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感应电炉铸铁熔炼的预处理工艺

时间:2017-11-22     来源:www.galangau.com     浏览:

       铸铁的预处理工艺,是为适应感应电炉熔炼的冶金特点而导出的。大约在上世纪70年代后期开始应用于欧洲,随后,差不多与感应电炉熔炼铸铁的工艺同步发展。

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  感应电炉熔炼组织中含石墨的铸铁,采用预处理工艺,可以改善石墨结晶析出的生核条件,从而使铸铁的共晶转变温度提高,减轻过冷度,增加共晶团数量,还可以使铸铁力学性能参数值的波动范围减小,改善铸件的加工性能。
  预处理工艺的良好作用,已经由很多研究工作和实际生产条件下的考核所确认。目前,一些工业国家中,预处理工艺的应用面很广,可以说已经是感应电炉熔炼铸铁的常态工艺。1980年、82年,笔者曾经在美国造访过好几家用感应电炉熔炼铸铁的铸造厂,就没有见到一家不采用预处理工艺的。
  2013年,我国灰铸铁件的产量为2055万吨,占全世界灰铁铸件总产量的43%,但是,据我所知,采用预处理工艺的铸造厂却很少很少。
  预处理工艺的效果是肯定的,但是,这项工艺从开始研发至今,毕竟只有四十多年,尽管一些工业国家进行了大量的试验研究工作,迄今为止,对其作用机制的认识,最多也不过是知其梗概而已。工艺过程中,许多变数的影响都还有待深入的探索。

  1、预处理工艺的兴起
  从上世纪60年代起,中频感应电炉有了重大的改进,晶闸管静态变频电源、逆变变频电源相继问世,热效率可达70%,加以灵活方便、有利于环境保护等方面的优点,感应电炉的应用日益增多。
  冲天炉熔炼铸铁,已经有二百多年的历史,我们对于铸铁质量的控制已经积累了很多经验。一旦转而改用感应电炉,铸铁熔炼的过程大不相同,简单地沿用老经验就难以确保铸件的冶金质量,生产中就会不断出现新的问题,如:白口倾向大,石墨化程度不符合要求等。尤其令人头痛的是,即使在炉料配比不变、原铁液的成分符合要求、铁液温度相同的条件下,也很难保持铸铁的性能稳定、一致。
  预处理是针对上述问题研发的重要技术措施之一,上世纪70年代,欧洲铸造行业率先先采用这项工艺。谁是这项工艺的创始人?我没有办法确切地查证,但是,广为人知的是,英国S. Russell公司铸造部对于开发这项技术是有贡献的。
  Russell公司1952年开始生产铸铁件。60年代末,考虑到需求量增长的态势很强,而且环保的要求将日益严格,在原有冲天炉的基础上,装设了2台1.5吨感应电炉,1972年又增加了2台8吨感应电炉。
  改用感应电炉熔炼后,为了解决铸铁冶金质量不稳定的问题,公司进行了多方面的分析研究,逐步认识到:问题在于铸铁中微细的SiO2颗粒少了,共晶转变时石墨化的生核条件不充分。据此,决定进行预处理的试验研究工作,预先在炉内加入预处理剂,使铁液中存在的SiO2颗粒增加。
  经过试验室工作和生产考核,都表明预处理的效果很好,铸铁性能的稳定性明显改善。
  1978年美国铸造师学会的年会上,Russell公司的B. C. Godsell ,介绍了研发预处理工艺的经验,受到了广泛的关注。
此后,对预处理工艺的试验、研究一直没有间断。用感应电炉熔炼灰铸铁和球墨铸铁的企业,熔炼过程中采用预处理的日见增多,甚至还进一步推广到冲天炉熔炼。

  2、在熔炼灰铸铁方面的应用
  用感应电炉熔炼灰铸铁时,在保持原铁液中硫含量不低于0.06%,且有一定的氧含量的条件下,采用预处理工艺,可使铸铁共晶转变时的过冷度减小,避免组织中出现B型、D型和E型石墨,组织中共晶团数量增多,从而,铸铁的力学性能得以提高,而且比较稳定。
  如果预处理工艺得当,还可以明显减缓孕育作用的衰退。
生产薄壁铸件时,不仅可避免组织中出现碳化物,而且可使过冷石墨(B型和D型)减至最少。经预处理工艺的铁液,可用于砂型铸造,也可用于金属型铸造和离心铸造。

  3、预处理剂及加入方法
  1)碳化硅 从预处理工艺开始研发之日起,几十年来广泛用于灰铸铁的预处理剂是碳化硅,主要是碳化硅含量75%左右的冶金碳化硅。今后,随着对预处理作用机制的认识逐渐深化,当然会不断有效果更好的新品种问世。
  碳化硅是将硅砂和焦炭(或石油焦)置于电极加热的电阻炉内,在1450~1900℃的高温下,由碳将SiO2还原而制得的。在制造、破碎、烧结过程中,SiC表面都会形成很薄的SiO2保护膜。一般的碳化硅,都含有5%左右的游离SiO2,这也就是SiC抗氧化能力特别强,能用作耐火材料和电热组件的原因。
  碳化硅溶于铁液后,游离SiO2以非常微细的颗粒分散于铁液中,对于异质晶核的生成非常有益。国外有研究者认为,碳化硅的预处理作用主要在于含有这种游离SiO2。
  碳化硅的熔点很高,在2700℃以上,2600℃以下相当稳定。在熔炼铸铁的温度下,烧损量很少,而且不可能‘熔化’,只能逐步‘溶解’、扩散,因而其作用的时效相当长。
  碳化硅加入后需要一定的时间使之溶于铁水,而且需要搅拌,以加速其溶解。用感应电炉熔炼时,可在出铁前将预处理剂加入炉中。考虑到碳化硅的密度低,约为3.2%~3.3%,熔清后加入,易浮在液面,还是随固体炉料一并加入为好。
作为预处理剂,碳化硅的加入量一般为金属炉料的0.5%~1%。由于预处理的效果受铁液的成分、炉况条件以及作业方式等多种因素的影响,铸造厂最好是通过试验,求得适合企业具体条件的最佳用量。

  (2)预处理剂的发展 十多年前,瑞典Elkem公司基于T. Skaland等人对铸铁中石墨生核进行的研究工作,考虑到Al、Ca、Zr等元素的硫化物、氧化物,都是异质晶核中的主要组成物,研制了一种新型预处理剂“Preseed”,其化学成分如下:
Si  62%~69 %,Ca 0.6%~1.9 %,Zr  3.0~5.0 ,Al   3.0%~5.0%。
           
  据称这种预处理剂的效果很好,用量比碳化硅少得多,只是金属炉料的0.1%左右。
  此外,也有用晶态石墨作预处理剂的报道。