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業內資訊

鑄鐵的熔煉方法及其特點

  鑄鐵是含碳量大于2.11或者組織中具有共晶組織的鐵碳合金。工業上所用的鑄鐵,實際上都不是簡單的鐵一碳二元合金,而是以鐵、碳、硅為主要元素的多元合金。鑄鐵的成分范圍大致為:C2.4-4.0%,Si0.6-3.0%,Mn0.2-1.2%,P 0.1-1.2%,S 0.08-0.15%。有時還加入各種合金元素,以便獲得具有各種性能的合金鑄鐵。

  根據碳在鑄鐵中存在的形態不同,通??蓪㈣T鐵分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵及麻口鑄鐵。而灰鑄鐵中又可根據石墨的形態不同而分為普通灰鑄鐵,蠕蟲狀石黑鑄鐵,球黑鑄鐵以及可鍛鑄鐵。

1 灰鑄鐵

  灰鑄鐵通常是指具有片狀石墨的灰口鑄鐵,這中鑄鐵具有一定的機械性能、良好的鑄造性能以及其它多方面的優良性能,因而在機械制造中業獲得最廣泛的應用。

  表1為灰鑄鐵的新的國家標準。該標準是以灰鑄鐵的抗拉強度作為分級依據的。由于灰鑄鐵對冷卻速率的敏感性(壁厚效應),同一種牌號鑄鐵在不同鑄件壁厚條件下的實際強度有很大的差別(薄壁與厚壁之間在強度上的差別達50-80MPa)。

表1  灰鑄鐵分級

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2 球墨鑄鐵及蠕墨鑄鐵

  球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵一般是用稀土鎂合金對鐵液進行處理,以改善石墨形態,從而得到比灰鑄鐵有更高機械性能的鑄鐵。

  球墨鑄鐵依照其基體和性能特點而分為六種:即鐵素體(高韌性)球墨鑄鐵,珠光體(高強度)球墨鑄鐵,貝氏體(耐磨)球墨鑄鐵,奧氏體一貝氏體(耐磨)球墨鑄鐵,馬氏體一奧氏體(抗磨)球墨鑄鐵及奧氏體(耐熱、耐蝕)球墨鑄鐵。

  蠕墨鑄鐵具有不同比例的珠光體—鐵素體基體組織。鑄鐵性能與其石墨的蠕化程度(蠕化率)及基體有關。在石墨蠕化良好條件下,珠光體蠕墨鑄鐵的強度和硬度較高,耐磨性強。適于制造耐磨零件,如汽車的剎車鼓等。而鐵素體蠕墨鑄鐵的導熱性較好,在高溫作用下,不存在珠光體分解問題,組織較穩定,適用于制造在高溫下工作、需要有良好的抗熱疲勞能力、導熱性的零件,如內燃機汽缸蓋、進排氣岐管等。

3 可鍛鑄鐵

  可鍛鑄鐵是將白口鑄鐵通過固態石墨化熱處理(包括有或無脫碳過程)得到的具有團絮狀石墨的鐵碳合金。采用不同的熱處理方法,可以得到具有不同組織和性能的可鍛鑄鐵,即黑心可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵和白心可鍛鑄鐵。

  當將白口鑄鐵毛坯件在密封的退火爐中進行熱處理,即在中性爐氣條件下退火時,得到的鑄鐵組織中有呈團絮狀的石墨(退火碳)存在。這種石墨雖不很圓整和緊密,但它對基體的割裂作用則比灰鑄鐵中的片狀石墨要小得多,因此它能使鑄鐵得到較高的強度及良好的韌性。鑄鐵的基體可以通過熱處理來加以控制。使之成為鐵素體或珠光體。用這種方法得到的鐵素體基體可鍛鑄鐵因組織中有石墨存在,因而鑄鐵的斷面呈暗灰色,而在表層經常有薄的脫碳層呈淺灰色,故通稱為黑心可鍛鑄鐵。而珠光體可鍛鑄鐵則是以其基體命名的。

  當將白口鑄鐵毛坯件在氧化性質的爐氣條件下進行退火時,鑄件斷面上從外層到心部,發生強烈的氧化和脫碳。在完全脫碳層中無石墨存在,鑄鐵的組織為鑄素體。實際上,在小斷面尺寸條件下,鑄鐵的組織基本上為單一的鐵素體和退火碳。而在大斷面尺寸條件下,表層為鐵素體,中間區域為珠光體和鐵素體及退火碳,而心部區域則為珠光體及退火碳(間或有少量鐵素體)。這種鑄鐵斷面由于其心部區域有發亮的光澤,而表層色澤較暗,故通稱為白心可鍛鑄鐵。

4 特種鑄鐵

   特種鑄鐵是指具有特殊使用性能的鑄鐵材料,主要包括抗磨鑄鐵、耐熱鑄鐵和耐腐蝕鑄鐵。為了使鑄鐵具有這些特殊使用性能,需要使鑄鐵有一定的組織。特種鑄鐵中既有非合金鑄鐵(例如普通白口抗磨鑄鐵),也有低合金鑄鐵、中合金鑄鐵和高合金鑄鐵(如中錳抗磨用球墨鑄鐵及高鉻抗磨用白口鑄鐵等)。

  對任何一種特種鑄鐵而言,首先是要求具備一定的使用性能,如抗磨、耐熱等。但由于是用來制造機器零件,就需要保證有一定的機械性能,主要是強度和塑性,為此需要在鑄鐵的化學成分設計上,考慮同時滿足特定的使用性能和一定的機械性能這兩方面的要求。

  由于特種鑄鐵中含有大量合金元素,使得其在熔煉和鑄造性能方面,與非合金化的鑄鐵有顯著的差別。大多數合金元素降低鑄鐵的鑄造性能,而含有大量合金元素的特種鑄鐵的鑄造性能通常是很差的,在鑄造過程中容易產生多種鑄造缺陷,因此需要針對各種鑄鐵在熔煉和鑄造方面的特性,采取適當的工藝措施,防止缺陷的發生,以保證鑄件的質量。

5 鑄鐵的熔煉

9.1 熔煉對保證鑄件質量的重要性

  熔煉鐵液是生產鑄鐵件的重要環節。鑄件質量包括內在質量、外觀質量以及是否形成缺陷等,這些都與鐵液方面因素有直接的關系。如鐵液的流動性、薄壁和結構復雜鑄件的成型性以及冷隔缺陷等受鐵液溫度的影響,而熔煉的鐵液化學成分是否符合要求,則對鑄件的機械性能有直接的影響。鐵液中的氣體和非金屬夾雜物含量不僅影響鑄鐵的強度和鑄件的致密度,而且還與鑄件形成氣孔、裂紋等缺陷有關。隨著機械制造科學的發展,對鑄鐵提出薄壁、高強度的要求,鑄件的最小壁厚由過去4~6mm減小至2~3mm,這要求相應提高鐵液澆注溫度。鐵液溫度還對鑄鐵件的內在質量有重要的影響,如灰鑄鐵件的質量指標(GZ),即與鐵液溫度有顯明的關系。在球墨鑄鐵生產方面,熔煉出鐵液的溫度及原始含硫量成為球化及孕育處理有否成功的先決條件。

9.2 對鐵液質量的基本要求

1.出爐溫度

  不同牌號灰鑄鐵件的澆注溫度范圍大致為1330-14100C。在一般情況下,鐵液的出爐溫度至少比澆注溫度提高500C,故根據鑄鐵牌號(自HT100至HT350)和鑄件結構條件的具體情況,鐵液出爐溫度應不低于1380-14600C。當需要澆注特?。?-4mm)鑄件時,出爐溫度還應提高20-300C。為了滿足澆注鑄件的需要,不同牌號可鍛鑄鐵的出爐溫度應不低于1460-14800C。對球墨鑄鐵及其它變質處理的鑄鐵,在其球化一孕育處理過程中鐵液的溫度會有顯著的下降,為了補償鐵液的溫度損失,需相應提高鐵液的出爐溫度。

2.化學成分

  熔煉得到的鐵液化學成分需要滿足鑄件的規格要求。

  用沖天爐熔煉時,配料計算是保證鐵水化學成分合乎要求的首要環節。即根據鐵水化學成分的要求,考慮沖天爐在熔煉過程中元素的變化和爐料的實際情況,計算出各種金屬爐料的配合比例。

  各種牌號鑄鐵要求的化學成分隨鑄件壁厚和鑄造方法而異。例如,HT20-40鑄鐵的化學成分范圍為:C3.3-3.5%、Si1.5-2.0%、Mn0.5-0.8%、S<0.12%、P<0.25%。用于配置HT20-40的金屬料平均成分如表2。

表2 配置HT20-40的金屬料平均成分

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所用鐵合金為含硅45%硅鐵,含錳75%的錳鐵。

熔煉過程中元素的變化為:Si –15%、Mn –20%、S +50%。

其配料計算如下:

(1)計算爐料中各元素的變化

a) 爐料含碳量:  C鐵水% = 1.8% + 0.5 C爐料%

已知鐵水所需的平均含碳量為3.4%,按上式算得 C爐料%=3.2%;

b) 爐料含硅量: 已知鐵水所需的平均含硅量1.75%,硅的熔煉燒損為15%,則

 Si爐料=1.75/(1-0.15)=2.06%;

c) 爐料含錳量  已知Mn鐵水=0.65%,熔煉燒損20%,故Mn爐料=0.65/(1-0.20)=0.81%;

d) 爐料含硫量  已知S鐵水=0.12%,增硫50%,則:S爐料=0.12/(1+0.5)=0.08%;

e) 爐料含磷量  磷在熔煉過程中變化不大,P爐料=P鐵水<0.25%

綜合上列計算結果,所需配置的爐料平均化學成分為:

C爐料3.2%、Si爐料2.06%、Mn爐料0.81%、S爐料<0.08%、P爐料<0.25%

(2)初步確定爐料配比

a) 回爐料的配比:主要取決于廢品率和成品率,它隨具體生產情況而變化。此處取20%。

b) 新生鐵和廢鋼配比:設新生鐵為χ%,則廢鋼為80%-χ%。按爐料所需含碳量為3.2%,新生鐵、廢鋼、

回爐料的含碳量各為4.19%、0.15%、3.28%,可列出下式:

4.19χ+0.15(80-χ)+3.28′20=3.2′100

得出χ=60.0%。故鐵料配比為:Z15生鐵60%、廢鋼20%、回爐料20%。

(3)然后按上述配比及各種爐料的成分,計算配合后的爐料成分如表3。

表3 爐料成分

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(4)計算鐵合金加入量

 a) 硅鐵加入量  今缺硅量0.67%,亦即每100公斤爐料需加硅0.67公斤。所用硅鐵含硅量為45%,故每100公斤爐料需加硅鐵量為0.67/0.45=1.5公斤

 b) 錳鐵加入量  同上法計算,每100公斤爐料需加入含錳75%的錳鐵為:0.12/0.75=0.16公斤。

(5)制定配料單

根據配比和層鐵量,確定每批爐料中各種爐料的重量,寫出配料單。設已知層鐵500公斤,可算得每批鐵料的組成為:生鐵 :500′60%=300公斤、廢鋼:500′20%=100公斤、回爐料:500′20%=100公斤、45%硅鐵:500′1.5%=7.5公斤、75%錳鐵:500′0.16%=0.8公斤。

3.有害成分

  鑄鐵熔煉過程中,必須將有害的元素成分(磷、硫以及其它干擾鑄鐵正常結晶和組織控制的微量元素等),控制在限量以下。

1)脫硫  沖天爐熔煉中鐵液中硫的來源,一是爐料中固有的硫,二是從焦碳中吸收的硫。酸性沖天爐不具有脫硫能力,堿性沖天爐能在一定程度上起到脫硫的作用。

   爐渣堿度在一定范圍內提高時,有利于降低鐵液含硫量;溫度提高時,鐵液在熔煉過程中增硫量減少;爐氣氧化性強時,渣中FeO含量增高,不利于脫硫反應的進行。適當提高焦鐵比,減小送風強度,有利于脫硫。但當生產球墨鑄鐵件時,除了用熱風沖天爐進行爐內脫硫外,還常采用爐外脫硫的措施。爐外脫硫的基本要點是盡量擴大脫硫劑與鐵液之間的接觸面積,以加強脫硫效果。常用方法有:利用電石脫硫的搖動包脫硫法、噴射脫硫法、機械脫硫法、機械攪拌脫硫法和多空塞脫硫法等。

2)脫磷  磷對鑄鐵的機械性能,特別是對球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵的韌性有害,因此要嚴格控制鑄鐵的含磷量。沖天爐熔煉的脫磷能力很弱。因此對鐵液的含磷量只能通過配料來控制。應采用一定比例的低磷生鐵和廢鋼進行配料。

4.鐵液純凈,含有的渣、氣體、夾雜物量少。

  為了將沖天爐熔煉中形成的夾雜物從鐵液中去除,常在熔煉過程中按照爐料重量,加入一定量的石灰石CaCO3 作為溶劑。石灰石在高溫下分解,與泥沙、灰分等化合形成低熔點的復雜化合物——熔渣。熔渣易于與鐵液分離便于去除。當熔渣粘度高時,可加入一些螢石(CaF2),以降低爐渣熔點。

9.3 鑄鐵的熔煉方法及其特點

  熔煉鑄鐵的方法依照所用的熔爐設備而分為沖天爐熔煉,感應電爐熔煉,電孤爐熔煉,反射爐熔煉,以及由某些方法的聯合,如沖天爐一電孤爐、沖天爐一感應電爐雙聯法等。

1.沖天爐熔煉法

(1)沖天爐構造 沖天爐的基本構造示如圖1。爐身、風箱及煙道等用鋼板焊成。爐身內部通常砌以耐火磚層,以便抵御焦碳燃燒產生的高溫作用。為了儲存鐵液,多數沖天爐都配有前爐。

(2)沖天爐熔煉原理 在熔煉過程中,爐身的下部裝滿焦碳,稱為底焦。在底焦的上面交替裝有一批批的鐵料(生鐵、廢鋼、回爐料、鐵合金等)、焦碳及熔劑(石灰石、螢石等)。通過鼓風,使底焦強烈燃燒,產生的高溫爐氣沿爐身高度方向上升,使其上面一層鐵料熔化。

(3)沖天爐熔煉的優缺點及其應用 沖天爐是最普遍應用的鑄鐵熔煉設備。它用焦炭作燃料,焦炭燃燒產生的熱量直接用來熔化爐料和提高鐵液溫度,在能量消耗方面比電孤爐和其它熔爐節省。而且設備比較簡單,大小工廠皆可采用。但沖天爐也存在一定的缺點,主要是由于鐵液直接與焦炭接觸,故在熔煉過程中會發生鐵液增碳和增硫的過程。

  采用了沖天爐一電孤爐雙聯熔煉法或沖天爐一感應電爐雙聯熔煉法,以充分利用沖天爐熔化效率較高、電孤爐和感應電爐對鐵液過熱能力強及化學成分控制容易的優點。

2.感應電爐熔煉

(1)感應電爐構造及工作原理 感應電爐是利用電流感應產生熱量來加熱和熔化鐵料的熔爐。爐子的構造分為有芯式(圖2)和無芯式兩種,在無芯式感應電爐中,坩堝內的鐵料在交變磁場的作用下產生感應電流,并因此產生熱量,而將其自身熔化和使鐵液過程熱。在有芯式感應電爐中,需要加入用其它熔爐(如沖天爐)熔化的鐵液,在環形鐵芯內產生的交變磁場使溝槽內的鐵液過程,并利用溝槽中鐵液與其上面熔池中的鐵液循環作用而加熱全部鐵液。無芯式感應電爐具有熔化固體爐料的能力,而有芯感應電爐只能過熱已熔化的鐵液,但在過熱鐵液的電能消耗方面,則以有芯感應電爐更為節省。 

(2)感應電爐熔煉的優缺點及其應用 與沖天爐熔煉相比,感應電爐熔煉的優點是熔煉過程中不會有增碳和增硫現象,而且熔煉過程可以造渣覆蓋鐵液,在一定程度上能防止鐵液中硅、錳及合金元素的氧化,并減少鐵液從爐氣中吸收氣體,從而使鐵液比較純凈。這種熔煉方法的缺點是電能耗費大。

  感應電爐適用于熔煉高質量灰鑄鐵、合金鑄鐵、球墨鑄鐵及蠕墨鑄鐵等。無芯感應電爐能夠直接熔化固體爐料,而且開爐及停爐比較方便,適合于間斷性生產條件。有芯感應電爐開爐及停爐不便,適合于連續性生產。這種爐子熔化固體爐料的熱效率低,而對過熱鐵液的熱效率高,故適于與沖天爐配合使用。目前這兩種形式的感應電爐在鑄鐵生產上都得到應用。

3.電弧爐熔煉

(1)電弧爐構造及工作原理 電弧爐熔煉是利用石墨電極與鐵料(鐵液)之間產生電弧所發生的熱量來熔化鐵料和使鐵液進行過熱的。生產上普遍使用的是三相電弧爐,其爐體部分的構造示于圖6。在電弧爐熔煉過程中,當鐵料熔清后,進一步地提高溫度及調整化學成分的冶煉操作是在熔渣覆蓋鐵液的條件下進行。電弧爐依照爐渣和爐襯耐火材料的性質而分為酸性和堿性兩種。堿性電弧爐具有脫硫和脫磷的能力。

(2)弧爐熔煉的優缺點及其應用 電弧爐熔煉的優點是熔化固體爐料的能力強,而且鐵液是在熔渣覆蓋條件下進行過熱和調整化學成分的,故在一定程度上能避免鐵液吸氣和元素的氧化。這為熔煉低碳鑄鐵和合金鑄鐵創造了良好的條件。電弧爐的缺點是耗電能多,從熔化的角度看不如沖天爐經濟,故鑄鐵生產上常采用沖天一電弧爐雙聯法熔煉。由于堿性電弧爐襯耐急冷急熱性差,在間歇式熔煉條件下,爐襯壽命短,導致熔煉成本高,故多采用酸性電弧爐與沖天爐相配合。

 


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