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中频电炉铸造生产的五个技术要点必须记住

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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。


2.3电炉铁液氮含量


氮通常以下三种形式存在于铸铁中:(1)以间隙方式固溶于铸铁中的铁素体或渗碳体中;(2)在铁液中以氮化物的形式存在;(3)以单质N2的形式从铁液中析出,形成氮气孔。在铸铁生产过程中,如果原材料或工艺控制不当,可能会产生氮气孔缺陷,造成铸件报废。铸铁中的氮元素主要来源于废钢中的碳素钢、增碳剂以及树脂砂型或砂芯等材料,一般铸件的氮元素含量在40-70ppm,由于高牌号铸件的生产,废钢和增碳剂的使用量不断增加,在熔化过程中,氮的溶解度随着铁液温度升高而增大,氮含量不断在铁液中积累。另外,呋喃树脂在浇注的高温铁水中能够分解成氨,氨又可以分解成氮和氢,在砂芯—铁液界面的氮和氢溶解量急剧增加,从而使铁液中的氮含量富集而达到过饱和状态,在铸件凝固的过程中,过饱和的氮从铁液中析出,形成气泡并沿着奥氏体枝晶间隙长大,最终形成裂隙状的氮气孔。相关文献表明,在灰铁铸件的生产中,铸件薄壁部位含氮量超过130ppm,厚壁部位含氮量超过80ppm时,铸件可能产生氮气孔。在含氮量较高的铁液中,通常加入少量的钛铁和硅锆孕育剂,利用Ti、Zr元素和氮形成氮化物,从而进行固氮,消除氮气孔缺陷,这不但会增加生产成本,而且会提高铸件硬度,影响其加工性能,因此,最有效的预防措施在于降低铁液中氮含量的来源,减少奥氏体相废钢加入量;尽量使用低含氮量的优质高温石墨化增碳剂;在使用呋喃树脂制芯时,尽量采用低氮的优质树脂;在冬季生产时,适当提高铁液的浇铸温度,防止铁液温度降低过快而析出气体。


3.灰铸铁石墨的形态特点


灰铸铁基本上是由铁、碳和硅元素组成的合金,片状石墨的大小、分布状况是影响灰铁铸件力学性能的重要因素。由于灰铸铁中的石墨片有切割金属基体、破坏其连续性、使其强度降低的作用,在生产铸件的过程中,应避免产生长而薄的石墨片和粗大的石墨片。与冲天炉熔炼相比,感应电炉熔炼没有充分的吸热升温和物质传递过程,而是采用大量废钢和增碳剂的熔化方式,并在熔化过程中伴有电磁搅拌,因此,在共晶凝固过程中可作为石墨形核的外来结晶核心较少,铁液中的过冷度较大,白口倾向较高,在高强度薄壁灰铸铁件中往往会生成D型和E型过冷石墨,并在石墨末端形成三角状。另外,电炉熔炼的铁液中含氮量较高,氮元素在促进形成珠光体的同时,还能够使片状石墨长度变短,石墨末端尖角钝化,弯曲度增加,提高铸件的抗拉强度。


4.提高电炉熔炼铁液质量的改善措施


在整个冶金过程中,电炉熔炼由于其设备加热原理的特性,本质上就是将原材料熔化和辅助材料溶解扩散的过程,而且没有冲天炉熔炼系统的除渣过程,对于原材料的表面洁净度要求较高,回炉料需要进行抛丸处理,根据电炉熔炼的一些冶金特性,在以下几个方面进行改善提高铁液质量:


(1)电炉熔炼需要遵从“满炉快速熔化、快速出铁”的原则。在保护电炉炉衬使用寿命的基础上,首炉根据冷起熔工艺熔化,热炉尽量使用大功率熔化铁料,减少铁液与外界气体接触,防止铁液在熔化过程中被氧化。另外,在熔化过程中需要专人查看熔化情况再分批加料,避免铁料出现“搭棚、结壳”现象。


(2)在电炉熔炼的过程中,使用大量废钢和增碳剂,用于石墨形核的外来核心较少,因此,铁液的过热温度和时间根据铸铁牌号而定,过热温度不能太高,过热时间不能太长,长时间高温放置的铁液需要加入废钢、生铁等原材料调制后使用,否则微小的外界核心被高温铁水溶解,在凝固过程中,铁液的过冷度过大,容易生成D型过冷石墨,影响铸件力学性能。


(3)在电炉熔炼的过程中,需要加入FeS或FeS2进行增硫以保证铁水中适当的硫含量,生成的MnS细小颗粒可以作为石墨形核的外界核心,有利于生成均匀的A型石墨。Mn和S含量一般应满足下式:Mn% = 1.73 S% + 0.3%,由于MnS能够溶于氧化渣(FeO、MnO等)中,可以降低氧化渣的熔点,形成流动的液态渣,当温度较低时,过饱和的高熔点MnS容易从铁液中析出,促使铸件渣气孔缺陷的形成,因此,在满足铸件力学性能的基础上,铁液中的Mn和S含量应取下限,不宜太高。


(4)为进一步提高电炉熔炼的冶金质量和稳定性,通常在熔化过程中加入SiC进行预处理,它可以改善石墨结晶析出的生和条件,提高铸铁的共晶转变温度,降低铁水的过冷度,增加共晶团数,有利于生成细小均匀的A型石墨,改善铸件的加工性能。SiC的熔点较高,只能以溶解和扩散的形式进入铁液中,一般是随炉料分批加入,加入量约为金属炉料总量1%,由于各铸造企业自身的炉况条件和作业方式不同,可以通过试验取得适合企业具体条件下的最佳用量。


(5)在生产高牌号的灰铸铁铸件时,目前国内普遍的做法就是降低铁液碳当量,对铁液进行合金化处理,保证铸件力学性能符合要求。铸件牌号越高,铁液的碳当量越低,合金化元素越多,铁液的流动性降低,收缩倾向会更加明显,因此,需要适当提高Si/C的比值,一般将Si/C的比值控制在0.6-0.8范围内,这样可以增强促进石墨化的能力,增加奥氏体枝晶的数量,减少铸件薄壁的白口倾向,改善铸件的力学性能和加工性能。


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