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铸造技术三十四:增碳剂在铸造中的使用

发布人:    时间:2019-12-23

灰铁废钢的加入量要根据各生产厂对废钢纯净度和对成本的酷毙而定。受生铁成本价居高不下的影响。现在许多企业基本不使用生铁,铸造中全部采用废钢加一部分的回炉料。而大部分的企业是将废钢的加入量控制在40%左右。

由废钢原料进灰铁的铸造生产,增碳是工艺中重中之重。所以,选择与废钢类型相匹配增碳剂就显得尤为重要。现在市场中的增碳剂质量参次不齐。好的增碳剂能起到稳定增碳、促进吸收的效果。但是增碳的比例,则要根据废钢成份而定。

增碳剂在灰铁铸造中需要注意的事项

1.增碳剂的成分,应该以氮含量的成分多少来区分。以感应炉加入50---60%以上的废钢,熔炼合成铸铁而论,废钢加入量越大,铁水氮含量也越大。由于合成铸铁铁液中的钛、铅、锑等有害元素低,所以应该使用低氮的增碳剂。如果增碳剂氮含量较高,则容易使铸件出现氮气孔。一般而言,低端增碳剂含氮都比较高。

由于铁水中钛的含量很低,不可能用Ti消耗大量的氮,使铸件容易因为氮含量太高而出现氮气孔,裂隙状氮气孔或者有关缺陷。这种现象,已经在我以前工作过的单位发生,许多专家在其发表的文章中也谈过,增碳剂质量不好带给他们的重大损失,特别强调合成铸铁熔炼,关键在使用质量好的,氮含量低的煅烧石油焦。很多铸造朋友以为,增碳剂硫量较高,不会影响普通灰铁(孕育铸铁)的质量,但是增碳剂硫量高,伴随着其中的氮也会很高,带来质量问题。

   2.国际上增碳剂标牌注名只有高氮,中氮,低氮三种之分,增碳剂的氮含量是非常重要的指标!目前国内对铸造使用增碳剂尚没有建立标准,普通煤,没有煅烧的石油焦氮含量很高,一般超过500-4000PPM(0.05-0.40%)。经过高温煅烧的石油焦,氮含量一般小于300PPM,但是供应商生产增碳剂时,煅烧温度等等控制措施不同,氮含量也有不同,特别是氮含量的检测,很多工厂不具备,造成工厂验收比较盲目,只是看碳的石墨化成度,以增碳剂颗粒在白纸上书写,手感舒适,笔画清晰与否来判断。最好的石油焦增碳剂氮含量小于100PPM。

   3.当然各种增碳剂在国内还在逐步适应,特别是高氮增碳剂,牵涉铸件成本,也在大量使用,石墨化不好的石油焦,精煤等等,这些低端产品针对什么铸铁熔炼使用?是否是高含钛铸铁使用?还是铁水在熔炼保温中,气体排出?还需要今后逐步获得经验。石墨化不好的增碳剂,加入铁水,一是吸收率低,(只达40-60%),二是吸收速度慢,三是炉内产生渣子多。容易使铁水氮含量超标,产生氮气孔。有时没有出现大量气孔缺陷,其中原因,估计与铁水中鈦,镐等元素有关,这些元素与氮亲和力较强,希望大家注意,逐步总结经验。

   4.增碳剂的加入方法,在做合成铸铁时,增碳剂加入量很大,在电炉熔炼加料前期或中期都可以加入,和废钢同时加入,同时配合加入碳化硅。其中牵涉到熔炼后期加入量,起到预处理,增加石墨核心作用,这时必须加入氮含量低的增碳剂,加入量最好不要太多,不要超过0.2%,避免石墨粗大。最后补充增碳剂,理想铁水温度在1500度左右,加在扒净渣子的干净液面,几分钟之后,温度合适就可以出炉,不要理会液面没有吸收的残余增碳剂,因为它在出炉铁水的冲击搅拌过程中,也可以起到孕育作用。

   5.氮含量高的增碳剂,在熔炼灰铁铁水时,极易产生氮气孔缺陷,对球铁铁水,氮气孔缺陷也有出现,几率比灰铁较低,估计是因为球化剂里面有稀土等除气元素起了作用。


关于灰铸铁中的氮含量问题

1. 03年开始,日本人对冲天炉熔炼灰铁300铁水,要求不定期检测氮含量,当时检测的氮含量一般在100-120PPM。为什么日本人检测氮?当时很多中国铸造人都不清楚,很盲目。

2. 06年初,日本工厂新建工厂开始试生产,使用感应电炉熔炼,而老厂依然使用冲天炉熔炼。在新厂的整个试生产期间,电炉使用的生铁,废钢等原材料与老厂完全一样,成分控制也基本相同,但是灰铁300力学性能却低于老厂冲天炉的性能。

3. 追查原因,大家从孕育,增加硫含量,等措施之后,依然没有改善,最后只好降低碳含量,来提高电炉灰铁300的力学性能。见光谱仪分析结果。即冲天炉碳从3.2-3.2%改成电炉2.9-3.0%。其余成分不变。

4. 我把这个工厂一个月期间,新,老厂光谱仪化验结果做了对比,发现冲天炉钛含量一般低于0.025%,而电炉钛含量在0.04-0.06%。钛含量不同是表面现象,实质问题是钛高,结合了强化灰铁基体的氮,影响了力学性能。之后一直就把灰铁钛作为控制的主要元素来对待,去分析一些质量问题。

5. 普什铸造的工作经历。

6. 08-09年,和美国GE公司讨论生产灰铁汽缸体铸件,美国人也要求铁水检测氮和其他微量元素,如钛,铅等等。其中钛要求小于等于0.025%,氮含量要求60-120PPM。这些要求和自己熔炼灰铁的经验,即从冲天炉转变成电炉熔炼后,遇到的问题相符。

7. 灰铁熔炼从冲天炉转向电炉之后,非合成铸铁配料,同样原材料,碳当量一样,电炉铁水强度性能总是不如冲天炉高,细查原因,在冶金原理上有不同,却没有任何资料可以学习和介绍,但是从成分上看,可以查出微量元素含量不同,特别是钛含量不同。冲天炉铁水钛含量与美国人要求一样,有时还更低,一般小于0.025%,而电炉铁水钛含量一般都在0.04-0.05%以上。之后学习,知道钛强烈结合氮,而氮可以强化基体,是影响灰铁强度的因素之一,而冶金质量不同,还没有可靠的解释。

8. 现在,国内专家在铸造技术会议上多次谈到,在灰铁中,要把氮作为合金元素来对待,使大家逐步认识到影响氮的合金元素,钛,甚至锆,都要注意控制。在铸铁中,随着氮含量增加,铸铁强度增加,直至含量超过150PPM以上出现气孔为止,铸铁强度提高很多。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。

9. 氮对灰铸铁抗拉强度的影响含量

氮含量

抗拉强度MPa

PPM

1

0.008%

287

80

2

0.010%

305

100

3

0.014%

328

140

4

0.015%

361

150

该试验以加入氰化钠改变铁水氮含量,以0.3%硅钙孕育。

10. 大量合成铸铁配料在电炉熔炼灰铁中使用,以增碳剂配料加入,增加铁水碳含量,而带来铁水氮含量大大增加,特别是不好的增碳剂,氮含量极高,同时废钢加入很多,铁水氮含量综合累积,(加上孕育,树脂砂型芯)使铸件出现氮气孔问题,也在影响铸件质量。很多文章介绍他们在解决氮气孔缺陷时,加入钛或者锆的合金,成功克服了灰铁铸件的氮气孔,但是从氮增加铸件强度方面来看,加上目前大量铸造企业准确分析铁水氮含量困难,最终控制铁水氮在合理的含量不足,也存在问题。

下面是最近看见章舟老师的一本书中介绍增碳剂的成分。里面谈到含有氢,氧有新意。

1.氮含量过高,引起铸件产生气孔。氮进一步增加,出现裂隙状氮气孔。当然实际铸造,熔炼过程难免有其他气体溶入铁水,一旦有氢溶入,则产生气孔缺陷的氮最高含量要降低。一般要求氮含量不要超过120PPM。氮含量越高,灰铁强度越高,直至最后因气孔出现,强度突然降低。虽然氢含量同时作用,产生气孔缺陷,但其在铁水中的最高允许含量比氮含量低一个数量级,灰铁中主要引起气孔缺陷的,还是氮。

2. 国外铸件采购客户,在十多年前就要求检测灰铁中的氮含量,现在这些客户把灰铁铁水中氮含量检测要求,更加频繁。牧野机床铸件采购日本人,现在要求这个铸造工厂每月检测一次铁水氮含量。目前,大量灰铁铁水是以感应电炉熔炼,配料则多以合成铸铁,多加废钢和高温煅烧石油焦增碳剂,少用生铁配料。这种熔炼工艺情况下,一般氮含量在80-90PPM左右。

3. 今年6月份,在河南新乡一个铸造工厂,看见他们把检测灰铁氮含量,也作为常规检测。但是他们的氮含量经常在40-60PPM,感觉偏低。可是他们的灰铁力学性能也没有遇到很大问题。我曾经以60%废钢,30%回炉料,10%生铁配料合成铸铁,灰铁300.以前一直很稳定,钛含量一般小于0.025%左右.但是在一个常年使用硅-锆孕育剂的工厂,则连续2-3炉铁水力学性能不合格。(碳3.0,硅孕育前1.4,钛0.02)。而取消硅锆孕育剂,以硅-钡-钙孕育剂代替后,力学性能一下从270跳到350MPa。当时不知道原因,几天之后,在青岛一个铸造会议上,遇见张文和老师,他解释说:锆的固氮作用比钛还要强,这才明白过来。这方面的认识,目前看还很粗浅,很多熔炼实际情况,影响因素很多,还有不同结果,需要继续学习认识。(见照片新乡氮含量)

4. 氮含量对灰铁力学性能有影响,但是很多实际情况难以解释。a.氧氮仪分析结果是全氮含量,而对力学性能有影响的是溶解氮,化合氮影响小(王云昭老师要求查清氮分析,与力可技术人员交流是全氮含量,烟台52分所把试样送宁波兵器部52所总部,使用美国力可氧氮仪分析,热导法,全氮含量)。b.大多数工厂化验氮含量手段不具备,偶有铸钢工厂光谱仪有氮通道,可以分析氮,准确度有问题。c.硅,钛,锆等等与氮化合的微量元素,对灰铁性能影响的机制,原理不清楚。生产实际中数据积累和试验研究不足。d.个人经历,钛高于0.05%肯定明显影响灰铁力学性能。锆也严重影响。(举例海阳北方机械工厂试验合成铸铁。碳3.0%硅1.4%,孕育后1.7%,钛小于0.02%)(南方知名铸造工厂,废钢90%,回炉料10%试验合成铸铁,有详细报告给我,钛含量非常低,力学性能勉强合格,估计使用了含锆的随流孕育剂)。

5. 最近看了庞凤荣老师组织翻译,王云昭老师审校的日本人写的“反应论铸铁学”,书中看到专门有一章节谈铸铁中氮的行为。日本人,美国人都在十几年前就注重铸铁中氮引起性能变化和影响,我们国内现在已经开始注意了。王云昭老师在今年五月“铸造工业”技术会议上提出,要把氮作为铸铁中的合金元素来对待。根据王云昭老师的要求,我在会议之后,去烟台这个铸造工厂,追查铸铁氮含量的分析情况,结果是分析的氮是全氮含量。铸铁里面的氮含量包括溶解氮和化合氮,影响力学性能的是溶解氮,化合氮包括与硅,钛,锆等等的化合物。区别溶解氮和化合氮估计比较困难。

补充内容:

1. 灰铁熔炼从冲天炉转变为感应电炉,简单认识是感应电炉熔炼时间比较长,石墨结晶核心在高温下越来越少,容易形成白口,总的解释是冶金质量不如冲天炉好。但是,具体,详细的理论解释很少,而在两种熔炼设备的微量元素含量不同方面,有不少理论说法。

2. 感应电炉熔炼,对生铁等原材料中的各种元素烧损比冲天炉少很多,即保留了原材料,特别是生铁中的各种微量元素,其中危害元素是钛,铅,碲,等。而冲天炉熔炼,各种元素烧损较大,其中危害元素烧损也较多,为了减少生铁中有害元素对铁水的影响,铸造界现在多以合成铸铁工艺和高纯生铁材料来熔炼铁水。

3. 那么感应电炉熔炼铁水,如何使其冶金特性接近冲天炉铁水?近几年铸造工作者提出以下一些在使用的方法:

a. 感应电炉的功率密度配置比较大,保证熔炼时间缩短,即要快速熔炼。(沧州工厂10吨熔炼要3-4小时)。

b. 严禁铁水在平衡温度以上的高温保温时间过长,减少高温下石墨结晶核心的减少。(二氧化硅微晶问题)。

c. 生产中如果需要把铁水分几次出炉,铁水在炉内保存时间过长,则以增加铁水石墨核心的各种处理措施来对铁水做“预处理”。一般来讲,大件铸造车间,一炉铁水温度成分合格之后,都是马上出炉,或一包出完,或分2-3包出完,马上浇注铸件。而流水线铸造车间,如果炉子配置较大,要分几次出完铁水。(20吨铁水浇注一天。10吨炉子分4次出完,等待1小时多,南方工厂例子,可以看彩色金相照片)。

d. 预处理的操作有各种方法:留部分生铁,回炉料(除锈,除砂)或者0.05%-0.1%(高了影响石墨粗大)的高质量增碳剂,都在熔炼后期加入,目的是增加结晶核心。

e. 铁水温度成分合格,准备出炉前,加入含锆,含钡的预处理剂,或者加入少量细颗粒的冶金碳化硅做预处理剂,再出炉,目的也是增加石墨核心。

f. 灰铁汽缸体,缸盖铸造流水线车间,则是每次从大电炉出铁水之后,马上在炉内加入同牌号的回炉料,降低炉内温度到平衡温度以下,等下一包铁水准备出炉孕育时,再升温至规定温度出炉。这些同牌号回炉料不仅降低了炉内保温温度,同时也有对铁水的预处理作用。万仁芳老师介绍,二汽铸造工厂,都是这么操作。否则铸件要出问题。

g. 介绍 工厂流水线浇注灰铁250汽缸体情况。金相照片。

废钢的分类及物理参数

废钢是在废金属回收中黑色金属废料的统称。它包括废钢、废铁、渣钢、氧化废料等几大类别,有碳素废钢、合金废钢、钢屑、铁屑、氧化屑、轻薄料、钢渣等十几个品种。按不同的规格标准和质量要求合理规划、分清品种,即便于充分利用,又有利于生产。废钢铁按目前的习惯分法大体有四大类十几个品种。

1、废钢类; 2、废铁类;3、氧化废料;4、渣钢。

一、废钢铁的分类

1.碳素废钢

板材厚度2mm以上,线材直径在4mm以上,单重在0.25公斤以上各种碳素废钢。其中包括废次钢材、边角余料、钢制品、铸钢件、废旧机器零件、钢制农具等,不得混有合金废钢。


2.合金废钢

规格要求与碳素废钢相同,包括各种合金钢材边角料、机械零部件、合金钢铸件等。合金钢需按各种不同钢号分开,不得混有碳素废钢。


3.轻薄料

厚度在2mm以下的薄板边角料、硅钢片、铁桶、包装铁皮、汽车驾驶室,直径在4mm以下的废钢丝、铁丝、钢丝绳等。吨收得率在60%以下,转炉钢生产拒绝回吃,一般类似轻薄料、打包、压块等,专供电炉钢生产用,但转炉钢生产应视资源情况而定。


4.钢屑

不得混杂铁屑、无杂质、无氧化块、无有色金属,长短屑分开,碳素钢屑与合金钢屑分开。


5.废灰口铁

废灰口铁铸件,机床床体、低压阀门、钢锭模、沙箱、暖气片等,大小块不分。


6.废白口铁

铁锅、犁铧钢磨等废白口铁铸件,大小块不分。


7.再生铁(俗称土铁)

既高硫铁、土高炉冶炼出来的条块状的生铁,包括土钢锭、铁渣等,大小块不分。


8.火烧铁

经过长期火烧,表面氧化变质的铸铁件,如炉具、炉条、熔炼罐等。


9.可锻造铁(玛钢)

各种管接头、扳手、汽车后桥以及机械上的可锻造铸件等。


10.生铁屑

不得混入钢屑、有色金属及其它杂质,未氧化结块。

    11.氧化铁皮

轧钢厂在轧制钢材过程中以及炼钢厂在清理钢锭摸时脱落的铁鳞,含铁量达到60%以上,无杂质、无结块、无有色金属。


12.铁泥

炼钢厂氧气顶吹转炉吹出的炉尘,研磨厂研磨下来的铁泥,含铁量在55%左右。


13.钢渣

含钢量要求在60%以上,大小不分。


14.一级压块

密度大于1.5t/m3。


15.二级压块

密度大于1t/m3。


16.一级生铁屑压块

密度大于3t/m3。


17.二级生铁屑压块

密度大于2t/m3。


18.一级热压块

密度大于2t/m3、压块氧化过烧不超过5%。


19. 二级热压块

密度大于1.5t/m3、压块氧化过烧不超过1%-15%。


20.轻料手捆

捆紧、装卸车不松、不散、捆的大小能方便入炉填滩料。


二、回炉废钢的验收标准

回炉碳素废钢包括普通碳素废钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢和碳素弹簧钢等。本公司的废钢验收标准,是首钢制定的《企业标准》,既SG/JS010-1996规定:


1.统料废钢

厚度2mm以上,长度不限。

     2.合格废钢

厚度2mm以上,长度700mm以下。


3.精料废钢

厚度4mm以上,长度300mm以下。


4.重型废钢

厚度10mm以上,长度1000mm以下,宽400mm以下。(外廓尺寸≦1000mm×500mm×400mm)。形体为块状,如钢轨、火车轮轴、大型齿轮、钢坯、切头、切尾、铸钢件大型槽钢、工字钢等,都按实际判定为重型废钢,型体外廓尺寸超长判定为超长重型废钢。


5.轻薄料

2mm以下,直径4mm以下的乱丝等。


6.杂铁

指废锅铁,灰口铁、白口铁、铸铁管件等。


7.压块、炒钢等随转炉、电炉钢生产的需要确定标准。

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