球墨铸铁废钢添加与增碳剂的相互作用,及球铁缺陷防范解决方案

source: author:mtsh 2019-08-19

请在此处编辑内容 一.生产合成铸铁的主要原材料概况

  1.废钢  相对来说就是废旧的钢铁结构件、边角余料,A3、45#、40Cr等普通的含CW≤1%、SiW≤1%、MnW≤1%、低S、低P的材料;废旧的压力容器要通过解体,薄小的废钢料要打包,零散的或者是通过打包成块的,要能直接加入到熔炉内,不能卡炉影响布料更不能残存汽、液体引起爆炸;最好是不要生锈,能清除油污,国外介绍甚至要清除掉油漆和镀层的。它可以在炉料中占比到50%以上,做到少用甚至不用新生铁。   2.钢铁屑  在机加工过程中钢铁件因加工去掉的屑,其中,钢屑的化学成分与废钢相同,铁屑因铸铁的材质是普通灰铸铁还是球墨铸铁而有所不同,其主要化学成分在CW2.5~4.0%之间,SiW1.5~3.5%之间,MnW0.3~2.0%之间;钢铁屑碎小零散,要装袋或做成屑饼以方便司炉和节省能源,同样要清除油污和切削液,最好不生锈;若散装料将会在熔炉内占较大空间,一炉铁水要多次在不同的状态、不同的温度下加料,特别是在炉料已融化、铁水已生成时再加入的铁屑料极易氧化发渣,影响熔炼过程正常进行,而即使是氧化严重的铁屑,在熔炉内没有铁水出现的早期加入,也能正常熔炼;一般情况下铸件的切削余量也即铁屑量占比不过20%左右;  3.机杂铁  拆卸的报废的机器设备钢铁零部件、机身、底座等,化学成分相对复杂,可能含有少量合金元素或非金属杂质,一般情况下可清除其中的铝、锌、铅、锡等轻质低熔点金属和铜等有色金属以及油污坭后再使用;生产时根据产品的要求其用量可以控制到20%左右,生产球墨铸铁时尽量少用或不用;

  4.回炉料  就是铸造生产时产生的浇冒系统、飞边、毛刺、铁豆、锅巴铁以及废品等,其化学成分可以方便掌握,但要除掉其表面的粘砂以及除锈后才能使用。它的占比在15~20%左右;

  5.增碳剂  应该说在合成铸铁的生产中增碳剂是一个比较关键的角色——熔炼过程中由于废钢量的加大,铁水含碳低,必须采用非常手段进行增碳,由此用到了增碳剂;增碳剂——无论是其材料本身还是其使用方法都对生产合成铸铁起到至关重要的作用。

  5.1增碳剂中碳的存在形态本人使用过的增碳剂有柴炭粉、焦炭粉、煤粉、石墨电极粉、煤焦油、煅烧石油焦、天然石墨压粒等,不过,不管是哪一种增碳剂,其实,起作用的只是增碳剂中的石墨碳。自然界中碳存在的普遍形式如表1石墨与金刚石属于同素异构体,是结晶形碳即所谓“定形碳、结晶碳”;柴炭、焦炭等是不定形碳,焦炭是煤、石油焦干馏提取挥发分后所得到的,实际上与石墨具有相同的显微结构。石墨碳具有均一的六方晶体结构,晶体为一多层状排列结构,在层的内部碳原子排列成六角形,每一个碳原子和另外三个碳原子在同一平面上以σ键相结合,形成无限的六角形蜂巢状的平面结构层并生成大л键,使л电子在整个碳原子平面方向上活动,类似金属键的性质,同一层内原子间的结合能很强,而在层与层之间靠分子间相互作用力结合,其结合能较弱。所以,石墨晶体中既具有共价键和金属键性质,又具有层间结合的分子间作用力,属混合键形的晶体。由于在层的内部,碳原子结合很强而在层与层之间结合很弱,这种结晶特性使得石墨具有很强的各向异性,容易分层滑移多向生长。不定形碳也是六方层片状结构,只是与石墨相比其六方形排列不够完整,其层间距离较大,结合力更弱。在铁水中的石墨碳以“原子集团”和碳分子的形式存在①,其分子式为CmFe、(C6)n、C6、C2等,石墨碳在铁水中的成核与生长对铸铁的机械性能起着决定性影响。无论何种增碳剂,其中的碳几乎都是以石墨单质的形态存在,也就是以六方晶体结构层片状的方式存在,其区别在于是否是不定形碳还是结晶碳,因此,根据增碳剂中碳的晶体结构,增碳剂可分为晶体态和非晶体态;晶体态的称为石墨增碳剂,非晶体态的称为非石墨增碳剂。石墨增碳剂主要有:石墨电极、石墨电极边角料及碎屑、天然石墨压粒等;此外,碳化硅(SiC)因其具有和石墨相似的六方结构可以看着是具有特殊形态的石墨增碳剂;非石墨增碳剂主要有沥青焦、煅烧石油焦、焦炭粉、煅烧无烟煤、柴炭等。生产上推荐使用晶体态的石墨增碳剂③。

  5.2增碳剂的粒度增碳剂中的石墨熔点高达3527℃,在铁水中是不可能熔化的,只能在增碳剂被铁水完全浸润后通过熔解和扩散进入铁水中,在增碳剂与铁水的界面上过饱和的碳以石墨的形式析出并熔入铁水,在铁水中形成碳原子集团和碳分子团,随着时间的推移,石墨碳不断的在铁水中溶解、扩散形成增碳机制;所以,铁水的增碳过程就是增碳剂在铁水中不断的溶解、扩散过程,当然还包括其氧化烧损过程;增碳剂的粒度大小不同溶解扩散和氧化烧损的速度也就不同。一般情况下,增碳剂的颗粒大溶解速度慢,烧损速度小;颗粒小,溶解快、烧损大;所以选择增碳剂的粒度要根据熔炼炉的大小、容量决定。有人推荐如表2选择范围。         表 2
电炉容量(吨)≤11~33~10增碳剂粒(㎜)0.5~2.52.5~55.0~20
  5.3影响增碳剂使用效果的几个因素  5.3.1增碳剂本身的质量如前所述,增碳剂是否晶体态的石墨形还是非晶体态的非石墨形,本身决定了石墨的形态,晶体态的石墨片层碳原子结合紧密,在铁水中溶解扩散后形成石墨原子集团和分子团,结构稳定,与铁水中的石墨形态相近,增碳效果明显;非晶体态的增碳剂石墨本身不稳定,增碳效果差。  5.3.2增碳剂的粒度如前所述。  5.3.3增碳剂在炉料中的分布由于增碳剂跟铸铁相比质量要轻而其又与铸铁一样具有导磁性,其块度在炉料中又最小,在铸铁熔化的初期,受电炉磁场的影响,很容易从炉内“逸出”既影响环境又影响增碳效果;所以,一般情况下布料时尽量把增碳剂放在熔炉的中下部位,上面再加其他炉料,使其一方面在炉料刚开始熔化送电时不能外逸,另一方面只要炉内开始化铁时就能与铁液接触立即增碳;放在炉底的增碳剂还可以缓冲铁料加入时对炉底的冲击起到保护炉底炉衬的作用。如果是容量大的电炉可以分多次加入,便于增碳剂的溶解扩散和吸收。  5.3.4铁水的温度增碳剂在铁水中增碳的过程是其石墨在铁水中溶解扩散被吸收的过程,所以增碳的过程也遵循有关扩散的理论,而且是非稳定态的扩散,即遵循所谓的“菲克第二定律”。也就是说除碳的浓度外,温度、时间、距离等都会影响增碳的效果。温度低时没有铁水浸润增碳剂,增碳剂不能溶解也没有扩散;只有当温度使铁材料熔化超过了1148℃铁液生成后,增碳剂才有可能完全浸泡在铁水中形成增碳的充分条件,温度再进一步升高后碳与氧发生氧化反应,增碳剂出现烧损却不利于增碳。经验是1420℃~1500℃时增碳效果最好。  5.3.5熔炼操作方法除了把增碳剂置放在熔炉的中下部,让铁水充分浸润等待增碳剂溶解扩散被吸收等,当铁水温度达到要求的温度后应该有一个2~3分钟的保温增碳时间,不要立即扒渣出水,因为增碳剂总比铁水轻,容易上浮在铁水表面,这时候若立即扒渣就会将表面的增碳剂搅和在炉渣中和炉渣一起扒出,而浪费增碳剂,影响增碳剂的使用效果。

  二、合成球墨铸铁的熔炼工艺

  2.1炉料配比一般情况下,就铸造厂本身而言,铸件的浇注系统占铁水的10%左右、综合废品率产生的废品占铁水10%左右、铸件的加工余量占铸件质量的15%~20%左右,这些组成了铸造回炉料大概在30%~35%左右,这些回炉料的化学成分可以完全被生产者掌握;剩下的65%~70%的炉料可以完全用废钢,并且,可根据废钢、机杂铁、生铁的价格差异做出灵活地取舍,控制生产成本最低。    2.2加料顺序为了确保增碳效果又保护炉衬,一般生产合成铸铁时加料顺序是:3~5%的散的钢铁屑先加入炉底垫底,60%左右的增碳剂随后加入,然后加入其余的成块的废钢、钢铁屑,再加剩下的增碳剂,最后加回炉料和硅铁、锰铁等合金材料,生产球墨铸铁时为了增加铁水中的石墨碳集团和碳分子团需要特别加10%左右的新生铁效果更好。

  2.3增碳剂的加入量除碳化硅(SiC)外,石墨增碳剂的碳含量都在90%以上,然而碳的吸收率受多方面因素的影响,一般只按70%左右计算,可以简单理解为增碳剂中只有60%左右的石墨碳被完全吸收进铁水中,这样,按6:100的比例加入时基本可以达到生产球墨铸铁所要求的碳量。2.4化学成分的调整和最后确定通过废钢、回炉料、增碳剂等配制合成的铁水是否符合生产要求,首先必须要经过检验,若不符合要求则必须调整以符合要求;因为炉料以废钢为主,铁水中的五大元素都低于铁的要求,增碳剂增加碳含量、硅铁增加含硅量、锰铁增加含锰量等,如此多的元素要马上检验出来马上抉择才不至于影响生产进度,光电直读光谱仪正好担当此项工作,无论国产的还是进口的,满足铸造生产已是多多有余了。用光谱仪分析,两分钟内,就能得到准确结果,通过与目标成分对比,各元素可以精准地加强控制。碳高时继续加废钢到熔炉内降碳,碳低时则继续加增碳剂增碳;硅、锰含量也根据含量结果和铁水总量分别用硅铁、锰铁调整。在铁水化学成分达到要求后,Cw3.65%~3.80%、Siw1.8%~2.0%、Mnw0.3%~0.5%、Pw≤0.7%、Sw≤0.5%按照球化处理球墨铸铁生产的工艺生产出球墨铸铁。

  三、合成铸铁的组织和机械性能
3.1合成铸铁的组织由于合成铸铁使用了大量的石墨增碳剂增碳,原铁水中存在大量的高碳微区和低碳微区,高碳微区使合成铸铁具有很高的石墨化能力,而低碳微区使铁水具有很强的形成初生奥氏体的能力,低碳微区愈多奥氏体枝晶愈发达,晶粒愈细小均匀,愈易与后来生成的共晶奥氏体形成细密的三维网络,在随后的冷却过程中,由奥氏体转变的珠光体也很细小。同时,奥氏体周围的铁水增碳速度很快,达到过共晶成分时,在共晶温度以上即可析出石墨晶核,从而也提高了铁水的石墨化能力,这样既有利于提高铸铁的强度,同时又改善了铸件的切削性能①。晶体石墨增碳还能使铁水中的石墨晶核数量明显增多,因此,改善了石墨形核、生长条件,石墨化较完全,使游离渗碳体减少,白口倾向减小,强度提高,硬度更加均匀。在合成铸铁铁水中,大量增碳剂的存在在铁水中生成了大量弥散的均匀的非均质结晶核心,降低了铁水的过冷度,促使生成以A型石墨为主的石墨组织;同时,由于生铁的用量少或不用生铁,生铁的遗传作用大为削弱,因此使A型石墨片分枝发达不易长大,变得细小且均匀,较好的改善了铸件的切削性。

  3.2合成球墨铸铁的性能合成铸铁由于废钢量的增加,少用或不用生铁,较好地抑制了生铁的遗传性,改善了铸件的综合机械性能,抗拉强度提高,硬度提高③。批量生产出了合格的QT600-3曲轴系列产品,而且几乎全部超过QT600-3。一组记录表格略。
四、合成铸铁的生产成本生产合成铸铁的废钢量可以加到60%以上,即多用50%以上的废钢,以目前新生铁与废钢的差价1000元/吨计算:可以节约成本500元/吨,增加100元/吨左右的增碳剂,最终降低成本400元/吨左右,如果新生铁与废钢差价大,则节约成本更多,一个生产500吨/月铸件的工厂,可以节约20万/月,只要二、三个月时间即可节约一台高级的光谱仪检测设备。五、结束语在中频电炉中,大量利用废钢、钢铁屑和增碳剂作为炉料,完全可以生产出合格的质量达到要求的QT600-3、QT700-3甚至QT800-3球墨铸铁产品,而且还可以降低生产成本产生巨大的经济效益。
 关于球墨铸铁铸件缩松的学习和经历赵鲁生 铸造装备 青岛中智达环保熔炼设备有限公司高级工程师赵鲁生对铸铁熔炼有多年理论及实践经验,将于9月9日召开的青岛铸友同城会上做《对从事铸铁熔炼由冲天炉转变为感应电炉的一些新的认识》的发言,并参加下午的圆桌讨论。现将赵鲁生老师之前关于“球铁缩松”一文刊发,希望能给铸造厂一线人员带来帮助。  球墨铸铁铸造生产中经常遇到缩松方面的质量问题,于是就学习,就在实际工作中去想办法解决。很多时候,通过学习解决了一些问题,也有难以解决的缩松现象。最近看见了周启明老师的文章和陈子华的报告,结合之前实际工作,汇总以下。 一.影响球铁缩松的一般规律: 1.球墨铸铁铸件的模数。铸件模数大于2.5,容易实现无冒口铸造,但有专家对此规定限制值,有疑问。一般来讲,比较厚大铸件,由于石墨化膨胀,容易铸造无缩松铸件。此时,碳当量控制不要大于4.5%,避免石墨漂浮。而热节分散的薄小铸件,容易产生缩松,通过冷铁,铬矿砂或局部内冒口设置解决。特别要注意浇冒口系统的补缩,一般来讲,冒口尽可能使用热冒口,避免冷冒口使用。 2.要充分注意砂箱的刚度和砂型的硬度。在砂箱刚度和砂型紧实度方面,设置再充分都不为过。 3.浇冒口工艺设计的合理性。尽可能使用热冒口加冷铁,冷冒口补缩效果很差。 4.铸型的冷却速度。 5.浇注温度和浇注速度的合理选择。一些比较厚的铸件,可以考虑适当调高浇注温度,同时延长浇注速度来解决缩松。同时利于二次氧化渣浮出铸件内部,增加探伤检测的合格。 6.化学成分的合理选择和适当的残余镁,稀土含量。7.在砂型冷却条件下,争取较多的石墨球数对减少缩松有利,对提高力学性能有利。 8.比较好的原材料和好的铁水冶金质量,要特别注意铁水不要在出炉前高温下保持时间过久,同时出炉前做好增加铁水石墨结晶核心的预处理,这样可以提高石墨球数,减少缩松。 二.新的减少缩松的观点: 1.埃肯陈子华总监最近报告指出:球墨铸铁因为铁水含有镁,促使状态图上共晶点右移,镁含量在0.035-0.045%时,其实际共晶点 大约在4.4-4.5%。2.球铁成分选择在共晶点附近,铁水流动性最好,则凝固时铁水容易补充收缩。3.球铁球化前后的硫含量不要变化太大。即原铁水硫含量不要太高。硫含量高,石墨容易析出过早。容易产生缩松。 4.锡柴周启明老师今年文章“防止球墨铸铁缩松缩孔方法的新进展”中指出:在不发生石墨漂浮和没有初生石墨析出前提下,尽量提高碳含量。我对这句话的理解:一般来讲,过共晶越大,则液态下产生初生石墨就越多,对减少缩松不利。 5.球铁凝固期间,控制石墨膨胀的时间,使石墨化膨胀延迟。在碳当量选择确定情况下,高碳低硅。合适的残余镁量,正确的孕育和注重最后的随流孕育。 6.铁水注意快速熔炼,避免在出铁温度下,炉内保存时间过长,避免超过1550度过高的熔炼保温温度,损失大量碳和结晶核心。一般超过10-20左右分钟就要重新做处理。这种铁水即便经过各种孕育处理,也要产生碳化物和缩松,很难消除。 7.铁水球化之后,要马上浇注,严禁等待时间过长,使球化孕育衰退。 8.使用含镧稀土的球化剂,则凝固初期的石墨结晶较少,避免个别较大石墨球出现。石墨球数比较多,大小比较均匀,说明凝固中石墨球析出时间比较一致,凝固后期膨胀较大。这种球化剂使用工艺,在最近铸协武汉华中科技大学的会议上,江阴吉鑫的工程师们提出,对厚大断面的风电球铁,没有效果,不适用。 9.球铁碳当量越大,其结晶凝固范围越宽,固液共存区间越大,凝固过程中,液态铁水流动受初生枝晶影响,阻碍流动补缩,容易形成缩松。同时,铁水硅含量高,容易过早促进石墨形核,生长,此时的石墨化膨胀在固液共存期,对缩松减少不利。所以,通过上述一些工艺措施,使石墨化膨胀延迟一说,在现实铸造技术工作中,去解决球铁铸件缩松现象,有很重要的指导意义。 三.球铁缩松的一些“异常”现象: 1.高炉铁水直接加入感应电炉的短流程铸造,生产球墨铸铁铸件时,如果熔炼中没有很好的高温熔炼操作,容易出现铸件缩松缺陷。分析原因,估计是原铁水里面高炉铁水内的厚片状石墨,在熔炼中没有消除,凝固过程中,液态下石墨过早析出,凝固后期石墨化膨胀不足引起。本溪地区某风电铸造工厂,利用短流程生产风电铸件,都以探伤不合格报废,几乎没有合格铸件,损失惨重,就是例子。本溪地区高炉铁水质量较好,有害微量元素很低,铁水直接进入功率不高的保温感应电炉,估计高温冶炼,细化石墨不足。而江苏吉鑫的短流程工艺,是高炉铁水经过30吨电弧炉氧化烧损了有害元素,熔炼过程经过了高温冶炼,同时烧损的碳,又经过增碳剂处理增加了碳,和上面所说本溪短流程在熔炼工艺上有很大的不同。 2. 笔者在山东和河南个别铸造工厂遇到,生产壁厚不均匀中小球铁铸件时,铸件各处热节分离,连接热节部位的结构壁厚较薄,采取各种措施,如冷铁或铬矿砂加速热节冷却,控制浇注温度,提高碳当量,变更浇冒口系统等等,都无法解决低于2级X射线探伤要求。当把碳当量从4.4-4.6%降低到4.25-4.30%之间后,缩松减轻,探伤合格。当然,同时也采取了一些其他辅助措施。采取这种做法的原因,是因为之前流水线造型,生产球铁卡车轮毂,个别热节分散的轮毂生产经验所得,与其他大部分球铁轮毂成分控制较高碳当量不同。这种做法能够减少缩松的原因,一直搞不清楚,是否与周启明老师文章中说得,延迟石墨化膨胀和凝固中减少初生石墨有关?这些球铁铸件碳当量选择低于共晶点附近,早期凝固过程中,虽有石墨析出,但量较少,主要首先析出奥氏体枝晶,给后期共晶凝固留下了较多的石墨化膨胀量,因此较少了缩松缺陷。是否也属于延迟石墨化膨胀的一种工艺方法?详见下面照片:
3.上述以较低碳当量控制球墨铸铁成分,解决缩松的做法,今年一月份,得到一位国内知名铸造专家的认可。他说:在德国铸造工厂,都是如此选择碳当量,而我国普遍以高碳当量选择,打算写一篇文章讨论此事。 4.风电大件浇注,1320-1340度浇注,加强最后孕育,15-16吨左右铁水浇注时间80-90秒,能够生产UT探伤合格厚壁球铁铸件。但是浇注温度提高至1360-1380度浇注,浇注时间为300秒以上,使用冷铁和冒口较少,也可以生产合格风电铸件。这里就有对待球铁缩松不同的工艺出发点。当然,这里没有细说各自的浇冒口和冷铁工艺。其主要原因,是否可以与下条铸造工艺有类似关系? 5.国内早期,机床附件行业在铸造各种尺寸的大小卡盘体(盘体直径从100毫米到1000毫米左右)时,材质灰铁300,都没有冒口,而以很小的内浇口,分散均匀进入型腔,浇注速度较长,实现无缺陷高质量铸件生产。                           

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