增多；反之，含碳量的降低，使结晶温度区间增大，初生奥氏体增多，有利于提高铸铁强度。过低的含碳量将使铁液铸造性能变差；含碳量过高，则孕育效果变差。

（3）硅含硅量对力学性能和铸造性能的影响不像碳那样显著。当铸铁的含碳量和壁厚确定后，则把含硅量选择在稍低于显著促进石墨化的临界值，加入孕育剂使硅量超过该值，以达到孕育的效果。确定含硅量临界值时可以查阅有关铸件相图。

（4）硅碳比在铸件尺寸和碳当量一定时，提高Si/C比值，可以提高灰铸铁的抗拉强度和硬度。将Si/C=0.4～0.5提高至Si/C=0.7～0.8时，强度可提高一级左右，并且铸铁的残余应力减小，弹性模量增大，相对强度提高。

（5）锰和硫锰和硫都是稳定渗碳体、阻碍石墨化的元素。锰促进珠光体生成和稳定珠光体的作用较强，可提高铸铁的强度。硫在灰铸铁中，对石墨化作用具有二重性。在含量过高和过低时，都将阻碍碳的析出，促使铸铁组织白口化。硫和锰在高温铁液中易生成MnS；（Fe，Mn）S，熔点超过1600℃，以细微的颗粒状分散在铁液中，作为石墨的非均质晶核，有利于石墨的析出。因此，硫是灰铸铁孕育处理不可缺少的元素。冲天炉铁液含硫质量分数在0.08%～0.12%之间，可以达到良好的孕育效果，并可获得较好的抗衰退性能。提高锰含量，有利于增加并细化珠光体，并可适当放宽硫含量。为了确保孕育效果，铁液中硫的质量分数不宜低于0.05%～0.06%。

（6）磷磷使铸铁的共晶点左移，作用程度与硅相似。磷在铸铁中以二元和三元磷共晶存在，其硬度可提高铸铁的耐磨性，脆性则是铸件冷裂的常见原因。对铸件有高耐磨性要求或要求铁液流动性高时，含磷质量分数可提高至0.3%，要求铸件致密性高时，含磷质量分数应低于0.1%。

3.过热温度

铁液的过热温度是保证铸件质量的重要因素之一，是进行孕育处理和合金化必不可少的条件。在一定范围内提高铁液过热温度，延长铁液高温下静止的时间，可以细化结晶，提高铸铁强度，降低硬度。当过热温度超过某一临界温度时，铁液的成核能力下降，过冷倾向增大，石墨形态恶化，甚至出现自由渗碳体，强度开始下降。临界温度的数值主要取决于铁液的化学成分和铸件的冷却速度。增大铁液过冷度的因素，皆使临界温度降低。灰铸铁的临界温度为1500～1550℃，冲天炉出铁温度宜在1520～1550℃，保温炉出铁温度宜在1480～1500℃。

过热铁液不宜在降温后长时间静止，以避免降低过热效果。

在实际生产中，按照铁液中碳、硅含量来选择最佳过热温度的方法如图1-2所示。图中温度坐标的示值，左侧为理论平衡温度，右侧为最佳过热温度。过热温度一般高于理论平衡温度50℃左右。

例如：灰铸铁HT300，假定w（C）=3.19%，w（Si）=1.60%。从图1-2中w（C）与w（Si）坐标上选出3.19%点和1.60%点，两点连线与中间温度坐标交点示值即表示过热温度为t_H=1477℃，理论平衡温度为t_G=1417℃。

为了可靠消除炉料遗传性或夹杂物的不利影响，应适当提高过热温度。

4.灰铸铁的配料

（1）金属炉料的种类可用做熔炼灰铸铁的炉料种类很多，传统的金属炉料是原生铁、废钢、回炉铁、硅铁和锰铁。随着熔炼技术的进步，钢铁切屑、炼钢渣铁以及氧化严重的钢铁废料都被成功地用于灰铸铁熔炼。在冲天炉炉料中，使用钢铁厂的除尘灰、轧钢氧化皮、球团矿成功熔炼铸铁的案例已不少见。废钢在炉料中的比例大幅增加的趋势强劲，通过增碳可以得到合格的铁液成分，不但降低铁液成本，而且在相同化学成分下，铸铁的力学性能更好。

（2）影响配料的因素

1）铸件化学成分。铸件化学成分是炉料成分、熔炼过程元素增损、铁液炉外处理三方面综合作用的结果，其中炉料成分是形成铸件成分的基础。根据铸铁牌号、铸件结构、批量和加工要求、熔炼效果等因素，恰当地确定铸件的化学成分，是配料的基本依据。

2）炉料种类。选择炉料应保证达到铸件化学成分要求，并要充分利用当地资源条件，节约炉料成本，还应符合本企业的熔炼能力。含碳量与铸件相差较大的炉料、氧化严重的炉料，需要熔炼过程具有更强的冶金能力，达到增碳、增硅、还原氧化铁的目的。因此炉料的配制和调整应更多地依赖于熔炼的实际效果。

3）熔炼设备性能。熔炼设备性能对配料的影响，主要由冶金能力的不同而产生。熔炼过程合金元素的烧损和增加影响炉料化学成分的确定。

4）熔炼效果及炉外铁液处理。影响熔炼效果的因素很多，尤其是冲天炉熔炼，许多影响因素的变化是难以预见的。由于某些因素的变化对元素含量的影响，不能在配料中消除，通过控制。炼工艺和炉外铁液处理的方法，可以稳定地创造符合要求的熔炼环境，补充某些元素的不足。

表1-5列出了一些常见因素对铸铁中碳、硅、锰含量变化的影响。

图1-2 灰铸铁最佳过热温度和C、Si含量的关系

表1-5 各种影响因素与铁液中元素增减的关系

注：1.表中所列影响因素的增加或提高是以冲天炉正常条件为基础。

2.元素增减率变化：（+）表示增长率；（-）表示烧损率；（↑）表示增减率明显提高；（↓）表示增减率明显降低；（↗）表示增减率的提高不明显；（↘）表示增减率的降低不明显。

（3）配料方法

1）试算法配料。试算法配料的基本步骤如下。

第一步：按照铸件牌号和结构，确定铁液中化学元素含量的范围，以含量范围的中值作为配料的计算依据。

第二步：根据统计或经验数据确定熔炼过程各种化学元素的烧损率。

第三步：收集、统计配料所用废钢、生铁、回炉料、铁合金等金属炉料化学成分的平均值。

第四步：根据回炉料供应量确定每100kg金属炉料L中回炉料的量H（kg）。

第五步：按回炉（H）、废钢（G）、原生铁（T）的合计量为100kg，炉料中碳的质量分数为w（C_L），回炉料、废钢、原生铁中碳的质量分数分别为w（C_H）、w（C_G）、w（C_T），列二元一次方程组

H+G+T=100；

Hw（C_H）+Gw（C_G）+Tw（C_T）=100w（C_L）

算出100kg炉料中的生铁量T和废钢量G。

第六步：核算回炉料、生铁、废钢中的硅、锰元素含量。如果炉料中硅、锰含量不足，应计算补充硅、锰量和折合的硅铁、锰铁量；如果硅、锰含量超过需要，则回到第四步调整回炉料量，重新计算至硅、锰满足要求。

第七步：核算上述配料中的硫、磷含量。如果硫、磷含量超出要求，则回到第四步调整回炉料量，重新计算直至硫磷满足要求。

第八步：根据批料量算出各种金属炉料的加入量。

第四步确定的回炉铁量，也可以根据工厂的实际生产条件改为废钢或原生铁量。

2）经验法配料。按经验公式，将铸铁的化学成分折算为炉料的化学成分。

①炉料中的碳含量计算。

经验公式：w（C_炉料）=2[w（C_铁液）-1.8%] （1-2）

式中 w（C_铁液）——铁液中碳的质量分数（%）；

w（C_炉料）——炉料中碳的质量分数（%）；

1.8%——增碳系数，此值随炉子增碳量的大小和原始含量而变化，一般为1.7%～1.9%。

图表法：应用图1-3中的曲线，按铁液要求的碳含量选定金属炉料中的碳含量。

②计算金属炉料各组分的比例。

图1-3 在冲天炉正常熔炼工艺规范下，金属炉料中碳含量与熔炼后铁液中碳含量的关系

设灰铸铁的配料由废钢、回炉铁和原生铁组成，其

组成比例应用下式计算

Gw（C_G）+Hw（C_H）+Tw（C_T）=W（C_L）（1-3）

式中 G——金属炉料中废钢的质量分数（%）；

H——金属炉料中回炉料的质量分数（%）；

T——金属炉料中生铁的质量分数（%）；

w（C_G）——废钢中碳的质量分数（%）；

w（C_H）——回炉料中碳的质量分数（%）；

w（C_T）——生铁中碳的质量分数（%）；

W（C_L）——金属炉料中总含碳质量分数（%）。

按已选定出的配料总含碳量，用图1-4得出金属炉料最佳配比系数α。

图中曲线Ⅰ适用于废钢、回炉料和生铁配料，曲线Ⅱ适用于废钢、回炉料配料。

取

则 G=αH （1-4）

T=1-（G+H）=1-（αH+H）（1-5）

用式（1-4）代入式（1-2）得出

例1 已知：灰铸铁HT350的铁液要求含碳质量分数为2.87%，金属料由废钢、回炉料和Z18生铁组成，金属料中碳含量（质量分数）分别为：废钢0.2%、回炉料2.9%、Z18生铁3.9%。

图1-4 最佳金属炉料组成部分配比，配比系数α与配料中碳含量的关系

Ⅰ—金属料由废钢、回炉料和生铁组成 Ⅱ—金属料有废钢和回炉料，含组成w（C）=2.5%

配料程序如下：

从图1-3中查出配料碳量（质量分数）为2.1%。用已知配料碳量（2.1%），从图1-4曲线Ⅰ中找出废钢与回炉料配比即G/H=α=0.8。

将各数值代入式（1-6）计算回炉料加入量：

应用式（1-4）计算废钢加入量：G=αH=0.8×45.5%=36.4%

应用式（1-5）计算Z18生铁加入量：T=100-（G+H）=18.1%

灰铸铁配料碳量和废钢加入量推荐值见表1-6。

表1-6 灰铸铁配料碳量和废钢加入量

（4）配料成分的调整根据铸件壁厚确定好铁液的化学成分以后，就应考虑利用已有的生铁和废钢进行配料计算。如果调整生铁或废钢的比例，达不到预定成分中的C、Si量，可在保证碳当量的条件下进行C、Si量的调整。

CE=w（C）+0.3[w（Si）+w（P）] （1-7）

例2 原预定铸铁成分（质量分数）为w（C）=3.2%、w（Si）=2.0%、w（P）=0.15%，为了适合现有材料，欲把成分改为w（C）=3.4%、w（P）=0.1%，在不影响原定物理性能的条件下，w（Si）应为多少？

根据式（1-7）：CE=[3.2+0.3×（2.0+0.15）]%=3.845%

为了保持铸铁物理性能相等，调整前后的CE不变，CE=3.845%=3.4%+0.3[w（Si）+0.1]%

解得：

S或Mn超过预定要求时，应予以调整。S、Mn生成MnS的平衡量可按下式确定

Mn=1.7S%+0.35%

灰铸铁的配料举例见表1-7。

表1-7 灰铸铁的配料举例

熔炼要求及炉子选择注意事项

相关推荐