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半石墨化增碳剂
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石墨化增碳剂使用方法

2019-09-05

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。石墨质增碳剂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。

半石墨化增碳剂

一. 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,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,终含碳量是增。同样铁液也会从焦炭中吸收部分硫。

我们知道用电炉熔炼炉料,石墨化石油焦增碳剂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

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

2.用电炉熔炼铁液对材质性能的影响

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。

(二)、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。

(三)、化学成分的选择

我们的产品是汽车轮毂,造型采用的是铁模覆砂工艺,材质是QT450-10,其硬度是HB160-210,属于铁素体基体球铁。但是用户为了便于机械加工提高生产速度,除要求材质的抗拉强度及延长率合格之外,还要求铸件的硬度≦HB200。所以在化学成分含量的选择上,进行了大量的试验和研究:碳(C)碳之所以能促进石墨化,是由于碳本身就是构成石墨的元素(是石墨化膨胀的内部因素),所以,碳高则析出的石墨数量多,提高含碳量石墨质增碳剂膨胀量大,可以减少缩孔体积,使铸件组织致密。但是碳量过高,铸件易出现石墨漂浮,还可能产生开花状石墨,降低力学性能。根据铸件的大小和厚薄,控制在3.6―3.9%硅(Sī) 硅是促进石墨化元素(是石墨化膨胀的外部因素),尚若以孕育剂方式加入,则其石墨化能力更强烈。硅之所以能促进石墨化,是因为硅能降低碳在液相和固相中的溶解(排碳现象)度①,阻碍Fe原子和C原子的化合,从而增加了碳的活度,能够使碳充分的以游离状结晶碳,即以石墨的形态析出;硅能够提高共晶和共析转变温度,有利于石墨核心的成长和延长成长时间②;硅具有使液相线下降的特性,在碳当量一定时,提高硅的含量,在相同的浇注温度下,相对提高了铁液的过热度,增加了铁水的流动性,便于铸件成型。以上这些,都是硅在促进石墨化过程中起到的诸多作用。


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