灰铁熔炼从冲天炉转变成电炉的学习和认识.doc

灰铁熔炼从冲天炉转变成电炉的问题和学习认识 1980年开始从事铸铁熔炼后，逐步熟悉了铸铁冲天炉和电炉熔炼的一些基本操作，但是真正认识到其中存在的问题，是在2006年，在山东烟台某上市公司，建设新的铸造工厂，开始试生产后。该工厂，在老厂以冲天炉熔炼，常年生产机床卡盘，材质是灰铁300，为环球牌卡盘配套盘体铸件，同时生产日本牧野数控加工中心的床身，立柱等等机床铸件，也是灰铁300牌号。由于这些铸件配套的成品质量要求严格，铸造工厂对冲天炉熔炼的各种操作，原材料等等要求很严格，曾经得到国内冲天炉熔炼专家学者指导，灰铁300材质，一直比较稳定，得到国内外客户的好评。新厂熔炼设备是应达电炉，按老厂工艺，成分配料熔炼，生产同样铸件。 一。问题的出现： 2006年下半年，烟台铸造工厂新建铸造新厂，开始调试生产，使用3吨美国应达电炉，德国FAT树脂砂设备，美国热电的瑞士ARL4460光谱仪等设备开始生产牧野机床铸件。老厂依然在使用冲天炉和树脂砂设备生产同样铸件。生铁，废钢孕育剂等材料，完全相同，特别是生铁，使用威海乳山的“诸往生铁”，号称胶东地区的本溪生铁。两处熔炼设备，新厂是电炉，老厂是冲天炉，大家控制灰铁300牌号铁水的碳硅量基本一样，电炉铁水增加硫化铁，提高硫含量。但是得到的机械性能却有差别，即电炉按冲天炉碳硅含量控制，配料的铁水，强度，硬度总是不及冲天炉的强度硬度好，抗拉强度一般差30-20MPa，铸件导轨面硬度要求，粗加工后在180HB，一般差10-20HB。初期，大家分析原因，总以为两种熔炼设备，孕育效果不同，冲天炉出铁槽很长，出炉时孕育剂在除铁槽里缓慢加入，孕育效果好，而电炉除铁槽很短，不可能像冲天炉那样的孕育效果。于是，加长了电炉出铁槽和添加孕育剂的平台，但是强度硬度依然不及冲天炉，最终没有办法只好把电炉铁水的碳量从3.0-3.1%降低到2.85-2.95%，硅含量保持不变，1。6-1.8%，这样才能勉强满足铸件强度硬度要求。 对于冲天炉和电炉如此熔炼铁水，性能的差别，百思不得其解。在我们铸造生产中，一直以为，电炉熔炼，铁水成分，温度控制都比冲天炉好，过热温度高，铁水更纯净，晶粒容易细化，通过各种预处理，孕育，在原材料，出炉成分完全一样情况下，其强度硬度应该比冲天炉好，起码不应该低于冲天炉铁水的性能，但是现实却相反（如此现象，曾经问过很多专家）。带着这些问题，陆续查看了一些文章，很难得，在当年（05-06年）的“现代铸铁”杂志上，偶然发现一篇文章，介绍了国外电炉和冲天炉熔炼灰铁的性能差别，与我们生产中的情况相似，国外铸造生产，原材料和工艺状况应该更好，但是也有如此差别，文中特别例举德国某工厂，熔炼灰铁时，冲天炉和电炉的强度差别，电炉总是不如冲天炉强度高。同时认为是鈦等有害元素影响。由于当时老厂冲天炉成分也定期拿到新厂光谱仪打成分，我搜集了接近一个月期间的电炉，冲天炉灰铁300成分，细查区别，最后也发现，最大区别除了五元素中碳有差别之外，主要区别在鈦，电炉一般鈦含量在0.035-0.055%之间，而冲天炉鈦含量在0.019-0.025%之间。在此问题出现之前，日本牧野曾经要求冲天炉铁水检测铁水氮含量，几次结果都在80-120PPM左右，因为当时（04-05年）知识，学习不足，根本不知其原因。二：冲天炉与电炉熔炼灰铁的区别 1.近几年，国内铸造工作者和专家在不同场合和杂志都有论述，二汽万仁芳老师谈到冲天炉熔炼，灰铁从固态炉料到高温铁水，在炉内熔炼只有几分钟到十几分钟，同时下落的铁水滴始终有石墨核心介入，同时有极短时间1700多度的过热过程。而电炉灰铁熔炼，从固体炉料到1500度以上过热时间，最快也要一小时左右。 2.冲天炉熔炼时，炉内有很明显的氧化，还原过程，硅锰主要元素都有氧化，同时生铁中各种微量元素也有氧化，其中铁水中含有的有害微量元素要比电炉低。特别是鈦，铅，等元素含量低。 3.冲天炉熔炼控制管理难度较大，除碳，硫之外，各种元素都有烧损，灰铁主要元素控制波动较大。而电炉熔炼，对各种元素烧损都很小，温度可以随意提高，五大元素可以控制较准确，同时也较多保存了生铁里面的有害元素。 4.冲天炉铁水内对灰铁凝固中的结晶核心等氧，硫化合物保存较多，正常熔炼时冲天炉铁水氮含量基本在正常范围（80-120PPM左右）。而电炉铁水由于熔炼时间较长，氧硫等结晶核心保存较少，特别是高温下，铁水保温时间较长时，铁水白口倾向较大，性能恶化。电炉熔炼，由于对有害微量元素保留较多，明显影响有鈦，来源主要是生铁，当鈦含量超过0.025%之上，逐步增加到0.05-0.07%时，灰铁强度有明显降低。最近发现，灰铁300熔炼，如果使用硅锆孕育剂，则锆与强化灰铁基体的氮亲和力更强，降低灰铁强度的现象更明显。 5.现在主张电炉灰铁熔炼以合成铸铁工艺生产，生铁配料要少于15%，使用石墨化增碳剂，可以实现好的灰铁性能。但是成分好的合成铸铁铁水，同样有炉内高温保温时间过长，性能恶化倾向。所以专家们在国内多次铸造会议上呼吁，灰铁熔炼要有高水平的冲天炉加电炉双联熔炼设备。 灰铁里面，鈦，氮作为微量元素，它们的作用，有一些教材谈到，有过论述。郝石坚老师的“现代铸铁学”一书和翟启杰老师的文章都谈到。三氮在灰铁中的作用： 1.普通灰铁中，氮含量一般都在0.004-0.018%（40-180PPM）左右，含量太高，容易出现氮气孔，或者出现裂隙状氮气孔，如果同时有氢进入，则生成裂隙状气孔的氮含量则降低。碳硅含量增加，铸铁氮气孔减少。 2.氮对铸铁中石墨形态的影响。由于凝固过程中，石墨受氮的吸附，氮使石墨片长度缩短，弯曲程度增加，端部钝化，长宽比减小。研究测试表明，含氮铁水在凝固过程中，氮在石墨表面的吸附阻碍了石墨的长大，从而细化了灰铸铁的共晶转变组织。在石墨长大过程中，吸附在石墨表面的氮原子固溶在石墨中，使石墨在长大过程中晶格产生畸变，晶体缺陷增多，导致石墨片产生弯曲和分枝倾向增大。 3.氮对灰铁基体组织的影响：氮使初生奥氏体一次轴变短，二次臂间距减小，使共晶团细化。在灰铁中W（N）在0.005-0.0175%时，使珠光体数量增多，同时抑制铁素体生成。超出此范围，产生强烈稳定碳化物的作用，。在厚壁灰铁中，W（N）超出0.008%时，能产生一些紧实石墨，片状石墨变粗变短，石墨片端部园钝化。 4.氮对灰铁的抗拉强度有影响，在适当含量范围内，提高氮含量，可以提高灰铁的抗拉强度。郝石坚在“现代铸铁学”一书中介绍，铸铁成分在：W（C ）3.12%，W(Si）1.35%，W（Mn)0.71%,W(S)0.09%,W(P)0.13%的铁水中随氮含量的增加，铸铁强度也逐步增加。见下表：（摘自郝石坚“现代铸铁”P307）. 氮对灰铸铁抗拉强度的影响含量氮含量抗拉强度MPaPPM10.008%2878020.010%30510030.014%32814040.015%361150 该试验以加入氰化钠改变铁水氮含量，以0.3%硅钙孕育。 周小平文章指出：当氮含量超过O0183 %后，性能急剧下降，其原因是试棒中出现气孔此时，氮在灰铸铁中的溶解度达到饱和，硬度变化不大 氮在灰铸铁中稳定并细化珠光体，可作为间隙原子固溶于铁素体和渗碳体中，使其产生晶恪畸变，基体组织强化，强度性能提高 本试验条件下，当30C% 32 ，19 Si%21 ，04 Mn%o6 ，灰铸铁中溶解氮含量00183 %时，抗拉强度可达到400 Nram 左右，硬度可达到HB260左右四鈦在灰铁中的作用（郝石坚文章内容） 1.鈦在铸铁中可以与氧，硫，碳，氮都形成化合物。鈦与氧生成TiO2，其生成自由能更负，则鈦在铁水中首先有脱氧作用。鈦与硫，碳，氮生成自由能接近，当碳，氮浓度较高时，影响鈦和硫的反应。 2.鈦与碳在较高温度下合成TiC，虽然TiC的稳定性略低于鈦的其他化合物，但是铸铁中碳的浓度很高，铁水中仍有一部分TiC存在。TiC是面心立方晶格晶体，弥散分布于铸铁基体，有利于提高铸铁的抗磨能力。 3.鈦与氮的化合物TiN也是面心立方晶格的离子晶体，在铁水中与结构近似的TiC互溶，形成Ti（C，N）。 4.铸铁中含有少量鈦，（小于0.3%）时，石墨析出量随鈦含量增加而增多，有报道说，TiN是石墨形核基质，有促进石墨化作用，这个问题需深入研究。我们在电炉灰铁300熔炼中，孕育之后的三角试片断口可以看见，鈦含量在0.05%以上的断口颜色，明显比鈦含量低的断口发黑，估计就是这个原因。 那么氮和鈦究竟有什么关系？资料介绍，铁水中鈦高（微量含量时），鈦很容易与强化灰铁基体的氮结合，减低氮对灰铁基体的强化作用。 五。以后的经历 1.08年9月份，应五粮液普什铸造聘请，去宜宾工作。报到的第一天，在普什铸造的会客室里，遇见美国卡麦隆的北京代理，闲聊天，他问起：普什铸造生产的美国卡麦隆大型压缩机缸体，约3吨重，材质灰铁300，北京代理委托江苏常州戚墅堰机车研究所验证检测材质，发现普什铸造供应的缸体铸件硬度不足。问我原因。我要求看看化学成分，他打开电脑，找出成分，一看其他元素含量都可以，只有鈦含量在0.057%左右。我回答：估计是鈦高了。介入普什铸造工作之后，才发现，当时工厂为降低成本，使用了一些四川本地小铁厂的地方生铁，鈦含量很高。 2.之后，普什铸造开始生产重庆康明斯汽缸体，灰铁300铬钼铜材质，按重庆康明斯工厂要求，配料一直使用：60%废钢，30%回炉料，10%生铁，以质量较好的持久增碳剂增碳，铁水鈦含量一直在0.025以下。性能稳定。见照片1： 3.08年，因为四川地震影响，陕西408厂将部分日本大发DK-28和DK-20船用汽缸体铸件生产任务转移至普什铸造生产，并派技术人员到普什铸造指导，参与铸造生产。09年初，大发DK20，5缸，6缸汽缸体新模具到普什铸造，投入生产，要求材质灰铁300，加适量铜。此时普什铸造，灰铁熔炼由于使用了多加废钢的合成铸铁工艺，鈦含量一般都在0.025-0.03%左右。一天早上，查看前晚电炉熔炼灰铁300铜的DK-20大发汽缸体成分，发现鈦含量与往常不同，在0.012%，感觉此炉铁水性能应该很高，追查电炉班长，询问熔炼情况后才知，当晚其熔炼配料没有按工艺要求进行，废钢加入几乎在90%。（该熔炼班长，以前在江苏地区外资企业打工，灰铁熔炼配料一般都是如此配料）几天之后，拉伸试棒结果在407MPa，当然其中铜含量在0.7%左右，（碳：3.04%，硅：1.7-1.9%）超出DK-20材质要求2个级别。由于熔炼班长私自改变配料，强度过高，孕育不足，该件汽缸体铸件在个别壁薄处产生裂纹，报废。但是可以看出，由于鈦含量很低产生的灰铁强度效果。 4.普什铸造由于工厂设备和检测档次很好，08-09年期间，正处发展初期，工程技术人员很多，人才兴旺，工厂发展很快，美国GE公司陆续几次来厂考察，指导，改善现场管理，最后陆续给了一些铸件生产。GE公司提供的一种灰铁汽缸体铸件的技术文件里面，其对灰铁的要求部分复制于后： GEIERAlELECTRlC (TRANSPORTATION SYmEbtS BUSINESS OPERATIONSI5 2SPECIFICATION AND PROPERTIES tidw-nYITLL SPECIAL ALLOY GRAY IRON MAIN FRAME CASTINGS1. SCOPE:General Electric Material C50E69 identifies a special alloy gray irondiesel engine ma.in frame casting, the condition of which is designatedas follows:C50E69A - MAIN FRAME CASTING WITH NUT POCKETS - 37,500 psi minimumtensile strength in heavy wall critical sections,electric melt or electric holding furnaceC50E69B - MAIN FRAME CASTING WITHOUT NUT POCKETS - 32,500 psiminimum tensile strength in heavy wall criticalsections, electric melt or electric holding furnace2.2.12.2CHEMICAL COMPOSITION:General: It is the intent of this specification to subordinate chemicalcomposition to mechanical properties and microstructure, however thechemical composition shall be mutually agreed upon. No deviation fromthe approved chemical composition shall be allowed without writtenpermission from General Electric. The approved chemistry shall beagreed to by the foundry and General Electric.Chemistry RecommendationsELEMENT (WT. %) C50E69A C50E69BCarbon Equivalent* 3.60-3.90 3.60-3.90 碳当量Carbon 3.05-3.30 3.05-3.30 碳Silicon 1.55-2.10 1.55-2.10 硅 Manganese .65-1.10 .65-1.10 锰Phosphorus .090 Max. .090 Max. 磷Sulfur .030-.lOO .030-.lOO 硫Nickel .60 Max. .60 Max. 镍Chromium .20 Max. .20 Max. 铬Molybdenum .40-.60