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怎样用电炉生产出高质量的灰铸铁?

2022-04-25 16:18  点击数:  来源:划线平台厂家

  灰铸铁是一种含有碳、硅、锰等多种元素的铁合金。它的强度之所以较低,是因其中所含有的碳元素大多以片状石墨的形态存在。这些片状石墨对基体组织起严重的割裂作用。因此,传统的灰铸铁熔炼工艺是以降低含碳量来保证灰铸铁具有所要求的强度。但是,含碳量降低会使灰铸铁的铸造性能变差,容易出现缩孔、缩松、浇不足等铸造缺陷。另外,在传统工艺中,含锰量也控制得比较低,一般在0.5%-1.0%的范围之内。

  近年来,随着铸铁凝固理论的发展,人们对锰在灰铸铁中的作用有了更深入的了解。我们根据这些新认识,特别是从“高碳当量、高强度灰铸铁”的生产工艺中受到启发,改变传统工艺中“双低一高”(即低碳、低锰、高硅)的作法,以“双高一低气高碳、高锰,低硅的配料原则来编制灰铸铁的熔炼工艺。这样做,不但提高了灰铸铁的机械性能,而且改善了铸件的壁厚敏感性,消除了缩松、热裂等铸造缺陷。

  两年多来,我们在生产中全面推广了这种新工艺,使用不良生铁生产出了水轮机、汽轮机、砖压机、出口立钻等重大产品的铸件,并解决了生产中存在多年的难题.取得了较好的经济效益。

  新工艺的理论依据

  过去,由于检测手段的限制,人们在铸铁凝固研究中的重点是研究凝固后的组织。现在,检测手段发展了,人们进而可以研究凝固过程中的组织。通过研究,发现铸铁凝固过程中的奥氏体枝晶骨架是影响铸铁性能的重要因素。形象地说,灰铸铁可以看成是一种类似钢筋混凝土的结构。奥氏体枝晶就是钢筋,共晶组织就是混凝土.金相分析证明.奥氏体枝晶是灰铸铁中的独立组成相,即使通过共析转变和共晶奥氏体结合,也仍然保持着自身的骨架形态和作用。因此,奥氏体枝晶的数量多、晶粒细小,必然使铸铁的强度提高。并且.枝晶的显微硬度越高,铸铁的强度越高。此外,奥氏体枝晶对铸铁的性能还有如下一些影响:

  1.奥氏体枝晶与铸铁的显微缩松

  铸铁的显微缩松是由于枝晶间的凝固收缩得不到补偿所致。根据铸铁凝固理论,在大多数情况下.灰铸铁的实际共晶转变过程都是在已经具有大量初生奥氏体骨架间的残余铁液中进行的。通过电子金相技术观察也发现,缩松处的奥氏体枝晶的空间形貌确实是框架结构、因此,细化奥氏体枝晶,一方面可以提高铸铁的枝晶补缩(又称过滤补缩)能力,减轻晶间缩松的倾向。另一方面。奥氏体枝晶越多、越细,骨架间残余铁液的体积被分隔得越小,继续凝固时,即使得不到足够的补缩,形成的空洞的体积也就越小.只要这些空洞小得足以不影响铸件的使用,就可以认为所得的铸件是合格的。总之,奥氏体枝晶越小,铸铁的缩松倾向越小,组织越致密。

  2. 奥低体枝晶与热裂

  根据铸件热裂形成机理中的强度理论,热裂的产生是在铸铁凝固过程中一定温度时(一般认为是共晶反应结束前后),铸件收缩受阻产生的应力,大于该温度下铸铁的强度极限,这样就会形成热裂。因此,提高铸铁的高温强度,即提高奥氏体枝晶的强度,减小共晶反应区间,有助于防止热裂产生。

  在研究灰铸铁断裂中发现,奥氏体枝晶有阻碍裂纹扩展的作用。裂纹遇到枝晶大多改变方向,沿枝晶外缘继续扩展。所以,细化奥氏体枝晶也有助于防止热裂产生。

  另外,裂纹形成后,如果还有残余的液相被输送到裂纹处,可以使这些裂纹“愈合”。因此,铸铁的枝晶补缩能力强也有助于防止热裂产生。

  3. 锰在灰铸铁中的作用

  锰在灰铸铁中具有如下一些作用:

  ①促进奥氏体形成.细化奥氏体枝晶,并且固溶于其中,提高其显微硬度。

  ②增加共晶团的数量.

  ③细化石墨组织。

  ④增加、细化和稳定珠光体组织,

  ⑤与铸铁中的硫反应生成MnS,中和硫对铸铁的有害作用。

  因此,适当增加灰铸铁中的锰含量,可以提高铸铁的强度,防止显微络松和热裂等铸造缺陷的产生.并且,由于锰稳定珠光体的作用,也使铸件的壁厚敏感性降低。显然,这些都正是我们所要寻求的。

  工艺参数的确定

  在传统的灰铸铁熔炼工艺中,由于没有充分认识到锰的作用,通常仅在0.5%--1. 0%的范围内选择锰含量。而新工艺将锰含量提高到i. o以上,以充分发挥锰的有益作用。下面,根据铸铁凝固理论的新观点.讨论灰铸铁的三种主要化学成分碳、硅、锰的控制范围。东风电机厂生产的灰铸铁牌号一般是HT150--HT250.下面的讨论也是针对这几种牌号的灰铸铁而言。

  1. 碳的控制范围

  碳在灰铸铁中的作用,可以说是“成也萧何败也萧何”,灰铸铁所具有的长处和短处都归因于其中的碳。一般说来,控制碳含量的原则是在保证灰铸铁具有足够强度的前提下,尽可能选择较高的碳含量。在新工艺中。由于锰含量的增加使强度提高,在同样的强度要求下,碳含量可以选得比传统工艺的高0.2%左右。实验也证明,较高的碳含量还有利于锰增加和细化奥氏体枝晶的作用。

  2.硅的控制范围

  硅在灰铸铁中主要起石墨化作用,同时还具有一定的固溶强化作用。硅含量在1. 0%一2. 0%时,石墨化作用最显著。如果硅含量小于1.000*铸铁中会产生大量的游离碳化物。所以,硅含量的下限应大于1. 0.考虑到应留有一定的余量,其下限定为1.0%^'1.5%。上限又怎么定呢?由于碳的石墨化作用是硅的3倍,碳可以部分代替硅的石墨化作用。而锰又可以代替硅的固溶强化作用。另外。硅是扩大共晶反应区间,提高共晶反应温度的元素。因此,降低硅含量有助于防止热裂产生,并且还可以减少硅铁的加人量,降低生产成本。从这几点考虑,硅含量的上限定为1. 7%一1. 8%,比传统工艺的硅含量低0. 3%一0. 6 %

  3. 锰的控制范围

  尽管锰在灰铸铁中有许多有益作用,但也不是越多越好。实验证明,当锰硅差(铸铁中的锰含量与硅含量之差)大于零时,灰铸铁中可能出现游离碳化物,使机械性能降低。对灰铸铁而言,锰硅差宜为一0.3%一0.5%因此,锰含量应控制在1.1%-1.5%。

  中频炉熔炼灰铁的质量、工艺解析

  在现代铸铁生产中,冲天炉因环保问题正被逐步关停,大多数铸造企业改用中频炉熔炼铸铁。与冲天炉相比,中频炉熔炼工艺相对简单;铁水的化学成分和温度容易控制,不增碳不增硫有利于低硫铁水的获得;环境污染小,炉前冶炼的工作环境和劳动强度也大为改善;利用夜间电价低谷熔 炼,生产成本可大致与冲天炉相当;同样化学成分的铁水、同样的铸型浇注的铸件,中频炉比冲天炉熔炼的灰铁强度和硬度高;中频炉铁水比冲天炉铁水过热温度高、流动性差,并具有以下不良特 性:铁水的晶核数量少,过冷度、白口和收缩倾向大,铸件厚壁处易产生缩孔和缩松,薄壁处易产生白口和硬边等铸造缺陷。在亚共晶灰铸铁中,A 型石墨数量极易减少,D、E 型石墨及其伴生的铁素 体数量增加,珠光体数量少。所有这些再加上日常生产中的一些不当因素,都在生产中表现为铸件 质量的波动,影响了铸铁的正常生产。

  针对中频炉熔炼灰铁出现的新问题,笔者克服了电炉熔炼工艺、技术资料少,实践、探索难度大 等诸多困难,逐步摸索和总结积累了一些生产技术经验和体会,期望能对正处于艰难经营和转型升 级阵痛中的中小铸造企业提供微薄帮助。

  1.原材料的选用及炉料配比

  炉料优劣直接影响铁水的质量,中频炉熔炼灰铁对于炉料的清洁程度和干燥要求较高,炉料不 干净、含有有害元素或熔炼控制不好,会导致铁水氧化和纯净度低,严重恶化铁水的冶金质量,影响铸铁的基体组织和石墨形态,引起孕育不良、白口和缩松倾向大、气孔多等问题。因此应强化对原辅材料的管理,严禁使用锈蚀严重、有油污的炉料。同时,为提高铁水的纯净度和稳定铁水的化学 成分,应选用碳素钢废钢做炉料,并使其在炉料配比中占 50%以上;对于回炉料应选用同材质铸件浇 冒口,并清理掉粘附的型砂和涂料后再使用,使用量以 40%左右为宜;废铁屑也应是同材质铸件机加 工铁屑;对于生铁,因其中的杂质和微量元素以及组织缺陷都具有遗传性,应选用来源稳定、干净少 绣、有害元素低、最好是 Z18 以上牌号的铸造生铁,这样的生铁生产的铸件内在质量好且稳定,不 要轻易变换生铁的来源,否则对于使用存在不合格因素的炉料而可能引起的质量问题将防不胜防, 并且生铁的加入应在熔炼初期加入为好,配比可占 15%,以利于改善铸铁的石墨形态;增碳剂应选用 商品石墨增碳剂或经高温石墨化处理过的增碳剂,并在熔炼中尽量早加,使增碳剂与铁水直接接触, 且有充足的时间熔化吸收;铁合金和孕育剂应化学成分合格、粒度适宜。配料时应预先根据炉料配 比及材料成分计算出 C、Si、Mn 等元素的含量,不足的部分用增碳剂和铁合金调整。在熔炼后期成 分微调时,如果 C 含量偏低可加生铁增碳;若 C 含量偏高可加入废钢降碳。

  2.化学成分的影响

  碳和硅是强烈促进石墨化元素,C、Si 偏高,会导致石墨粗化、铁素体量增多、珠光体量减少, 铸铁的强度和硬度下降。铸铁基体的强度是随珠光体量的增加而提高的,因此,在高强度灰铁中,C、 Si 含量应在一定范围内适当降低,在保证获得灰口的同时,有利于细化石墨、促进形成珠光体、提 高力学性能。碳当量 CE 和 Si/C 比显著地影响灰铁的组织和性能,选定适当的 CE 和 Si/C 比,对 改善铸铁的组织、提高铸铁的性能是有利的。CE 是影响灰铁铸件内在质量的最主要的因素,CE 提 高可大大改善铸铁的铸造性能,减少白口、缩孔、缩松和渗漏缺陷,降低废品率,这一点对于薄壁 铸铁件尤为重要。但 CE 过高,石墨析出数量增加,铁素体化倾向明显,会降低铸件的抗拉强度和 硬度,铸件厚壁处因冷却速度慢,易产生晶粒粗大、组织疏松缺陷;如果 CE 过低,铸件薄壁处易 形成局部硬区,导致加工性能变差。因低 CE,灰铁组织中易出现共晶莱氏体及 D、E 型过冷石墨, 致使铸造性能降低、铸件断面敏感性增大和内应力增加、硬度上升。适当的提高 Si/C 比,可提高 铸铁的强度,改善铸铁的切削加工性能。在相同的条件下,不同的 Si/C 比能使铸铁的力学性能和 组织产生较大的差异。当 CE 一定时,Si/C 值从 0.6 提高到 0.8.灰铁的强度和硬度出现峰值;当 Si/C 值一定时,灰铁的强度和硬度随 CE 的增大而降低。在生产现场严格控制 CE 的同时,应选择 和控制适宜的 Si/C比。中频炉熔炼灰铁的 CE应高于冲天炉 0.3%左右, C含量应高于冲天炉约 0.1%, 并控制Si/C 比在 0.6~0.7 附近,使铸铁保持合适的硬度和较高的抗拉强度。

  锰和硫是稳定珠光体、阻碍石墨化的元素,锰能促进和细化珠光体,锰量增加可提高铸铁的强度和硬度以及组织中的珠光体含量,锰能促进生成和稳定碳化物,并能抑制 FeS 的产生。锰还和硫 形成高熔点的化合物作为异质形核,细化晶粒,所以锰在高牌号灰铁中使用量加大。但锰量过高, 又影响铁水结晶时形核,减少共晶团数量,导致石墨粗大,并产生过冷石墨,又会降低铸铁的强度。硫在灰铁中属于限制元素,适量的硫在石墨的生核和成长中起积极而有益的作用,可以改善灰铁的 孕育效果和机加工性能。中频炉熔炼灰铁,为了确保孕育效果,一般要求 w(S)≥0.06%,S 含量适 当提高,能改善石墨形态、细化共晶团,使片状石墨长度变短、形状变弯曲、端部变钝,减弱石墨 对基体的割裂破坏作用,从而提高铸铁的性能。所以,硫在灰铁中不是越低越好。而磷在灰铁中一般是有害元素,易在晶界形成低熔点的磷共晶,造成铸铁冷裂。因此,在灰铁中通常磷越低越好, 对于有致密性要求的铸铁件,磷量应低于 0.06%。

  在实际生产中,应根据灰铁铸件的牌号、壁厚、结构复杂程度等因素优化化学成分设计,严格控制各元素的波动范围,这对于保证灰铁铸件的质量和性能非常关键。

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