（机械工程专业论文）中频感应电炉熔炼铸铁的质量控制与研究.pdf

摘要 随着中频感应电炉在铸造行业的推广使用，中频电炉熔炼铸铁的质量控制问题已 经成为众多拥有中频感应电炉熔炼铸铁的生产厂家普遍关心的问题，由于中频感应电 炉熔炼质量控制同原先冲天炉熔炼的质量控制存在较大区别，在生产中仍旧存在一些 尚未解决影响铸件质量的问题。就这些问题，作者对一些使用中频感应电炉生产铸铁 件的企业生产情况进行了调查，并结合南京造币有限公司铸造生产部使用中频感应电 炉熔炼铸铁几年来的生产实践，对中频感应电炉熔炼铸铁的质量控制问题作了较详细 的研究和探讨。 论文从生产应用技术角度对中频感应电炉熔炼铸铁原材料质量、铁水成分精准控 制、增碳剂和增碳工艺、增硫工艺、铁水的炉前温度控制、铁水化学成分选择与检测、 铁水孕育处理等方面进行研究，在生产实践中做了大量的试验，收集了一些数据，在 总结前人经验的基础上提出了自己的观点和建议。成功解决了中频感应电炉熔炼铸铁 的大型灰铸铁件裂纹、灰铸铁夹渣等一系列问题，实现了配料化学成分的精准控制、 对增碳剂的使用及效果进行了分析，以及实现炉前铁水化学成分准确分析等。本研究 总结了中频感应电炉熔炼铁液质量控制的多种经验，探索出一条适合南京造币有限公 司印钞造币机械零件铸件生产熔炼质量保证的新路，为企业的生产管理和质量控制提 供了可靠的保证，创造了可观的经济效益和社会效益，也可作为类似生产企业的技术 和生产指导参考。 关键词：灰铸铁，球噩铸铁，增碳剂，增碳工艺，中频感应电炉熔炼，质量控制 a b s t r a c t a st l l em e d i 哪6 e q u e n c yi 1 1 d u c t i o n 凡m a c ei s 诵d c l yu s e di l lf o u r l d 以m ep r o b l e mo f q u a l i 锣c o m r o lc a u s e db yr n e l t i i l gi r o nw i n lm e d i u | n 丘e q u e n c yi n d u c t i o n 如期旧c ei s a t t e n t i o n e dg e n e r a l l yb yt h ec a s tf a c t o 阱t h ed i 脓e n c eb e 押e e nq cc a u s e db ym e l t i n g i r o n 诵mm e d i u mf 诧q u e n c yi n d u c t i o n 如m a c e 锄dq cc a u s e db ym e l t i l 培i r o nw i 也 p r e v i o u sc u p o l ai sn o t i c e a b l e t h e r e 谢l lb es o m ep r o b l e m s d l i c hc 趾tb es o i v e di i l p r a c t i c e t bt h e s ep r o b l e m s ，、i mh e s t i g a t i n gs o m ec a s tf k t o r i e sw i l i c hp o s s e s st l l e m e d i 啪f h q u e n c yi n d u c t i o n 如m a c e 觚dc o m b i i l i n gt l l ee x p e r i e n c e sc o m i n g 丘o mn l e p m c t i c eu s i n gt h em e d i 啪舭q u e n c yi n d u c t i o nm m a c e i i lt l l ef o u n d r yd e p a r t i i l e n to fn a n j i n gm i n tc o r p o r a t i o n ，m e 批rm o r ed e e p l yr e s e a r c h e s 锄di m 忙s t i g a t e sm ep r o b l e mo f q cc a u s e db ym e l t i n gi r o nw i t l lm e d i 啪矗e q u e l i 垃yi i l d u c t i o n 如m a c e i nt l l i st e x t ，盘o mt l l es t a n d p o i n to fp r o d u c t i v i t y 印p l i c a t i o n sa n dt e c l l i l i q u e ，t l l ea u t h o r d o e sas e r i e so fe x a m i n a t i o n si r l c l u d i n gt h eq u a l i t yo fr a wm a t e r i a l ，a c c u r a 屺yc o n l l o lo f m e l t e di r o n s c o m p o n e n t ，r e c a r b u l 喧z c r 肌d c a r b u r i z a t i o nt e c l l i l o l o g y ，r e s u l 如晒z a t i o n t e c l l i l o l o g y ，m et e r n p e r a t u r ec o n t r o lo fs t o c k h o l d ，s e l e c t i o n 锄de x 锄i n a t i o no fm e l t e d 沛n sc o m p o n e n t ，t h et e c h n o l o g ) ro fi n e l t e di r o n si n o c u l a t i o n b 懿e do nag r e a td e a lo f e x p e r i m e n t si i lp r a c t i c e ，d a t 嬲，s 啪a r i z i n gt h ee x p e r i e n c e so fm ep r c d e c e s s o r ，t h ea u t h o r r e p r e s e n t st l i sv i e w p o i n t s 强da d v i s e sa n ds o l v e ss u c c e s s m l l yas e r i e so fp r o b l e m ss u c h 嬲 c r a c ko fl a 玛e s i z e dg r e yc a s ti r o n ，s l a gi n c l u s i o no f 伊e yc a s ti r o n ，a c h i e v e sa c c u r a c y c o n t r o lo fp r o p o n i o no fr a wm a t e r i a la n da c c u r a c ya i l a l y s i so fm e l t e di i 0 n sc o m p o n e n t b e f o r cp o u r i n g t h es t u d ys u m m a r i z e ss e v e r a le x p e r i e n c e so fq cc a u s e db ym e l t i n gi r o n w i t hm e d i 啪舶q u e n c yi r l d u c t i o n 凡m a c e ，a n dd i s c o v e r i e san e ww a yt 0g w l r 趾t e eq u a l i t y o fn l c t a l l u r g yo ft l l ec 嬲t i n gw i l i c hi su s e do n 1 em a c h i n em a d ef o rp r i m i n ga n dm i n t i n g ， t h ee f f e c t i v em 砒l a g e m e mo ft l l ec a s tf a c t o r ya n dq c nc r e a t e sc o n s i d e 瑚l b l ee c o n o m i c b e n e f i t s 龇l ds o c i a lb e n e f i t s s i m i l a rc 舔tf 砬t o r ym a y 诅k ei t 嬲ar e f i e r e n c ei np r 习【c t i c ea i l d t e c h i l i q u e k e yw o r d ：g r e yc 嬲ti r o n ，n o d u l 2 l rc a s ti r o n ，r e c a r b 面z e r ，r e c a l b u r i z a t i o nt e c h n o l o g y m e d i u m 自e q w n c y 曲d u c t i o n 如m a c e ，q c i i 工程硕士学位论文 中频感应电炉熔炼铸铁的质量控制弓研究 l 绪论 中频电炉铸铁熔炼是近年来适应环保要求和铸造生产质量提升要求，取代冲天炉 并从工频电炉熔炼的基础上发展起来的。其质量控制方式对于铸造行业来说是较新的 一门科学。中频感应电炉熔炼生产的铸铁质量控制与研究主要是针对中频感应电炉熔 炼铸件质量控制中存在的一些问题，如一些熔炼工艺参数的确定、原材料的配比对灰 铸铁质量的影响、增碳剂的使用对灰铸铁件质量的影响、普通灰铸铁的增硫等问题， 通过研究，寻求中频电炉熔炼生产铸铁件质量控制的普遍规律和适应于南京造币有限 公司特定生产条件下铸件存在的质量问题的解决办法，为中频感应电炉的熔炼在印钞 造币机械零件铸铁件的生产中提供有效的、系统的质量控制方法。图1 1 为中频感应 电炉熔炼铸铁的生产过程简图。 图1 1中频感应电炉熔炼生产过程简图 绪论 工程硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 中频感应电炉熔炼铸铁发展现状与趋势 随着中频感应技术的不断完善和发展，用于金属熔炼的中频感应电炉因易于变换 熔炼品种、方便熔炼质量的控制，设备操作灵活简便和功率密度大、熔炼速度较快、 热效率高、起熔方便等众多优点而受到了较多的铸造生产厂家的青睐。很多铸造生产 企业都相继购买并安装了中频感应电炉以替代传统的冲天炉或工频电炉进行铸铁熔 炼。自1 9 6 6 年瑞士公司b b c 研制成功第一台感应熔炼的晶闸管中频电源装置以来， 一些工业发达国家相继推出了中频系列产品，并很快替代了传统的中频发电机旋转式 变频电源和各种陈旧的冶炼设备和加热设备，使中频电炉技术逐步变得完善起来。 铸造行业所用的中频感应电炉熔炼设备，是把三相工频交流电，整流后变成直流 电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电 流，在感应圈中产生高密度的磁力线，切割感应圈里盛放的各类金属材料，在金属材 料中产生很大的涡流。这种涡流同样具有中频电流的一些性质，即，金属自身的自由 电子在有电阻的金属体里流动会产生热量。当这种电流足够大时，即可将感应线圈内 的金属加热到发红，甚至熔化，同时感应线圈本身则温度不会太高，也不会产生有毒 有害气体、强光或粉尘而造成环境污染。 中频感应电炉熔炼铁液相对于冲天炉来说有一些明显的特点，即：中频电炉对环 境的污染明显减小，熔炼操作起来较为方便，化学成分、熔炼温度的控制更为精确： 但也存在着一些不足，在相同条件下中频感应电炉熔炼的铁水质量明显较冲天炉熔炼 的铁水质量差，如电熔铁液晶核数量少，过冷度增加，白口倾向大；在亚共晶灰铸铁 中，a 形石墨数量极易减少，d 、e 形石墨增加，并且使d 、e 形石墨伴生的铁素体 数量增加，珠光体数量减少；且有较大的收缩倾向，铸件厚壁处易产生缩孔、缩松缺 陷，薄壁处易产生白口和硬边等铸造缺陷，如果不很好地对熔炼质量进行控制，就会 给产品质量带来较为严重的后果。近年来，我国一些铸造厂相继采用了中频感应电炉 冶炼铁水，使我国铸造生产水平上了一个大台阶，取得了明显的经济效益和社会效益 n 1 ，越来越多的企业加强了对中频感应电炉熔炼的质量控制的研究。 1 1 2 课题来源及研究意义 本课题来源于企业的生产实践，真题真做，具有很强的工程背景和研究价值。 ( 1 ) 课题来源 本课题来源于南京造币有限公司，该公司隶属中国印钞造币总公司，公司机械生 产的主导产品为各类印钞造币机械设备，公司具备有较强的研发和生产水平，公司产 2 工程硕士学位论文中频感应电炉熔炼铸铁的质量控制与研究 品系为保障央行货币发行、保证人民币印刷质量的关键设备，是国家重点扶持的民族 工业。南京造币有限公司于2 0 0 6 年在铸造技改中引进二台应达公司的中频感应炉炼 电炉，用于铸造熔炼生产，由于原先是采用冲天炉进行铸铁熔炼，对中频感应电炉熔 炼特性了解不多，在技改后较长一段时间内，仍然采用了原先冲天炉熔炼所使用的质 量控制方法，在一段时间内，造成铸件质量上出现了较多问题，如灰铸铁滚筒体的缩 孔缺陷、印刷机帮的裂纹导致报废、压印机机身铸件裂纹导致报废、还有众多的灰铸 铁帮类零件的渣气孔缺陷等等，一些问题是在同样条件下冲天炉生产时不会产生的， 这些问题的产生对机械产品质量和生产周期产生了较大的影响。在这种情况下，原有 冲天炉熔炼条件下的质量控制方法已经失去了指导意义，因而产生了本课题要研究的 问题，即通过对中频电炉熔炼铸件质量控制的研究，在特定的生产条件的原材料供应 的情况下，找到一条适应印钞造币机械零件铸件生产特点的电炉熔炼铁液的铸件质量 控制方法，保证印钞造币机械零件铸件质量。 本课题的主要目标就是采用现代方法理念，基于生产实践，在总结别人成功经验 的基础上，根据自身生产特点，加以试验和应用研究，通过大量生产性试验取得相应 规律，系统性地对整个中频感应熔炼生产过程进行规范，达到保证并提高铸件产品质 量的目的。 ( 2 ) 课题的研究意义 本课题研究后，将形成规范的中频感应电炉熔炼铸铁的生产工艺，适用于印钞造 币机械零件铸件生产需要。中频电炉熔炼的质量控制，对于铸造行业来说还是个全新 的课题，缺少整体性的理论基础支持，多数铸造生产企业的研究、应用都足建立在各 自企业生产特点的基础上，其经验、结论和数据统计都带有片面性，不能作为所有企 业对质量进行控制的通行依据。本研究将提供一套完整的中频感应电炉熔炼铸铁的生 产工艺，适用于印钞造币机械零件铸铁件的生产。 降低生产成本：降低废品率。完成本课题后，将会减少因铸铁熔炼过程质量控制 不好而造成的废品率，使生产成本大幅降低。 提高铸造生产质量控制水平，保证产品质量的稳定性和标准性，进一步规范铸造 熔炼所用原辅材料质量控制标准。本课题研究将进一步保证产品质量的稳定性和标准 性，同时对原辅材料质量控制也形成规范并会诸实施。 提高企业印钞造币机械产品质量，缩小同发达国家同类产品的质量差距，提高企 业核心竞争力。 因此，本课题完成后，将产生良好的社会效益和经济效益。 3 绪论 工程硕士学位论文 1 2 铸铁熔炼质量控制方法及国内外研究概况 1 2 1 熔炼质量控制方法 根据本人所查阅的大量资料所悉，在此以前，国内各使用中频电炉进行铸铁熔炼 的生产企业，在对于看中频感应电炉熔炼铸铁的质量控制研究上，主要是从下列几个 方面来进行的： ( 1 ) 熔炼用原材料的控制 对铸造企业来说，一般入厂原材料须经过取样分析，不合格原材料一般不投入使 用；在生产中尽可能选用高碳、低磷、低硫、低干扰元素生铁( 生铁供应商应提供微 量元素分析报告单) ；选用纯净的中碳钢或低碳钢作为熔炼废钢，对其所含合金成分 及微量元素根据化验结果决定取舍，对能稳定珠光体的废钢成分优先选用。生铁和废 钢必须经过防除锈后使用，附着油污要经高温烘烤后才能使用。对铁合金、孕育剂力 求成分稳定，块度( 粒度) 合格，分类堆放，防止受潮。同时还需要注意所选原材料 应避免铸铁炉料“遗传性带来的缺陷。 ( 2 ) 合理的配料 在中频感电炉熔炼铸铁炉料的配料时，把理论配料( 配料计算) 和实践经验相结 合，掌握各种入炉金属材料的化学成分和各元素烧损与还原规律，力求做到配料化学 成分误差较小。合金元素以一次性配入为主，除s i ( 硅) 以外其它元素在配料时取 中限。在酸性炉中为减少合金减少烧损，合金( c r 、m o 、s n 、c u 等) 一般在熔清扒 渣后加入。c 、s i 在扒渣及孕育时可以进行补充。在对p 、s 含量的控制上，由于p 、 s 主要来源于新生铁，可以通过选择炉料将p 、s 控制在要求范围内。对于p 来 兑， 一般要求越低越好，在质量较好的生铁中，要求其p 含量小于0 0 6 即能达要求。对 于硫来说，存在两种不同的控制方法：一部分铸造生产企业对其最低限度不作控制， 只要求其越低越好；但是有的对质量要求较高的企业对硫含量的下限却有严格的控制 要求，因为恰当的含s 量对于孕育效果有着较大的影响，s 含量过少，不利于孕育。 ( 3 ) 废钢加入量的控制 综合各企业使用中频感应电炉后的情况，可以明确，对于灰铸铁件，在原材料配 比相同的情况下，用中频电炉熔炼出来的铁液其铸件各方面性能明显较使用冲天炉熔 炼出来的铁液铸件的机械性能差。这种情况有时会导致铸件大面积的缩孔缩松以及裂 纹等缺陷，严重时导致铸件的报废。正因为如此，在铸造行业使用感应电炉熔炼时较 多地采用了多废钢配以增碳工艺来生产铸铁及合成铸铁，可使铸铁的韧性和强度等机 械性能均得到提升；同时采用废钢增碳工艺会减轻铸件的收缩，使铸件这方面的缺陷 明显减少，达到了电炉熔炼铁液的取长补短啪1 。 4 工程硕士学位论文中频感应电炉熔炼铸铁的质量控制与研究 ( 4 ) 熔炼的过程控制 主要是根据中频电炉的冶金特性编制合理的熔炼工艺，从装料、温度控制及在不 同温度下加入合金、增碳剂以及出铁温度等各个操作环节严格控制，力求在最短的时 间内、以最小的合金烧损与氧化，达到控制铁水成分、稳定金相组织、提高铸件质量 的目的。 对熔化过程的温度控制 在熔炼过程温度控制上，从一些使用中频感应电炉熔炼铸铁企业的生产经验来 看，一般都是将熔炼过程分为三个阶段温度控制，即铁液熔尽温度控制、扒渣温度控 制和保温出铁温度制。我公司在中频感应电炉上马初期也参照了相关企业的经验进行 温度控制操作，却并没有取得较好的质量效果。 铁液熔尽温度控制：即在取样前铁液达到全部熔化时温度，决定着合金元素的吸 收与化学成分的平衡，因此要避免高温熔化加料，避免搭棚“结壳 ，否则铁液处于 沸腾或高温状态，碳元素烧损加剧，硅元素不断在还原，铁液氧化加剧杂质增加。熔 化温度控制在1 3 6 5 以下，取样温度控制在1 4 2 0 左右。取样温度低了存在铁合金 未熔化完，取的试样化学成分势必无代表性；取样温度过高，部分合金烧损或还原， 还会影响到精炼期的成分调整。取样后应控制中频功率，在化学成分得出结果后恰好 进入到扒渣温度。 扒渣温度控制：在何温度下扒渣是决定铁液质量的重要过程，因为它与成分稳定、 孕育处理的效果有密切关系，并直接影响到保温出铁时的温度控制。如果扒渣时温度 过高会加剧铁液中石墨晶核烧损和硅的还原，特别对酸性炉衬，理论上铁液含硅偏高 后将产生排碳作用，影响按稳定系结晶，存在着反白口的倾向；若温度过低，铁液长 时间被裸露，碳、硅烧损严重。再次调整成分时，不仅延长熔炼时间使铁液过热，而 且易使成分失控，增大铁液的过冷度，使正常结晶受到破坏，致使铁液质量下降。 保温出铁温度控制：对于灰铸铁来说，为保证浇注和孕育的最佳温度，一般控制 在1 5 2 0 1 5 5 0 。出铁温度的高与低都会对铸铁的结晶和孕育效果带来影响，如果 温度过高，尽管炉前快速分析结果c 、s i 也适中，但试浇三角试块白口深度会过大或 中心出现麻口。出现此种情况即使采取措施向炉内补加碳或增大孕育量，效果也并不 理想。出铁温度控制过低，也将导致浇注时铁水温度较低，不利于铁液的脱硫、除气， 而且对孕育处理的效果也会带来不利影响，而且随着温度的降低，铸件冷隔缺陷、浇 不足、轮廓不清、缩孔等问题也将明显增加哺1 。 增碳剂的选用及吸收情况 增碳剂的选用对于增碳质量情况影响较大，一些厂家采用价格便宜的焦炭粉进行 熔炼增碳，但用量过大带来一些问题：一是烟尘大，对环境造成污染；二是铁液增硫 量大，对铸件质量带来不利影响；三是增碳材料烧损大。电极碎块含碳高、硫低，适 5 绪论 工程硕七学位论文 用于工频炉做增碳剂，但对于功率较大的中频感应电炉来说，由于熔炼时间较短，升 温速度快，电极碎块在短时间内很难熔解和吸收，特别是要在出铁过程中增碳时，吸 收和熔解更为困难。因此大部分企业选择使用定制的增碳剂作为中频感应电炉熔炼铸 铁时增碳的主要材料。 在熔炼过程中，增碳剂加入铁液后需要有足够的时间进行熔解，时间长短与增碳 剂的种类、质量情况、生产工艺和铁液温度以及熔炼操作都密切相关。如果增碳剂不 能完全熔解，有可能会导致铸件石墨形态出现异常，铁水含碳量低，铸件材质较差等 现象。在正常情况下，如果增碳剂加入量较大，熔炼温度要达到或超过1 5 2 0 ，并保 温1 5 m i n 以上，基本可以保证增碳剂熔解并吸收。在熔炼过程中增碳时，很多企业在 炉料刚开始熔化，看得见铁液时，分批加入增碳剂。在熔化期间加入总量的9 0 9 5 的增碳剂，剩余少量在进行成分调整时加入。 增碳剂的吸收情况：增碳剂的吸收率首先与增碳剂中的( c ) 量直接相关，( i ) ( c ) 量越高，灰分则越低，则吸收率越高；其次是使用方法，多数企业采用的方法 是随炉加入法，即先在炉底加入一定量的轻薄炉料，然后将增碳剂按配料需要量全部 加入。如果增碳剂先加，有时增碳剂会粘附在炉底。如果在熔炼后期加入增碳剂，有 两点不利：一是增碳剂烧损，如果炉中渣未扒净，即使是少量的炉渣也会严重影响增 碳剂的吸收，此时增碳剂将成为铁液面上的浮渣；其次是会降低生产效率，后期加入 的增碳剂吸收需要额外的时间。一些熔炼技术人员认为，选用经过高温石墨化处理过 的增碳剂并且在炉料熔炼过程中尽早加入，可使增碳剂与铁液直接接触且有充足的时 间熔融。 孕育处理及硫化核心理论 为了保证获得优质的铸件内部组织和物理性能，改善铸件机械加工性能，尤其是 防止一些特殊铸件出现疏松、渗析、壁薄处出现硬区等不良现象，多数生产企业在各 自生产零件不同性能要求的基础上，使用了铁液的孕育处理工艺，孕育所使用的材料 和方式也都不尽相同。 对优质的铁液配以合适的孕育剂进行孕育处理是获得高强度灰铸铁的有效方法。 加入合适的孕育剂可细化基体组织，改善石墨形态，减少白口倾向，降低断面敏感性， 改善加工性能。孕育剂的孕育机理在铸造行业内目前还没有完全统一的认识。有研究 认为：孕育剂加入铁水中起脱氧作用，形成二氧化硅等大量难溶、分散度高的晶核。 这些晶核的晶体结构与石墨大致相同，并且晶格常数十分相近，有利于石墨的析出， 易于形成灰铸铁并细化珠光体基体，提高灰铸铁的力性能；还有人认为，当孕育剂加 入铁水中，在铁水中加入了激冷质点，成分也不均匀，因此在铁水中形成强烈的浓度 起伏和温度起伏，促使形成大量石墨晶核阳嘲。 6 工程硕士学位论文 中频感应电炉熔炼铸铁的质量控制与研究 1 2 2 国内外研究概况 国内外近年来对中频感应电炉熔炼的生产工艺和质量控制上先后出现一批针对 特定问题的研究，为中频电炉生产技术的发展打下较好的基础，也为各生产企业在应 用中频感应电炉生产上提供了一些较为保贵的经验。 秦皇岛冶金机械有限公司对中频感应电炉熔炼条件下的原材料的选择、化学成分 的确定、孕育处理工艺等进行了分析研究，确定了利用废钢生产合成铸铁工艺。取得 了较好的效果，并通过炉前热分析仪快速测定碳当量c e ，达到稳定生产的目的n 引。 一些研究者提出了使用中频感应电炉熔炼灰铸铁( 球铁) 需要注意的事项，主要 是以感应电炉来熔炼灰铸铁( 球铁) ，其铁液与冲天炉熔炼铁液相比过热温度高，熔 化保温时间长，极易引起脱碳。同样化学成分，同样铸型浇成的铸件，比冲天炉熔炼 的强度、硬度高；激冷白口倾向大；石墨长度较短，且易于产生d 、e 型石墨；铁液的 流动性较差，收缩增大，易引起各种铸造缺陷( 气孔、冷隔、缩陷、蜂窝状气孔缩松 等) 。当配用废钢量大于5 0 时，铁液的熔化保温时间增加，上述现象更加严重h 1 。 日本在2 0 世纪8 0 年代就开始了中频感应电炉在铸铁熔炼上较大范围内的应用和 研究，而且在大量使用废钢提高铸件性能上也作出大量的试验并在取得较多的成功经 验。 国外较先进的企业熔炼灰铸铁使用合金并不多，但材料强度都很好，零件的切削 加工性能也很好；而在我国，一些铸造企业在生产灰铸铁时，尽管加入了大量的合金， 材料性能却和国外水平有较大的差距，其根本原因就在于我国铸造生产企业的熔炼技 术和熔炼工艺相对较为落后。国外较先进的企业无论是电炉熔炼还是冲天炉熔炼，都 大量使用废钢加增碳剂的熔炼工艺，很少使用生铁。在铁液经过增碳、增硫处理，确 定了最重要的碳、硅、锰、硫等成分后，材料的性能已经从根本上提高了一个档次， 此时材料的收缩已经不再是主要问题，在此基础上再利用合金化提高材料的机械性能 n 卜1 2 】 o 近年来，随着对提高铁液孕育剂的效果和孕育衰退时间进行的大量研究，发现了 一些规律性的东西。并且发展了含有s r ，c a ，t i ，z r 等元素的硅基孕育剂和碳基 等较为先进的孕育剂。通过工业应用发现：在提高铸铁强度方面( c a b 扩c u c r ) 复合孕 育剂效果好；( s r i ) 和( c s i ) 孕育剂减少白口能力方面效果好；( b a i ) 孕育剂降 低端面敏感性最强；( s r i ) 孕育剂减少白口的同时还可减少共晶团数；n 孕育剂 在冲天炉生产薄壁铸件时最有效；钢屑是用于高强度灰铸铁最经济有效的孕育剂， 钢屑有强化基体和提高石墨化的双重能力n 朝。 德国人g o p a t v p a n c h a t h a n v 在1 9 7 8 年曾做过冲天炉，回转炉、电炉熔炼的铁 水性能对比试验，发现冲天炉熔炼的铁水铸件相对强度高，使用性能好，相对硬度低， 7 绪论工程硕七学位论文 加工性能好。而电炉熔炼铁水的相对强度低。使用性能较差，相对硬度较高，加工性 能较差。回转炉居中。一些专家也认为，在生产汽车铸件上，采用冲天炉熔炼铁水最 佳。这是一些生产企业在使用中频感应电炉后较为困惑的问题：配料准确了，温度控 制更精确了，为什么铁液质量反而比冲天炉差了呢? 一些铸造专家认为，冲天炉熔炼 过程是熔化带熔化的铁滴在焦碳表面滚动中下落的，造成了铁水微观增碳的不均匀 性，故其结晶过冷度较小，结晶晶粒细化，不易产生白口，而电炉熔炼铁水是在隔绝 碳的情况下进行的，同时造成碳原子分布的均匀化，使其结晶过冷度增大，使铸件表 面白口倾向增加。据国内外统计，相对冲天炉铸件其加工刀具磨损增加3 5 ，加工工 时增加4 5 。增加了机械加工成本n 训。 1 3 本文研究的主要内容 本文共分为七章，图1 2 为本文各章的体系结构图。 1 2 论文体系结构示意图 第一章宏观介绍课题来源与背景、研究内容与意义，提出本课题研究任务为研究 中频感应电炉熔炼铸铁的质量控制方法，简要介绍中频电炉熔炼质量控制方法和国内 外发展现状； 第二章从熔炼过程原材料控制及配比进行了研究； 8 工程硕士学位论文 中频感应电炉熔炼铸铁的质量控制与研究 第三章主要是对中频感应熔炼铸铁的增碳工艺和增硫工艺进行研究； 第四章对熔炼的温度控制进行了研究； 第五章是对中频感应电炉熔炼铁液的化学成分选择与检测进行了分析与讨论； 第六章是分析了铁液的孕育处理对铸件质量的影响； 第七章是总结与展望，对本文所做工作进行了归纳总结，提出了研究存在的不足 和下一步研究打算。 9 熔炼过程原材料控制及配比研究工程硕士学位论文 2 熔炼过程原材料控制及配比研究 2 1 原材料的控制 这里说的原材料指的是熔炼用新铁、旧铁、废钢及硅铁、锰铁等合金，还有增碳 剂等熔炼用非金属材料。因为这些熔炼原材料自身的质量情不一，因此，对熔炼的铁 水质量会带来一些影响。过去我们一直坚持只要化学成分符合规范要求就应该能够获 得符合标准机械性能材料的观点，而实际上这种观点所看到的只是常规化学成分，而 忽略了一些合金元素和有害元素在其中所起的作用，如生铁中的t i 、废钢中的s b 、c r 等等，对材料机械性能产生很大的影响，因此须加强原材料的控制研究。 2 1 1 主要原材料品质控制 经我在长时间的生产试验过程中总结，新铁、回炉铁、废钢对于熔炼质量的影响 主要反映在几个方面： 其一、是新铁、回炉铁、废钢的主要化学成分对熔炼的铁水质量的影响，主要是 对原铁水的化学成分有较大影响，也是直接影响到配料所设置的目标原铁水化学成分 能否精准的关键因素。因此，在条件许可的情况下，尽可能使用优质新铁、化学成分 相对单一的废钢和洁净回炉铁，对新铁、回炉铁及废钢的化学成分必须要准确掌握， 否则很难做到精准配料。 其二、新铁的品质对熔炼质量的影响。首先是当新铁中的石墨片较粗大时，给熔 炼带来困难，会造成石墨遗传现象，将直接影响铸件的机械性能。其次，由于生铁的 品质不同，生铁中的气体、非金属夹杂物及有害微量元素不同会造成铸铁不同的遗传 性。特别是其中含有微量杂质元素对铸铁的组织和性能有着本质的影响。如微量元素 铅、铋、砷、碲等能使铸铁中的石墨改变形状与分布。在正常的生产中一般很少会对 微量元素进行化学分析和控制，所以也不容易发现有害的微量元素，只有当其造成较 为严重的后果时才有可能被除注意到。 表2 1 是对本溪生铁和本地生铁所测的化学成分对比，从表中可以看出，本地生 铁的铅、砷、钛等其他杂质的总含量超出本溪生铁较多，而且用这种品质较低本地生 铁配制的铸铁，在碳当量相近的情况下，虽然其强度和用品质较高的本溪生铁配制的 铸铁强度相当，但铸铁的质量指标( q i ) 明显低于用本溪生铁配制的铸铁。本地生铁 中磷及合金元素含量较高，由于磷在奥氏体中的溶解度很小，铸铁凝固时，磷基本上 都留在液相中啪1 。共晶凝固快结束时，共晶团之间剩余液相的成分接近三元共晶成分， l o 工程硕士学位论文 中频感应电炉熔炼铸铁的质量控制与研究 表2 1 本溪生铁和本地生铁的化学成分对比( ) 材料 cs im npsp ba sc r v t ia l 本溪 4 4 01 4 8o 4 9o 0 6 30 0 4 70 0 0 lo 0 0 4 6o 0 20 0 1 20 0 4 0 0 4 后，d 型石墨增加、石墨变细、共 晶团细化，这与铁液的白口倾向变化趋势一致；织织中珠光体数量随s b ( 锑) 加 表2 5s b 加入量对灰铸铁组织的影响 石墨长度珠光体体积分 ( i ) ( s b ) ( )石墨类型共晶团级别 级别数( ) o7 0 a + d1 5 68 5 o 0 28 0 a + d l o59 5 o 0 49 0 a + d5 1 05 69 8 o 0 67 5 a + d5 l o5 69 8 o 0 87 a + d 5 59 8 入量增加而增加。结合图2 2 分析可知，采用s b ( 锑) 微合金化可有效改善石墨形 态，促进珠光体形成，并细化珠光体，提高灰铸铁的性能。在观察试样的金相组织发 现，当s b ( 锑) 加入量较高时，组织中的磷共晶增多，这是由于s b 和p 属于同族元 素，( i ) ( s b ) 量的增加能降低p 在a f e 中的固溶量所致。为考察s b 对磷共晶形成的 影响，采用磷铁增加铁液的量，结果表明：随着s b 加入量超过0 0 4 后，增加趋势 更加明显( 见图2 3 ) 。而采用r e s i f e 和s i c a 作孕育剂时，磷共晶数量增加趋势减 缓，这是因为r e 能和s b 反应形成化全物，中和了s b 的有害作用。而c a 在高温下能 1 6 工)啜酪 妄； 幻 幻 竹 瑚 狮 瑚 拗 m 瑚 伽 | ； 狮 狮衲 撇l i j 狮 拗 乱芝霎m氧辖 工程硕士学位论文 中频感应电炉熔炼铸铁的质量控制与研究 和p 形成c a 3 p 2 ，使组织中磷共晶数量减少。 浆 籁 求 娶 蛙 赡 球 嫠 ( s b ) ( ) 图2 3s b 加入量对由3 0 硼试棒组织中磷共晶数量的影响 ( 4 ) 含锑孕育剂( i n o p a r a a ) 微合金化提高铸件硬度应用 根据s b ( 锑) 在灰铸铁中的上述一些特性，同时由于合金锑在铁液中易出现熔 解不均的现象，因此，在实际生产过程中可以利用含锑孕育剂解决一些因结构复杂导 致散热条件差而造成的铸件表面硬度较低的问题。 胶印机滚筒体技术要求高，而铸件本体结构复杂( 图2 4 ) ，铸件在浇注后散热 条件较差，生产中发现其表面硬度不易达标的问题( 一般硬度值仅为h b l 3 0 左右) 。 为了解决此类问题，我们进行了分步实验，着重对纯锑和含锑孕育剂不同加入量进行 多次实验，并根据试验结果，确定在胶印机滚筒体生产中使用0 0 4 含锑孕育剂。对 金相和机械性能进行对比发现，含锑孕育剂的使用促进了细片状珠光体的形成，使组 织细化、石墨细小，性能完全达标，生产出批量优质铸件。 1 7 熔炼过程原材料控制及配比研究 工程硕士学位论文 图2 4 胶印机印刷滚筒结构示意图 该件要求铸件组织细密，尤其滚面不得有任何砂眼、气孔、缩松等铸造缺陷，同 时该件在工作过程中承受一定压力，滚面硬度要求不低于鹏1 4 3 。铸件毛重2 7 t ，材 质为h t 2 0 0 ，铸件主要壁厚大于5 0 mm 。 使用含锑孕育剂以改变铁水孕育方式进行实验。生产条件为：5 吨中频感应电炉 熔炼，熔炼最高温度为1 5 3 0 ，孕育温度1 4 6 0 ，浇注温度为1 3 6 0 ，最终铁液化 学成分控制在c ：3 o o 一3 2 0 、s i ：1 3 0 1 6 0 、m n ：0 6 0 一o 9 0 、p ： 0 0 9 、 s ： o 0 8 ，先后进行两次i n o p a r a a 孕育剂试验，分别按质量分数0 0 2 、o 0 4 、 o 0 7 和o 1 0 均匀随流冲入浇包，经过处理后的铁液浇铸阶梯硬度试块，同时使用 光谱仪进行成分分析。冷却后试块三个台阶面加工到图2 5 中的尺寸，再进行硬度测 试。结果见表2 6 。 1 8 图2 5 硬度试验试样 l 口 m p 爿_ 工程硕上学位论文中频感戍电炉熔炼铸铁的质量控制与研究 表2 6 含锑孕育剂加入量与硬度值的关系 l # ( 加o 0 2 )2 # ( 加o 0 4 )3 # ( 加0 0 7 )4 # ( 加0 1 0 ) 第一次 硬度h b硬度h b硬度h b硬度h b 5 0 嗍1 5 81 6 21 6 71 7 31 7 61 7 51 8 51 8 81 9 01 6 91 7 21 6 8 1 0 0 姗1 4 3 1 4 61 4 81 6 31 6 01 5 81 7 21 7 61 7 31 4 81 5 21 5 3 1 5 0 舳1 3 5 1 4 01 3 71 4 91 5 l1 5 41 6 01 6 31 6 71 4 21 3 81 3 9 第二次 5 0 咖 1 6 8 1 6 l1 5 91 7 8 1 7 71 7 41 8 9 1 9 1 1 8 81 6 7 1 6 91 7 1 1 0 0 m m1 4 7 1 4 51 4 21 6 11 6 41 5 91 7 41 7 61 7 51 4 91 5 1 1 5 1 1 5 0 唧1 3 91 4 11 3 61 5 l1 5 41 5 21 6 91 7 01 6 71 3 81 4 l1 3 8 在第一块试块本体1 5 0 咖台阶处取样做金相分析。结果如表2 7 。 表2 7含锑孕育剂加入量与金相关系 l # ( 加o 0 2 )2 # ( 加0 0 4 )3 # ( 加0 0 7 )4 # ( 加o 1 0 ) 石墨分布a 型6 5 + b 型a 型8 0 + b 型a 型8 5 + b 型a 型7 0 + b 型 形状 3 5 2 0 1 5 3 0 石墨长度 3 81 8 1 83 8 片状珠光体( =片状珠光体( =片状珠光体( = 珠片状珠光体( = 基体组织珠7 5 ) + 其余珠9 0 ) + 其余9 5 ) + 少量铁素珠8 0 ) + 其余铁 铁素体铁素体体素体 试验分析：从表2 6 含锑孕育剂加入量与硬度值的关系及表2 7 含锑孕育剂加入 量与金相关系可以看出，2 # ( 加入量为0 0 4 ) 所获得的硬度值和基体组织能满足要 求，过低的加入量硬度值较低，a 型石墨比例较小，过多的加入量硬度值不会提高而 基体组织a 型石墨同样也会减少。 铸件试生产情况： 出铁温度1 4 6 0 ，前炉出铁液时按o 0 4 i n o p a r a a 比例在2 分钟内( 所出铁液 l 5 2 3 这段时间) 均匀随流冲入浇包，另外再用7 5 s i f e 孕育剂把三角试块的白口 深度调整到4 5 咖，铁液温度控制在1 3 4 5 l o 开始浇注，4 8 小时后开箱。经检测， 滚筒体化学成分、抗拉强度、石墨长度、分布形态、基体组织如表2 8 。滚筒体铸件 经车削加工至巾9 0 8 舢后测硬度( h b ) ，结果如表2 9 所示。 表2 8滚筒体各项指标数值 化学成分 c ：3 0 8 s i ：1 5 2 m n ：o 8 4 p ：0 0 7 8 s ：o 0 6 2 抗拉强度2 5 9 n 姗2 、2 5 6 n i n r i l 2 、2 5 7 n 咖2 1 9 熔炼过程原材料控制及配比研究工程硕二 学位论文 石墨长度 1 8 石墨形态a 氆8 5 + b 型1 5 基体组织片状珠光体( = 珠9 5 ) + 少量铁素体 表2 9 试生产滚筒体不同部位硬度值 上部中间下部 1 5 91 5 71 5 71 5 81 5 8 硬度值h b 1 5 71 6 01 5 91 5 91 6 1 1 5 6 1 5 71 5 71 5 71 5 9 硬度平均值h b1 5 8 结果分析：试生产的滚筒体的硬度较大幅度的提高，且滚面硬度均匀。从金相分 析来看，硬度提高主要是由于珠光体中渗碳体由粒状改为层片状、层片状渗碳体的间 距变小和珠光体体积分数增大而石墨体积分数减小等原因造成的，未发现有自由渗碳 体存在，同时也未发现基体组织有异常情况，说明i n o p a r a a 孕育剂加入方法是合理 的 在2 分钟内( 所出铁液1 5 2 3 这段时间) 均匀随流冲入浇包 。另外从抗拉试棒 的强度值和断口组织以及机械加工后的滚筒体组织都得到了细化的情况来看，加入量 ( 0 0 4 ) 也是合理的。 2 2 中频感