感应电炉熔炼铸铁的冶金质量

感应电炉熔炼的冶金特性五个方面应对措施

目前，由于国家对环保标准的要求不断提高，大多数小型冲天炉逐渐被中频感应电炉所取代。与冲天炉熔炼相比较，电炉熔炼具有设备操作简便、铁液供应柔性好的特点，但没有显著的冶金反应熔炼，而是大量废钢、合金以及增碳剂等材料的重熔过程，生产的铸件也称为合成铸铁。电炉熔炼的工艺特点影响了铁液的性质，同时也带来一些铸件质量问题，如果生产过程中控制不当，往往会出现铸铁显微组织不合格、加工性能恶化的现象。我公司自2012年开始使用ABP感应电炉生产灰铁铸件，主要包括气缸体、曲轴箱等铸件，每年生产铸件重量约为4-6万吨，在生产铸件的过程中，经过探索研究感应电炉熔炼的冶金一些特性，并不断优化电炉熔炼工艺，较大程度上提升铁液的生产质量和铸件品质。

1.感应电炉熔炼的铁液过冷度

电炉熔炼采用了大量的废钢和增碳剂的熔化方式，在提高铸件强度和硬度的同时，铁液中的外来结晶核心减少，在相同碳当量的条件下，电炉熔炼的铁液在共晶凝固时的过冷度比冲天炉铁液要大，收缩倾向也较大，在灰铸件厚壁处易产生缩孔和缩松现象，薄壁处易产生白口和硬边等铸造缺陷，因此，在铁水孕育过程中，为保证铸件力学性能，需要提高0.1-0.2%的孕育量。

2.电炉熔炼铁液气体含量特点

电炉熔炼利用交流电感应原理，将金属炉料熔化，整个熔炼冶金基础就在于金属炉料、炉衬材料、炉渣以炉内气体的相互作用。与冲天炉熔炼相比较，由于金属炉料与炉气的接触时间比较短，熔化铁液与炉气的接触界面较小，熔化后的铁液中氢、氧含量较低。

2.1电炉铁液氢含量

氢元素是反石墨化元素，在铁液中属于有害元素，其含量越低越好。相关资料表明，电炉熔炼铁液中的氢含量约为2PPm，因此，在熔炼过程中，只要控制原材料干燥无水分、洁净无污染，铸件产生由氢元素导致的皮下气孔、针孔的可能性较小。

2.2电炉铁液氧含量

氧元素一般以结合氧与溶解氧的形式存在铁液之中，它对石墨在铁液凝固过程中的形核有着重要作用。在熔炼的过程中，铁液与空气接触，不断吸附、溶解，直到饱和为止。相关资料表明，冲天炉熔炼铁液的含氧量约为40-60ppm，而电炉熔炼铁液的含氧量为20ppm，如高温过热时间长，铁液的含氧量可能更低。传统理论认为石墨形核是异质形核，靠外来质点（氧化物、氮化物、硫化物等）形核生长，孕育剂中的（Si，Ba、Ca、Zr等元素）要和氧结合生成氧化物形成核心，并且只有凝固时期析出的SiO2，它的结晶表面才能作为石墨的形核核心，有效地对石墨起到孕育作用。如果铁液氧化严重，SiO2的结晶表面随着时间延长而溶解，活性降低，可能变为熔渣而失去孕育的效果。对于灰铁而言，铁液中的氧含金量在20-30ppm范围内时，有助于提高铸件的冶金质量，如果含氧量低于10ppm，则不利于铁液中的石墨形核，可能产生过冷石墨，增加孕育剂的加入量，效果也不明显。目前最简便的方法就是加入含氧、硫的孕育剂，也可以加入适量的铸铁铁屑，提高铁液中的含氧量，降低铁液的过冷度。

无芯感应电炉熔炼灰铸铁的　

技术应用与发展（上）　

中国铸造协会顾问李传杖　

无芯感应电炉熔炼铸铁，从２０世纪３０年代采用　电动机驱动的变频电源开始，随后用５０／６０Ｈｚ的工　

频电源，后来又进而发展到采用变频中频电源。　

６０年代后期，晶闸管静态变频电源的应用，导　

致铸铁行业中采用无芯感应电炉作为熔炼设备的企　

业逐渐增多，尤其是７０年代逆变电源的开发，中　

频无芯感应电炉的电源有了重大改进，频率转变效　

率可提高￣１Ｊ９７％～９８％，熔化铸铁时热效率可达到　

７０％，同时，电炉设备和所用的耐火材料也在不断　

发展，因而其应用日益广泛。　

对于不适于采用长炉龄大型冲天炉的中小型铸　

铁企业，用无芯感应电炉熔炼主要有如下优点：　

（１）熔炼时排出的废气、烟尘和炉渣大幅度　

减少，便于治理环境和改善作业条件。　

（２）可利用廉价的金属炉料，尤其是便于循　

环回用加工的切屑和边角余料。　

（３）生产安排的灵活性较好。　

（４）铸铁的化学成分和温度比较均匀且易于　

控制。　但是，感应电炉熔炼的冶金过程与冲天炉有很大　

的差别，如果不能切实了解其冶金特点，从而正确　

安排熔炼和各项后处理作业，则生产灰铸铁件时，　

往往会出现显微组织不符合要求，以及铸件的加工　

性能恶化等各种问题，不能确保铸件的质量要求。　

一、感应电炉与冲天炉熔炼过程的不同　

冲天炉是以焦炭为燃料的竖炉，无芯感应电炉　

则是以电感应加热的坩埚炉，熔炼过程当然会有很　

大的差别，即使熔炼得到的铁液化学成分相近，　

其在凝固过程中发生共晶转变的条件却有很大的不　

同，因而，铸件的微观组织和某些性能也会存在较　

２６　曩　错造参磊　工　胱　锄　：，‘『两　秘删　大的差异。　

（１）冲天炉内有高温过热区冲天炉熔炼过程　

中，在底焦层内氧化带和还原带之间，有一高温过　

热区，温度一般在１７００￣Ｃ左右，高温运行的冲天炉　

还会更高一些。　

感应电炉熔炼时，炉内不存在这样的过热区。　

（２）铁液中的硫含量冲天炉熔炼时，炉料中　

感应电炉熔炼铸铁的冶金质量

感应电炉熔炼铸铁，基本作用和冲天炉一样，都是要求将炉料熔化，并对铁液有一定的精炼作用。但是，用这两种熔炼设备，铸铁的熔化条件、对铁液的精炼作用却大不相同，因而，铸铁的冶金质量差别很大。

对于石墨是重要组成元的灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁而言，用感应电炉熔炼，由于石墨的生核条件差，而且生核作用不稳定，冶金质量要比冲天炉熔炼的差得多。

一、问题的所在

感应电炉熔炼铸铁，冶金质量差主要体现在两方面：

1、过冷度大、白口倾向强。在碳当量相同的条件下，用感应电炉熔炼的铸铁与冲天炉熔炼的相比，共晶转变时的过冷度大得多，参见图1。

因此，在碳、硅含量相同的条件下，用感应电炉熔炼的铸铁与冲天炉熔炼的相比，三角试片的白口宽度也有明显的差别，参见图2。

图二：用不同熔炼条件熔炼的铸铁碳硅含量对三角试片白口宽度的影响。

2、铸铁性能的波动范围大

感应电炉内的铁液，有电磁搅拌的作用。这种搅拌作用的优点很多，如：有助于金属炉料快速熔化，可以使体液的化学成分、温度均匀，还有助于铁液中气体和夹渣物的排出等。

但是，搅拌的副作用也是不可忽视的，其排出夹渣物的作用是不分敌友的，石墨析出所必需的异质晶核也随之一并排除。由于生核的能力显著弱化，必然会影响铸铁的性能。

感应电炉熔炼铸铁的过程中，影响异质晶核数量及其生核能力的变数很多，到目前为止，我们还没有非常明确的认识，更不足以准确地予以控制，只能建立一些定性的了解。

铁液在感应电炉中保持的时间越长，上浮的夹渣物当然越多，温度越高，铁液的黏度较低，夹渣物也就易于上浮。因此，铁液的温度及其在炉内保持的时间，都会影响铸铁的性能。关于这个问题，Russell公司曾经做过大量的研究和实验工作。牌号为420/12的铁素体球墨铸铁，铁液的温度及其炉内保持的时间对球墨铸铁伸长率的影响见图3。虽然这些数据的发布已将近四十多年了，我以为仍然有引用的必要，有助于大家建立一些定性的认识。

谈铸钢熔炼方面的几个问题

摘要：铸造行业是国民经济发展的支柱行业之一，为人们生产和生活提供了必须的物质。但是在其长期性发展中，还存在着一系列技术难题，本文对铸铁熔炼中的问题进行了简要分析，为当前工作提供有效参考。

关键词：铸钢；熔炼；问题；对策

我国铸造行业最大问题是铸件质量差,这个“软肋”在铸件内在质量上可以看出,在这方面我国落后于其他工业国家。我国在国际市场上的竞争力就是依靠价格，这使我国铸造企业的利润低，导致企业处于有心无力的状态，特别是研发、技术、条件和治理等方面,这些为我国铸造行业的发展带来了阻力。为了改善这种局面，针对性对以下三个问题进行探讨：

1 炼清洁钢, 提高铸钢件冶金质量

铸钢件冶金质量涉及到方方面面,我开始从基础谈起。

首先从钢液精炼方面,其要与铸件的质量要求相匹配。在工业生产中是以价值为导向，提高铸钢件的冶金质量要重视规格。

1.1 充分脱氧的重要性

在炼钢过程中, 钢液氧化必不可少。炼钢时先从脱氢、氮开始，接着清除金属内的夹杂物,这些都依赖氧化脱碳完成。当炼好后,还要脱除其中的氧,这样才能保证钢的质量。在熔炼时使用了不氧化法，但大气中的氧也会对钢造成影响,并且很多材料将氧带进钢液中。因此脱氧是关键。脱氧时要防止二次氧化,这样才能保证钢液处于脱氧的状态。

1.2 脱氧不充分时，铸件会出现气孔 熔炼结束后，出现钢液脱氧不彻底的问题,主要是液流发生了二次氧化，特别是在出钢、浇注时, 当钢液进入铸型时出现凝固和温度下降, 这时处在铸型界面内的钢液中的Fe O增加,Fe O会与碳反应生成CO, 这样就形成了皮下气孔。

钢是经过凝固后形成的合金，以硬皮形式存在,这种硬皮是由细小柱状晶构成，硬皮在钢液浇注到铸型过程中形成, 一般出现在钢液/铸型的界面上，细小柱状晶垂直于界面并尖端向内，当硬皮体积收缩后会出现微小的孔隙, 这为气泡的形成创造了外部条件。析出的初生晶体会使其表面钢液内碳的含量发生变化后形成富碳层,温度的改变和晶粒的增加,钢液中Fe O含量也在变化。这是气泡形成的内因。当真空的气泡形成后,,溶于钢内的氢和氮跟着扩散,使气泡体积不断变大,最后形成了皮下气孔。