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電爐熔煉鑄鐵生產中,需注意哪些質量相關問題

在鑄造行業,人們常說,鑄造材料的成分決定組織,組織左右性能;這句話其實并不全面。我們在生產實踐中發現許多鑄鐵,在相同成分時,力學性能卻有較大差異。鐵液的質量除與其成分有關聯外,還與爐料配比(生鐵用量、廢鋼用量、返回料用量、合金加入量),熔化與出爐溫度,孕育工藝等有密切關系。所謂合成鑄鐵,就是指配料中使用50%以上的廢鋼,通過增碳合成的方法制取的鑄鐵材料,因為需要較高的熔化溫度,只宜在電爐中熔煉。目前合成鑄鐵主要有合成灰鐵和球鐵。 
  通過大量實踐,對于HT250、HT300等高強度灰鑄鐵來說,廢鋼左右強度、生鐵影響組織。
1.配料禁忌
  (1)高比例廢鋼(尤其是船板)與高比例回爐料(澆冒口、廢鑄件、鐵屑)搭配,合成灰鐵的廢鋼加入量不宜超過50%; 
  (2)高比例廢鋼(尤其是船板)與含硫磷高的生鐵搭配; 
  (3)回爐料超過40%(澆冒口、廢鑄件、鐵屑)。 
2.配料優化組合(%)
  組成生鐵廢鋼回爐料 
  配比A403030 配比B304030 配比C204040  配比D205030
3.錳硫含量
  需要提高硬度時錳的含量可達1.0%~1.2%,但不要求相應提高硫的含量(關于灰鐵中的硫含量,另行分析)。 
  某公司為了節約成本,多用廢鋼,在兩個月內試制合成高牌號灰鑄鐵,廢鋼用量一度達60%,有一段時間除加入廢鋼外另加回爐料和少量鐵屑,最初質量不錯,但一段時間后發現鑄件批量縮孔、縮松和有白色硬斑,并且持續不斷越來越嚴重。
  此缺陷成因:初步判斷是鐵液中MnS的含量過高而引起的鑄件顯微縮孔、縮松,MnS富集形成白色硬斑。這是由于高牌號灰鐵HT300成分要求Mn含量較高(1%左右),加之廢鋼自身錳也高(船板中的16錳鋼含Mn在1.6%),而廢鋼中的S以及回爐鐵(包括鐵屑)中的S和錳反應產生的MnS在爐料中的積累達到一定程度,就會產生過量,從而產生上述缺陷。 
  為了減少鐵液中的MnS含量,一般用加入一定量的優質新生鐵(低S低Mn)來調整,另外提高孕育效果,可使MnS細化,減弱其不良影響。 
  廢鋼加入量過大時,由于廢鋼熔點在1530℃左右,而生鐵和回爐料的熔點只是1230℃左右,多用廢鋼增加了電耗,加大了鐵液的過冷傾向,還吸附大量的氮氣,一般來說合成鑄鐵工藝并不適用于灰鑄鐵,而比較適用于球鐵。
  前面已經說過,中頻感應電爐熔煉鑄鐵工藝對比沖天爐熔煉,除了具有熔化溫度高的優勢外,卻有不少缺點,主要有三個方面的問題:一是鐵液過冷傾向較大,極易產生影響材料力學性能的D、E型石墨;二是鐵液純凈,異質結晶核心較少,導致孕育效果差,在同等成分條件下,鑄件強度偏低鐵質偏硬;三是收縮傾向較大,在高牌號灰鑄鐵中錳含量較高時,容易產生顯微縮孔、縮松。 
  針對上述問題,應對的措施是: 
  1.在熔化后期增加一個高溫保持時間,盡可能使各種爐料熔化的鐵液晶粒均勻,尤其是細化石墨; 
  2.適量增加外來異質核心(如硫化物),強化孕育效果,促進A型石墨的形成;
  3.控制高牌號灰鑄鐵的硫、錳含量及其比例,控制回爐料比例,達到合適成分。
  這些措施,對不同結構的鑄件產品是有差別的,需在實踐中掌握。 
  某公司某日,用電爐熔煉6爐灰鐵HT300鐵液,澆注液壓閥G03、G02等產品,經解剖內部組織發現大面積顯微縮孔、縮松、縮裂,共830只全部報廢。檢測布氏硬度HBS241,化學成分C 3.27%,Si 1.78%,Mn 0.83%,S 0.087%,P 0.04%。珠光體98%,E形石墨達80%(A型20%),石墨長度5級。據有關人員研究分析,應是鐵液材質出了問題。 
  化學成分分析的結果,對一般的薄壁HT300鑄件來說似乎是正常的,然而對于液壓閥鑄件(壁較厚)卻出了問題。此缺陷成因:初步判斷是鐵液中MnS的含量過高而引起的鑄件顯微縮孔、縮松、縮裂,也就是說鐵液中的S、Mn含量超出鑄件所適應的范圍(對不同鑄件其成分量有差別)。 
  由于在熔煉中加入了一定量的增S劑,鐵液中的S、Mn含量積累達到一定程度,就會導致鐵液含S量超出鑄件自身正常凝固結晶的要求,從而產生此類缺陷。對策:停止加入增S劑,調整Mn的含量,保證HT300灰鐵的五元素的正常含量,調整后,缺陷全部消除。 
  在電爐灰鑄鐵鐵液中通過加入增S劑形成一定量的MnS,作為異質核心,提高孕育效果,這從理論來說是正確的,但是近年來大多數文獻資料所說,電爐高牌號灰鐵的含S量需控制在0.05%~0.10%比較合適,然而許多工廠的實踐證明,當含Mn量在1%左右時,若鑄件成分分析含S量超過0.05%,鑄件就開始產生縮孔缺陷,當含S量超過0.07%時就會發生批量縮孔,這種現象如何解釋呢? 
  灰鑄鐵中的S有兩種存在形式,一種是單質,另一種是化合狀態的MnS,灰鐵中起結晶核心作用的硫,主要是化合狀態的MnS,我們現在的化驗手段(無論是化學分析還是光譜分析),都只能分析出鑄件和鐵液中單質狀態的S,而以化合狀態(MnS)存在的S是化驗不出來的。當單質S含量超過0.05%時,化合態的S含量就比較高了,此時的鐵液中: 
  MnO+FeS=MnS+FeO,FeO+C=Fe+CO,或2FeO+C=2Fe+CO2 
  這時鐵液在凝固過程中就在析出CO或CO2的同時產生部分棕色的MnS粉沫,形成鐵渣反應氣縮孔。只要具備一定的條件,這種氣縮孔,不僅在電爐鐵液也在沖天爐鐵液中發生。其實我們在電爐熔化過程中,已經增加了一部分硫,這些硫來自于: 
  1、由回爐的澆注系統帶來,澆注系統中的硫磷含量遠高于鑄件中的含量; 
  2、生鐵中的硫,一般生鐵中的硫含量是不高的,而我們購買的普通生鐵上面都攜帶不同程度的爐渣(拉圾),我們是不會化驗的,但這些拉圾卻含有較高的硫磷,會帶入爐內; 
  3、廢鋼和生鐵等爐料的鐵銹,氧化鐵含量較高,進入鐵液中會增加硫的吸收率。在這樣的情況下,如果我們再補加硫化鐵來增S,就過分了。實際生產高牌號灰鑄鐵件時,鐵液中的單質S控制在0.03%~0.05%之間為妥。 
關于高牌號灰鐵(以HT300為例)的孕育工藝,傳統的孕育量是處理鐵液量的0.3%~0.4%(以沖天爐生產為主),近年來隨著電爐的普及,孕育量逐漸增加,最新資料推薦0.5%~0.6%,本人通過長期實踐,選擇孕育量在0.8%左右,取得強度硬度和切削加工性能的全面提高,鑄件加工后的內部缺陷大幅度減少。 
  某公司生產高牌號的電磁閥,技術要求鑄件硬度大于HB200,強度大于300N/mm2,該產品主要壁厚超過50mm,通過多次試驗,在加大一次孕育量的同時,采取二次隨流孕育,消除了厚壁帶來組織粗大的缺陷,提高了鑄件致密度,保證了產品質量。 
  關于鐵液二次隨流孕育,在澆注前加入粒度0.2~0.7mm的均勻的孕育劑,比較適用于厚件,而用于小件時反而增大了鐵液的收縮性能。 
  有一個時期,某公司部分產品加工后表面呈現白色亮斑硬度很高,刀具打滑,經分析,原來是孕育劑的塊度過大,與鐵液包容量不相適合,致使孕育劑在鐵液澆注時未能完全熔解,鑄件局部硅量富集形成硬化相;當在鐵液溫度偏低進行二次隨流孕育時,也會產生同樣的缺陷。 
  有一家專業生產HT300灰鐵液壓件的工廠,澆注一種KP泵體,鑄件壁厚30mm左右,按照HT300的經驗成分配料,鐵液成分:C3.0%~3.1%,Si1.7%~1.8%,Mn0.95%~1.05%,P 0.05%,S0.04%,鑄件本體解剖抗拉達300N/mm2,但是連續多批產品在內澆口附近發生縮陷和縮裂,無論對澆注系統如何調整,就是不見效果,沒有辦法,只能提高碳當量降低強度,調整到C 3.2%~3.3%,Si 1.8%~2.0%時,缺陷消失,但產品經加工后試壓,大部分產生膨脹滲漏,本體測試抗拉也不合格,造成主機廠批量退貨。聯想到以往有一批同類泵體,由于聽了別人的建議,用硫鐵增S,鐵液含S在0.07%以上時,鑄件大面積縮孔,積存大量廢品,為了處理這批廢品,根據稀土脫硫的原理,當加入此類廢品時,在孕育過程中補加少量稀土鎂硅鐵(約0.2%),有效地降低了硫含量,解決了縮孔問題。 
  針對當時KP泵存在的縮陷和縮裂,雖然原鐵液含硫并不高,在孕育時同樣試加了少量稀土鎂硅鐵(約0.2%),也取得了理想的結果,縮孔問題完全解決。分析其機理,鑄鐵產生縮陷,主要還是鐵液中的氣體(包括氧、氮、氫等)作怪,這些氣體在凝固后期析出時,鐵液無法補充,產生了缺陷,而稀土鎂硅鐵作為一種灰鐵變質劑(也是一種孕育劑),卻好是脫除氣體的能手,鐵液含氣量大幅度減少,缺陷也就消除了。 

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