采用双联熔炼技术的灰铸铁熔炼材料的选用

采用双联熔炼技术的灰铸铁熔炼材料的选用裴国强,孙帆,,闫学涛,于英强，郭锡锐（潍柴动力（潍坊）铸锻有限公司山东潍坊261199）摘要：总结了双联熔炼工艺中灰铸铁熔炼材料的要求和特点，并针对使用过程中容易出现的问题进行了分析，同时分析了熔炼材料对铸件性能可能造成的影响，为熔炼材料合理选用提供了依据。关键词：双联熔炼；熔炼材料；铸件性能TheSelectionofMeltingMaterialsofGrayCastIroninDuplexMeltingProcessPeiGuoqiang,SunFan,YanXuetao，YuYingqiang,GuoXirui(WeichaiPowerCasting&ForgingCo.LTD,Weifang261199,ShandongChina)Abstract:Therequirementsandcharacteristicsofmeltingmaterialsofgraycastironinduplexmeltingprocessaresummarizedandanalysetheproblemsthatmayoccurintheusingprocessareanalyzed.Thepossibleinfluenceofthemeltingmaterialsonthepropertiesofthecastings,whichprovidesabasisfortherationalselectionofthemeltingmaterials.Keywords:duplexmeltingprocess;meltingmaterials;propertyofcastiron潍柴铸锻公司熔炼一期采用冲天炉-电炉双联熔炼方式，主要生产HT250-HT300的柴油机气缸盖、气缸体。冲天炉为美国EC&S热风富氧冲天炉，熔化速率35吨/小时，出铁温度1500℃，冲天炉熔化的铁水经两台80吨电炉保温后，进行孕育和合金化处理，然后送往浇注线。熔炼材料的质量对生产高强度灰铸铁有着重要的影响，因此，在生产中选用合适的熔炼材料，对得到符合要求的铸件是非常关键的。熔炼材料选用不当，会造成冲天炉炉况波动严重，铁水质量恶化，甚至造成安全隐患，同时，熔炼材料中若含有对灰铸铁组织和性能影响较大的微量元素，则会造成铸件质量降低和铸造缺陷。本文对冲天炉-电炉双联熔炼中使用的材料进行了总结，分析了各类材料的质量和使用要求，以及可能对铸件造成的影响。1冲天炉熔炼材料1.1焦炭焦炭是冲天炉熔化的主要能量来源，同时对铁水增碳使铁水碳含量达到要求，我公司冲天炉用焦炭技术要求如表1所示。表135t/h冲天炉焦炭技术要求项目块度/mm水份/%灰份/%挥发份/%硫份/%转鼓强度/（M40)%落下强度/%显气孔率/%一级焦150-270≤5.08.01-10.0≤1.5≤0.6≥81.0≥88.0≤45冲天炉用焦炭应选用专门的铸造焦，要求其强度高，反应能力低，气孔率小，水份、灰份、挥发份和硫份较低，并且具有一定的块度。焦炭块度的选用原则是底焦比层焦要大些，并且要考虑冲天炉炉径和熔化速率的因素，一般来说，随着冲天炉炉径和熔化速率增大，焦炭块度也相应增大。我公司EC&S冲天炉炉缸内径2.3米，实际生产中选用块度在150mm-270mm的焦炭。焦炭块度过大，会导致燃烧反应慢，燃烧高温区域不集中，降低炉内最高温度，对铁液过热不利。同时焦炭块度过大，铁液与焦炭的接触面积小，不利于铁液增碳。焦炭块度过小会产生如下问题：（1）由于焦炭的表面积大，缩短了氧化带，使炉气的最高温度降低。（2）会造成送风阻力增大，空气难以深入炉子中心，炉壁效应加大，使炉内温度分布更加不均匀，熔化带位置下移，铁液温度降低。（3）会加快底焦消耗，严重降低底焦高度，减少铁液过热距离，大幅降低铁液温度。灰铸铁中硫含量通常控制在0.1%以下，硫大部分以硫化铁和其他硫化夹杂物的形式存在于灰铸铁中，会降低灰铸铁的强度。一般在冲天炉内，铁水增硫约为焦炭硫含量的30%，因此需严格控制焦炭中的硫含量。1.2石灰石冲天炉熔化过程中加入石灰石的目的是清除炉料中的杂质，对铁水造渣，降低炉渣的熔点，提高流动性，同时可以除去铁水的部分硫。石灰石的主要成分是CaCO3，石灰石在炉内受热分解：CaCO3→CaO+CO2-1784KJ（每千克CaCO3吸收的热量）生成的CaO与SiO2复合成硅酸盐CaO+SiO2→CaOSiO2+1583KJ（每千克CaOSiO2放出的热量）在冲天炉造渣反应正常进行，炉渣粘度适当的情况下，石灰石应尽量少加，以减少炉渣量，降低炉内的热量损失，同时炉渣过稀，会加剧炉缸耐火材料的冲刷和腐蚀，导致炉龄的缩短。一般来说，石灰石的加入量在层焦量的25%-40%，块度在30mm-60mm，其成分中CaO的含量要求在50%以上，纯度高的石灰石为白色，含有杂质较多时为淡黄色或淡灰色。石灰石的质量对造渣反应的顺利进行非常重要，若杂质较多，会导致炉渣粘稠度高，不易从冲天炉出铁口排出，严重时会挂在炉壁和堵塞风口，造成安全隐患。1.3生铁我国的生铁种类有铸造生铁、球墨铸铁用生铁、炼钢生铁、含钒生铁等。应根据生产铸件牌号，选用不同的生铁。我公司主要生产高牌号灰铸铁，实际生产中选用铸造生铁Z14，其化学成分要求如表2所示。表235t/h冲天炉生铁技术要求牌号代号CSiMnPSAsPbVSbCrTi铸14Z14>4.01.25-1.60<0.50<0.06<0.04≤0.0008≤0.0005≤0.03≤0.0006≤0.100.050-0.087生铁的化学成分和结构对铸铁的结晶过程、微观结构和力学性能都有重要的影响，即所谓生铁的遗传性。生铁，尤其是高碳量新生铁，组织中含有粗大的石墨片，由于石墨片熔点较高，在重熔过程中石墨不能完全熔化，结晶过程可以作为石墨结晶的核心，使石墨变得粗大。不同产地的生铁由于主要成分和微量元素的差异，灰铸铁的石墨大小和形态，力学性能均有较大的差别[1]。生产过程中，不同产地的生铁尽量分开存放，避免混用，同时关注易对高强度灰铸铁性能造成影响的Pb、Ti等元素的含量。1.4废钢冲天炉熔炼中废钢占全部铁料的60%-70%，主要用来调节碳含量，改善灰铸铁的微观组织。废钢应尽量选用中、低碳素钢，且S、P含量低，其块度在60mm-350mm，表面应干净无锈蚀。对于含有Cr较高的废钢应控制使用，因灰铸铁中对Cr含量有一定要求，如Cr量偏高易造成铸件缩松缺陷，但使用一定比例含Cr废钢，保证铁水中0.1%-0.2%的Cr，可以降低炉前的Cr加入量，降低成本。避免使用含有Pb、Ti和Al的废钢，因为Pb和Ti易导致铸件的缩松和渗漏。有研究表明，当废钢中的Pb达到0.008%时，柴油机气缸体的渗漏率就会开始增加[2]。另外，当Ti和Al在灰铸铁中含量增加时，其缩松的概率也会增加。1.5回炉料我公司使用的回炉料为报废的发动机缸体、缸盖、浇道、冒口等，均为自产的报废铸件，成分均一稳定。回炉料加入量在25%-30%，尺寸要求小于25cm，重量要求小于20kg。回炉料不得有严重的锈蚀、油污或泥沙混杂，否则易造成铁水中溶解氧过多，冲天炉熔化过程中渣量大。不同种类的回炉料应分开存放，避免混用。铸件在机加工过程中产生的铁屑也可以作为回炉料使用，但是铁屑中含有油污高，炉内氧化较严重，会消耗更多的焦炭，炉渣的量也会大幅增加，实际在冲天炉熔化中应用较少。1.6硅铁和锰铁冲天炉加入的硅铁和锰铁用来调节铁水中的含硅量和含锰量，其成分要求如下：表3硅铁和锰铁成分要求（%）牌号SiAlCaMnCrPSCFeSi7572-80≤1.8≤1.5≤0.5≤0.5≤0.04≤0.02≤0.2FeMn68Si1817-2065-72≤0.25≤0.04≤1.8硅铁锰铁的块度要求在30mm-80mm，因为冲天炉内风速较大，若块度过小，硅铁和锰铁会在炉料下降过程中被风带走，这样既带走部分热量，降低炉气温度，同时较轻的硅铁和锰铁会被带入冲天炉引风环甚至进入燃烧室，影响该设备的正常工作。2炉前处理用材料2.1孕育剂孕育剂具有促进石墨化，避免过冷组织，有利于得到细小A型石墨，提高灰铸铁力学性能的作用。孕育剂在电炉出铁时采用随流方式加入，孕育效果较直接加入包内要更好[3]，加入量在0.2%-0.5%之间。当前我公司使用的孕育剂主要是硅钡孕育剂和75硅铁。硅钡孕育剂是一种应用最广泛的孕育剂，具有较强的促石墨化能力和抗衰退能力，被称为长效孕育剂。我公司选用中钡孕育剂（钡含量3%-5%），粒度2mm-8mm，出铁孕育后全部铸件均在12min以内完成浇注。图1为孕育铁水在出铁后1min和12min浇注铸件的石墨形态。由图1可知，孕育时间为1min和12min时，石墨组织均为A型石墨，片长4级-6级，无过冷石墨存在，说明孕育效果良好，硅钡孕育剂在浇注时间内未发生衰退。a)1minb)12min图1不同孕育时间灰铸铁的石墨形态75硅铁主要用于生产牌号较低的灰铸铁。有报道说，不含铝、钙的硅铁对灰铸铁的孕育作用很小，甚至没有作用。一般认为：在铁液中，铝和钙会与氧、氮反应，形成高熔点的化合物，成为石墨结晶的核心。而且，加入孕育剂后，铁液中可形成局部的富硅微区，有利于石墨析出。因此购买75硅铁时，一定要考虑其中铝和钙的含量。另外，孕育剂随流加入浇包时，要尽量在出铁量达到1/3时开始加入，在出铁量达到4/5前结束。这样可以通过液流的搅拌作用使孕育剂溶解更充分，提高孕育效果。在选取孕育剂的时候要考虑浇注温度和出铁量的影响，浇注温度越高，出铁量越大，越应选取抗衰退能力强的孕育剂，同时也应选取颗粒尺寸更大一些的孕育剂。2.2增碳剂增碳剂的作用是增加铁水中的碳含量，使其满足工艺要求。高质量的增碳剂除了可以增碳外，还可以作为石墨化核心，改善铸铁的组织结构和力学性能。冲天炉熔炼时，废钢比例较高，适当向铁水中添加增碳剂，有利于增加石墨形核核心，改善石墨形态，降低铸件白口倾向。增碳剂的种类包括人造石墨，天然石墨，石油焦，焦炭和无烟煤等，我公司使用的增碳剂有人造石墨增碳剂和石油焦增碳剂，要求含碳98%以上，粒度在1mm-5mm。人造石墨增碳剂大多是以废电极或石墨切屑等材料，高温处理石墨化制成的，石油焦增碳剂则是由石油沥青焦化并煅烧得来的。与石油焦增碳剂相比，人造石墨具有以下优点：（1）吸收率高，人造石墨的吸收率在80%-90%，而石油焦增碳剂的吸收率在70%左右；（2）氮、硫含量低，人造石墨由于经过了高温处理，氮、硫含量远低于石油焦增碳剂。石油焦增碳剂的优点是原料来源广泛，成本较低。生产灰铸铁时，由于对铁水的氮、硫含量要求较低，两种增碳剂均可使用。增加铸铁中的氮可以提高抗拉强度和硬度，但氮含量过高易引起气孔缺陷，因此石油焦增碳剂的加入量不易过高。当生产球铁铸件时，由于硫的因素，则只能选用人造石墨增碳剂。2.3集渣剂为减少铁水中残留渣，降低铸件渣孔缺陷，铁水从电炉倒入浇包后撒一层集渣剂，加入量以覆盖全部液面并成膜有效集渣为准，然后使用扒渣工具将残渣排出，再次加入集渣剂覆盖液面然后进行浇注。集渣剂加入量较少，仅为铁水重量的0.2%左右，不改变铁水成分，却可以有效去除铁水残渣。铸造工业中最早采用的集渣剂是稻草灰和碳化稻壳，这两种材料均有一定的集渣效果，但在使用过程中烟尘大，造成严重污染。目前广泛是使用的集渣剂是以珍珠岩为原料制成，主要成分是SiO2，珍珠岩中的部分结晶水在1100℃以上会发生气化[4]，使集渣剂层发生膨化，可将渣集聚起来并对铁水起到保温的作用。我公司当前选用日本石川集渣剂，该集渣剂粒度<1mm，可自动均匀散布金属液表面，不易粘附在浇包内壁上，集渣效果较好。这一类集渣剂同样采用珍珠岩为原料，但是原料均经过了预膨化处理，使其具有微孔结构，容重比降低，分散性好。实际生产过程中，其集渣效果要远好于普通珍珠岩集渣剂。3结束语

熔炼材料的质量及选用对灰铸铁的性能有至关重要的影响，选择质量优良并与所用熔炼工艺相符合的材料是生产优质铸件的基础。本文对我公司双联熔炼所用熔炼材料进行了总结，分析了各类材料的选择原则及对熔炼工艺与铸件质量可能造成的影响，特别强调了各类材料使用中的容易忽视的细节，为以后选用合适的熔炼材料提供参考。参考文献：