电炉熔炼铸铁工艺及常见缺陷防治

电炉熔炼铸铁工艺及常见缺陷防治
一、电炉铸铁炉料配比及合成铸铁
二、在铸造行业，人们常说，铸造材料的成分决定组织，组织左右
性能；这句话其实并不全面。

我们在生产实践中发现许多铸铁，在相同成分时，机械性能却有较大差异。

铁水的质量除与其成
分有关联外，还与炉料配比（生铁用量、废钢用量、返回料用
量、合金加入量），熔化与出炉温度，孕育工艺等有密切关系。

所谓合成铸铁，就是指配料中使用50%以上的废钢，通过增碳
合成的方法制取的铸铁材料，因为需要较高的熔化温度，只宜
在电炉中熔炼。

目前合成铸铁主要有合成灰铁和球铁。

通过大量实践，对于HT250、HT300等高强度灰铸铁来说，废钢左右强度、生铁影响组织.
1、配料禁忌
（1）、高比例废钢（尤其是船板）与高比例回炉料（浇冒口、废铸件、铁屑）搭配，合成灰铁的废钢加入量不宜超过50%；
（2）、高比例废钢（尤其是船板）与含硫磷高的生铁搭配；（3）、回炉料超过40%（浇冒口、废铸件、铁屑）。

2、配料优化组合（%）
组成生铁废钢回炉料：配比A403030配比B304030配比C204040配比D205030
3、锰硫含量
需要提高硬度时锰的含量可达 1.0－1.2%，但不要求相应提高硫的含量（关于灰铁中的硫含量，另行分析）。

某公司为了节约成本，多用废钢，在两个月内试制合成高牌号灰铸铁，废钢用量一度达60%，有一段时间除加入废钢外另加回炉料和少量铁屑，最初质量不错，但一段时间后发现铸件批量缩孔、缩松和有白色硬斑，并且持续不断越来越严重。

此缺陷成因：初步判断是铁水中MnS的含量过高而引起的铸件显微缩孔、缩松，MnS富集形成白色硬斑。

这是由于高牌号灰铁HT300成分要求Mn含量较高（1%左右），加之废钢自身锰也高（船板中的16锰钢含Mn在1.6%），而废钢中的S以及回炉铁（包括铁屑）中的S
和锰反应产生的MnS在炉料中的积累达到一定程度，就会产生过量，从而产生上述缺陷。

为了减少铁水中的MnS含量，一般用加入一定量的优质新生铁（低S低Mn）来调整，另外提高孕育效果，可使MnS细化，减弱其不良影响。

废钢加入量过大时，由于废钢熔点在1530度左右，而生铁和回炉料的熔点只是1230度左右，多用废钢增加了电耗，加大了铁水的过冷倾向，还吸附大量的氮气，一般来说合成铸铁工艺并不适用于灰铸铁，而比较适用于球铁。

二、关于电炉灰铸铁增硫问题
前面已经说过，中频感应电炉熔炼铸铁工艺对比冲天炉熔炼，除了具有熔化温度高的优势外，却有不少缺点，主要有三个方面的问题：一是铁水过冷倾向较大，极易产生影响材料机械性能的D、E型石墨；二是铁水纯净，异质结晶核心较少，导致孕育效果差，在同等成分条件下，铸件强度偏低铁质偏硬；三是收缩倾向较大，在高牌号灰铸铁中锰含量较高时，容易产生显微缩孔、缩松。

针对上述问题，应对的措施是：
1、在熔化后期增加一个高温保持时间，尽可能使各种炉料熔化的铁水晶粒均匀，尤其是细化石墨；
2、适量增加外来异质核心（如硫化物），强化孕育效果，促进A型石墨的形成；
3、控制高牌号灰铸铁的硫、锰含量及其比例，控制回炉料比例，达到合适成分。

这些措施，对不同结构的铸件产品是有差别的，需在实践中掌握。

某公司某日，用电炉熔炼6炉灰铁HT300铁水，浇铸液压阀G03、G02等产品，经解剖内部组织发现大面积显微缩孔、缩松、缩裂，共830只全部报废（见附图）。

检测布氏硬度HBS241，化学成分C3.27，Si1.78，Mn0.83，S0.087，P0.04。

珠光体98%，E形石墨达80%（A 型20%），石墨长度5级。

据有关人员研究分析，应是铁水材质出了问题。

化学成分分析的结果，对一般的薄壁HT300铸件来说似乎是正常的，然而对于液压阀铸件（壁较厚）却出了问题。

此缺陷成因：初步判断是铁水中MnS的含量过高而引起的铸件显微缩孔、缩松、缩裂，也就是说铁水中的S、Mn含量超出铸件所适应的范围（对不同铸件其成分量有差别）。

由于在熔炼中加入了一定量的增S剂，铁水中的S、Mn含量积累达到一定程度，就会导致铁水含S量超出铸件自身正常凝固结晶的要求，从而产生此类缺陷。

对策：停止加入增S剂，调整Mn的含量，保证HT300灰铁的五元素的正常含量，调整后，缺陷全部消除。

在电炉灰铁铁水中通过加入增S剂形成一定量的MnS，作为异质核心，提高孕育效果，这从理论来说是正确的，但是近年来大多数文献资料所说，电炉高牌号灰铁的含S量需控制在0.05-0.10%比较合适，然而许多工厂的实践证明，当含Mn量在1%左右时，若铸件成分分析含S量超过0.05%，铸件就开始产生缩孔缺陷，当含S量超过0.07%时就会发生批量缩孔，这种现象如何解释呢？
灰铸铁中的S有两种存在形式，一种是单质，另一种是化合状态的MnS，灰铁中起结晶核心作用的硫，主要是化合状态的MnS，我们现在的化验手段（无论是化学分析还是光谱分析），都只能分析出铸件和铁水中单质状态的S，而以化合状态（MnS）存在的S是化验不出来的。

当单质S含量超过0.05%时，化合态的S含量就比较高了，此时的铁水中：
MnO+FeS=MnS+FeO，FeO+C=Fe+CO,或2FeO+C=2Fe+CO2
这时铁水在凝固过程中就在析出CO或CO2的同时产生部分棕色的MnS粉沫，形成铁渣反应气缩孔。

只要具备一定的条件，这种气缩孔，不仅在电炉铁水也在冲天炉铁水中发生。

其实我们在电炉熔化过程中，已经增加了一部分硫，这些硫来自于：
1、由回炉的浇注系统带来，浇注系统中的硫磷含量远高于铸件中的含量；
2、生铁中的硫，一般生铁中的硫含量是不高的，而我们购买的普通生铁上面都携带不同程度的炉渣（拉圾），我们是不会化验的，但这些拉圾却含有较高的硫磷，会带入炉内；
3、废钢和生铁等炉料的铁锈，氧化铁含量较高，进入铁水中会增加硫的吸收率。

在这样的情况下，如果我们再补加硫化铁来增S,就过分了。

实际生产高牌号灰铸铁件时，铁水中的单质S控制在0.03-0.05%之间为妥。

三、电炉高牌号灰铁的孕育和变质处理
关于高牌号灰铁（以HT300为例）的孕育工艺，传统的孕育量是处理铁水量的0.3-0.4%（以冲天炉生产为主），近年来随着电炉的普及，孕育量逐渐增加，最新资料推荐0.5-0.6%，本人通过长期实践，选择孕育量在0.8%左右，取得强度硬度和切削加工性能的全面提高，铸件加工后的内部缺陷大幅度减少。

某公司生产高牌号的电磁阀，技术要求铸件硬度大于HB200，强度大于300N/mm2,该产品主要壁厚超过50mm，通过多次试验，在加大一次孕育量的同时，采取二次随流孕育，消除了厚壁带来组织粗大的缺陷，提高了铸件致密度，保证了产品质量。

关于铁水二次随流孕育，在浇注前加入粒度0.2-0.7mm的均匀的孕育剂，比较适用于厚件，而用于小件时反而增大了铁水的收缩性能。

有一个时期，某公司部分产品加工后表面呈现白色亮斑硬度很高，刀具打滑，经分析，原来是孕育剂的块度过大，与铁水包容量不相适合，致使孕育剂在铁水浇注时未能完全熔解,铸件局部硅量富集形成硬化相；当在铁水温度偏低进行二次随流孕育时，也会产生同样的缺陷。

有一家专业生产HT300灰铁液压件的工厂，浇注一种KP泵体，铸件壁厚30mm左右，按照HT300的经验成分配料，铁水成分：C3.0-3.1%，
Si1.7-1.8%，Mn0.95-1.05%，P0.05%，S0.04%，铸件本体解剖抗拉达300N/mm2，但是连续多批产品在内浇口附近发生缩陷和缩裂，无论对浇注系统如何调整，就是不见效果，
没有办法，只能提高碳当量降低强度，调整到C3.2-3.3%，Si1.8-2.0%时，缺陷消失，但产品经加工后试压，大部分产生膨胀渗漏，本体测试抗拉也不合格，造成主机厂批量退货。

联想到以往有一批同类泵体，由于听了别人的建议，用硫铁增S，铁水含S在0.07%以上时，铸件大面积缩孔，积存大量废品，为了处理这批废品，根据稀土脱硫的原理，当加入此类废品时，在孕育过程中补加少量稀土镁硅铁（约0.2%），有效地降低了硫含量，解决了缩孔问题。

针对当时KP泵存在的缩陷和缩裂，虽然原铁水含硫并不高，在孕育时同样试加了少量稀土镁硅铁（约0.2%），也取得了理想的结果，缩孔问题完全解决。

分析其机理，铸铁产生缩陷，主要还是铁水中的气体（包括氧、氮、氢等）作怪，这些气体在凝固后期析出时，铁水无法补充，产生了缺陷，而稀土镁硅铁作为一种灰铁变质剂（也是一种孕育剂），却好是脱除气体的能手，铁水含气量大幅度减少，缺陷也就消除了。