铸造合金及其熔炼(铸钢及其熔练)

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第三章 铸造合金及其熔炼
3）其它辅料 有氧化剂、还原剂 （脱氧剂）、增碳剂和造渣剂等。 电弧炉用的氧化剂有铁矿石和氧气； 还原剂有锰铁、硅铁、铝、焦炭等；增 碳剂有碎电极、焦炭及专用商品增碳剂； 造渣剂有石灰石、石灰和氟石等。 所有炉料应分类妥善保管，严防混 杂和潮湿。
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第三章 铸造合金及其熔炼
第三节 铸造非铁合金及其熔炼
一、铸造铜合金 1. 铸造青铜 （ 1 ）铸造锡青铜 锡青铜具有良好的耐磨性、耐蚀性， 同时还具有足够的强度和一定塑性，常用于制造耐磨和耐 蚀零件，如轴套、轴瓦和要求耐蚀的管配件、阀门、泵体 等。铸造锡青铜的锡的质量分数一般在4%～10%范围内。增 加锡量，使塑性下降而强度增高。锡量较高，易产生“锡 汗”。 锡青铜不易形成集中缩孔，所以不用很大的补缩冒口。其线 收缩率不大，铸件变形、缩裂的倾向较小。 为了进一步改善锡青铜的性能，常加入一些锌、铅、磷、 镍等元素。 铸造锡青铜的牌号、成分及性能见表2-11。
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第三章 铸造合金及其熔炼
装料完毕，盖好炉盖，检查无误即可通电熔化。炉料的 熔化过程是电极下面的炉料先被熔化，形成三个熔井，随后 电极不断向下移动，炉料不断熔化，经15～25min即达最低位 置，形成三个小井，即所谓“穿井”。随着熔化的进行，炉 底钢液液面上升，电极也应相应地向上回升。于是电极周围 的炉料就会塌落下来，即所谓“塌料”。这样，炉料被逐渐 熔化。为加快熔化过程，可以人工用耙子将边缘离电极较远 而不易被熔化的炉料推到电极下面，这种操作称为“推料助 熔”。在炉内有一定钢液后，也可采取“吹氧助熔”的方法 来加速炉料的熔化。吹氧压力一般控制在0.5MPa左右。吹氧 管从炉门插入钢液内吹氧，但不能深入到炉底或靠近炉壁以 防损坏炉衬。 在熔化过程中，应造好炉渣。目的是为了覆盖钢液，避 免钢液直接暴露在电弧下而吸气和氧化，并在熔化期就能够 脱去一部分磷，同时可稳定电弧。
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第三章 铸造合金及其熔炼
电弧炉熔炼是利用电极与金属料之 间放电产生的电弧所发出的热量来熔化 金属料和使钢液进行过热的。铸钢车间 使用的多是三相电弧炉。我国目前使用 的电弧炉最小容量为0.5t，最大容量可 达100t。 三相电弧炉主要由炉体、炉盖、电 极、电极升降与夹持机构、倾炉机构、 电气装置和水冷装置等构成。见图3-16。
δ （ %）
18 16 14 13 12 10 8 6
ψ （ %）
35 35 35 35 30 25 22 20
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第三章 铸造合金及其熔炼
常用的一些特殊铸造高合金钢有不锈耐 酸钢（如 ZG1Cr17 、 ZG1Cr18Ni9Ti ）、 耐磨高锰钢 （如 ZGMn13-1 ）、耐热钢 （如ZG35Cr26Ni12）等。
第三章 铸造合金及其熔炼
（2）碱性电弧炉炼钢工艺过程 在炼 钢工艺上有两种基本方法，即氧化法和 不氧化法。两种方法的区别在于是否有 氧化期。此外，还有一种从氧化法演变 出来的方法叫吹氧返回法。铸钢车间炼 钢一般采用氧化法。 氧化法炼钢的工艺过程包括补炉、 装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢。
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第三章 铸造合金及其熔炼
1—炉体 2—出钢槽 3—炉盖 4—电极夹持机构 5—电极 6—电极升降机构 7—变压器 8—倾炉机构
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图3-16 三相电弧炉结构
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第三章 铸造合金及其熔炼
2. 铸钢的熔炼操作 电弧炉按照所采用炉渣和
炉衬耐火材料的性质分为碱性电弧炉和酸性电弧炉。 碱性电弧炉具有较强的脱磷和脱硫能力，对炉料的 适应能力强。铸钢多用碱性电弧炉炼钢。 （1）炼钢材料 炼钢所用的材料主要分耐火材 料、金属炉料和其它辅助材料。
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表3-14
化学成分（ %） （不大于） 牌 号 S ZGD270 -480 ZGD290 -510 ZGD345 -570 ZGD410 -620 ZGD535 -720 ZGD650 -830 ZGD730 -910 ZGD840 -1030 0.035 0.035 0.04 0.04 P
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第三章 铸造合金及其熔炼
4）氧化期 氧化期的主要任务是脱磷， 去除钢液中的气体和夹杂物，并提高钢液的 温度。 5）还原期 还原期的任务是脱氧、脱硫 和调整钢液温度及化学成分。 6）出钢 出钢时要求钢液流柱要粗，不 能散流，而且要使钢液与炉渣一起出到盛钢 桶中（即所谓“大口出钢”、“钢渣混 出”）。钢液全部倾出后，在钢液表面盖上 保温材料，镇静5min后开始浇注。
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第三章 铸造合金及其熔炼
2）装料 补炉完毕，即可装料。一 般小容量电弧炉由人工进行装料，3t以 上的电弧炉用料罐从炉顶装料。在往料 罐中装料时，需要合理地布置炉料。原 则是尽量多装料并使炉料熔化快，炉料 要装得紧密，以利于导电和电热。 3）熔化期 熔化期的任务是将固体 炉料熔化成钢液，并进行脱磷。
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表3-12
铸钢牌号 ZG200 -400 ZG230 -450 ZG270 -500 ZG310 -570 ZG340 -640
第三章 铸造合金及其熔炼
一般工程用铸造碳钢的化学成分的上限值（质量分数） （%）
C 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.6 0.5 0.9 0.04 0.3 0.35 0.3 0.2 0.05 Si Mn 0.8 S P 残余元素 Ni Cr Cu Mo V
ZCuS n 10 P1
—
—
0 .5～ 1 .0
—
其余
ZCuS n 10 Pb5
— 1 .0～ 3 .0
4 .0～ 6 .0 —
—
—
其余
ZCuS n 10 Zn2
—
—
其余
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第三章 铸造合金及其熔炼
（2）铸造铝青铜 铝青铜是应用最多的一种无锡青 铜。其铝的质量分数通常为6%～11%。随铝量的增 加，合金的强度、硬度提高，而塑性下降。 铝青铜比锡青铜有更高的力学性能，更好的耐磨 性和耐蚀性。常用于制造在高负荷、高速条件下工 件的耐磨零件，如轴套、齿轮、蜗轮等。 两元铝青铜在缓慢冷却的情况下，易产生“缓冷 脆性”，在砂型铸造厚大铸件时，显得特别突出。 加入锰、铁、镍可以防止缓冷脆性。 铝青铜的结晶温度范围小，属于层状凝固，流动 性好，体积收缩大，易形成集中缩孔，采用大冒口 补缩能够获得组织致密的铸件。铝青铜易氧化和吸 气，铸件易产生夹渣和气孔。
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第三章 铸造合金及其熔炼
第二节 铸钢及其熔练
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第三章 铸造合金及其熔炼
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一、铸钢
第三章 铸造合金及其熔炼
铸钢的碳的质量分数小于 2.14%，硅、锰、磷、 硫等元素含量一般比铸铁少。 铸钢在强度和韧性方面比一般铸铁要高得多， 常用于承受重载荷和冲击作用的工作条件。铸钢 具有焊接性，不仅有利于缺陷的修补，而且能够 采用铸焊结合的方法，将一些重型、复杂铸件分 段铸造，然后焊成整体。铸钢与锻钢相比，用铸 造方法能够生产出结构非常复杂的零件或毛坯。 但铸钢熔点高，铸造性能差，生产工艺和熔炼设 备复杂，对原材料要求高。虽然如此，铸钢仍是 一种优良的结构材料，在工业上应用极广。
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表3-13
铸钢牌号
第三章 铸造合金及其熔炼
一般工程用铸造碳钢的力学性能
最 小 值 根据合同选择其一 冲击韧度 A kv /J 30 25 22 15 10 伸长率 断面收缩率
屈服强度 抗拉强度 σ s或 σ 0 .2 / σ b/ MPa MPa 400 450 500 570 640 200 230 270 310 340
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第三章 铸造合金及其熔炼
铸钢按化学成分可以分为铸造碳钢和铸造 合金钢两大类。 1. 铸造碳钢 根据含碳量的不同，铸造碳钢可 分为低碳钢、中碳钢、高碳钢三种。其中中 碳钢应用最多。一般工程用铸造碳钢的化学 成 分 见 表 3-12 、 力 学 性 能 见 表 3-13 （GB11352-1989）。
第三章 铸造合金及其熔炼
铸造锡青铜
力学性能 铸造 方法 S J S J S 、J Li 、 La S J Li La S J S J Li 、 La （不小于） σ b/ MPa 175 215 175 215 200 250 220 310 330 360 195 245 240 245 270 120 140 140 90 100 130 170 170 170 σ 0 .2 / δ5 HBS MPa （ %） 8 10 8 10 13 13 3 2 4 6 10 10 12 6 7 590 685 590 590 590 635 785 885 885 885 685 685 685 785 785 Cu 其余 其余 其余
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二、铸钢熔炼
第三章 铸造合金及其熔炼
1. 铸钢熔炼设备 铸钢车间所用的炼钢设 备有电弧炉、钢包精炼炉、平炉、感应电炉 及等离子电弧炉等。感应电炉及等离子电弧 炉主要用于熔炼高级合金钢及高温合金，用 来浇注要求较高而且比较复杂的铸件。电弧 炉在铸钢车间使用最广，它熔炼速度快，钢 液温度高，而且容易控制，有良好的脱磷、 脱硫条件，可以熔炼出质量较高的碳钢和合 金钢，适宜于浇注各种类型的铸件。
δ （ %）
25 22 18 15 10
ψ （ %）
40 32 25 21 18
ZG200 -400 ZG230 -450 ZG270 -500 ZG310 -570 ZG340 -640
α k/（ J/cm2 ） 60
45 35 30 20
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第三章 铸造合金及其熔炼
2. 铸造合金钢 为了改善和提高铸造碳钢 的某些性能，在铸钢中加入一种或几种合金 元素，即为铸造合金钢。常用于加入钢中的 合金元素主要有铬、钼、镍、钨、钴、铝、 钒、钛、硼等，当锰的质量分数大于0.8%、 硅的质量分数大于0.4%也为铸造合金钢。按 加入合金元素的含量多少，铸造合金钢可分 为低合金钢、中合金钢、高合金钢三种。 一般工程与结构用低合金铸钢的化学成分 及力学性能见表3-14（GB/T14408-1993）。
第三章 铸造合金及其熔炼
一般工程与结构用低合金铸钢的化学成分及力学性能
力学性能 （不小于） 屈服强度 抗拉强度 σ s或 σ 0 .2 / σ b/ MPa 270 290 345 410 535 650 730 840 MPa 480 510 570 620 720 830 910 1030 伸长率 断面收缩率
第三章 铸造合金及其熔炼
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1）补炉 一般每炼完一炉钢以后， 在装料前，照例要进行补炉。目的是修 补侵蚀和损坏的炉衬。补炉材料用卤水 镁砂。补炉工具和方法一般为大铲贴补、 铁锹投补或用机械化设备补炉。出钢后 打开炉门，升起电极，立即扒净残钢、 残渣，迅速进行补炉操作。补炉操作的 要点是：炉温高、操作快、补层薄，以 利于补炉材料的烧结。
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表2-11
牌 号 Sn ZCuS n 3 Zn8 Pb6 Ni 1 ZCuS n 3 Zn11 Pb4 ZCuS n 5 Pb5 Zn5 2 .0～ 4 .0 2 .0～ 4 .0 4 .0～ 6 .0 9 .0～ 11 .5 9 .0～ 11 .0 9 .0～ 11 .0 Zn 6 .0～ 9 .0 9 .0～ 13 .0 4 .0～ 6 .0 Pb 4 .0～ 7 .0 3 .0～ 6 .0 4 .0～ 6 .0 P — — — Ni 0 .5～ 1 .5 — — 化学成分（质量分数 %）
1 ）耐火材料 碱性电弧炉的耐火材料主要是镁 砖和镁砂，用来砌筑、打结和修补电弧炉炉衬。 镁砂用的粘结剂是焦油沥青或卤水，一般打结炉 衬时用焦油沥青，修补炉衬时用卤水。
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第三章 铸造合金及其熔炼
2）金属炉料 电弧炉炼钢的金属材 料包括废钢、生铁、废铁，铁合金和脱 氧剂等。
①生铁。为炼钢生铁，要求磷的质量分数小 于0.1%，硫的质量分数小于0.05%。 ②废钢。因一般废钢来源复杂，应分类保管， 以便在配料时能合理地利用各种合金元素。 ③铁合金。作为合金元素添加剂，用于调整 钢液的化学成分。有硅铁、锰铁、铬铁、钼 铁、钛铁、钨铁和钒铁等。