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铸铁熔炼程序

日期:2022-12-26    浏览次数:    

       除高合金铸铁及铝铸铁之外,铸铁可视为以Fe-C-Si为基体的合金。对于铸铁溶液而言,其主要成分碳和硅对于氧的相互作用以及氧对铁液形核的状态的作用,对于铸铁的组织和性能都是至关重要的。含氧量及温度制度(温度及其随时间的变化状况)对于控制液态金属质量是非常重要的因素。铸铁熔炼必须建立能够使氧的特性发挥作用的冶金熔炼制度。

1. 氧在铁液中的作用及其对铸铁质量的影响
       铸铁中含氧量一般较低,灰铸铁和球墨铸铁液态金属的含氧量在20~150ppm,通常为40~60ppm,而球墨铸铁球化处理后将降到10ppm。含氧量非常难于测量和调整,目前较多采用的是真空熔化法或离子活化法,它们是将铁液取样凝固后再重熔分析,测得的含氧量即为总含氧量(全氧量),包括化合状态的氧(合金氧化物,如SiO2等)及溶解状态的氧。利用氧浓度差探头测氧的方法直接测定金属液中的溶解氧量。

       含氧量取决于原材料和熔炼程序,生铁、废钢、铁合金的含氧量不同,材料表面锈蚀的程度也会对此产生影响。铁合金的最小含氧量为15ppm,这一含量可增至20ppm。

       铸铁铁液是一种氧过饱和且一定程度偏离氧平衡状态的Fe-C-Si-O熔液,其中与溶解氧的反应对于铸铁的冶金特性具有决定的作用。氧在铸铁中的溶解度与铁液中的氧、碳和硅之间的平衡有关。

       在熔炼过程中,通常铁液处于空气环境下,气态氧始终对铁液起作用。有关氧化反应的自由焓与温度的关系决定了Mg、Al、Si、Mn和C对氧的亲和力均比Fe大,氧化反应也就是按此顺序进行。碳的氧化自由焓与温度的关系与众不同,因而导致其与其他元素的氧化自由焓线相交。达到转化点温度(平衡温度)时,如果忽略动力学的影响,则一个元素的氧化由另一个元素的氧化来代替,而在转化温度时,两个反应进行的能力相同。

       实际铁液中合金元素系以溶解状态存在,因此,在定量分析中必须考虑采用活度(浓度)。即使如此,在我们关切的温度范围内,虽然铁液中碳和硅含量较低,它们对氧的亲和力仍比铁大得多。

       氧首先在铁液中吸附、溶解,直到饱和,然后与其亲和力最强的那些元素反应当铁液温度高低不同时,硅或碳与溶解氧反应,分别生成相应的氧化物。

       温度较低时,溶于铁液中的氧与硅发生反应:                                                                                                                                       



       温度较高时,溶于铁液中的氧与碳发生反应: 
                                                                                                                                         


       在C-Si平衡温度TG(下同)时,氧同时与碳和硅反应。上述反应生成一种作为新相的氧化物(固态SiO2和气态CO),这个过程很难自发产生,需要在高温时才能进行或达到平衡。因此,偏离平衡状态是铸铁铁液冶金特性的表征。

       在平衡温度TG以下时,铁液由液态金属和析出的固态SiO2颗粒构成的悬浮液。通常都为达到平衡状态,SiO2浓度和含氧量都高于平衡值,铁液中的氧过饱和。在这个温度范围内铁液中溶解的含氧量一般会急剧增加;

       在平衡温度TG以上时,铁液通常为CO或[O]过饱和。在加热时,溶解的氧量也要增加。这种增加比在平衡温度以下的增氧要少得多,但比相应平衡状态要多得多(过饱和);

       铁液在平衡温度TG以上较高温度,特别是在很高温度长时间保温(过热)后,溶解的氧量便会急剧减少,而向真正的平衡位置移动。

       图-1给出了铁液中的含氧量与温度的关系(阴影区),试验结果明显地反映出氧的不同浓度范围,在出现最大含氧值的温度范围内,熔液吸氧的能力特别大。对于铸铁铁液而言,最大含氧量的温度范围是1450~1470℃,与平衡温度TG的 1380℃相比,过热温度约为70~90℃。

图-1铁液中含氧量与温度的关系

       除温度外,熔池状况、吹气净化和加入氧化剂等也会促使含氧量减少。在生产实践中,随配料和熔化条件的不同铁液氧溶解量会有不同的差异,其含量可以用氧浓度差探头准确测定。

2 .铸铁孕育理论
       铸铁孕育的目的是在灰铸铁中获得均匀分布的A型石墨,并在球墨铸铁中获得大量细小的球状石墨。为此,铸铁结晶时,只有当SiO2表面是晶质时,才能够作为有效晶核而促使石墨析出,适于石墨生长;如果SiO2晶核表面熔结,造成晶核结渣或老化,便会使SiO2失去晶核作用,不能促使石墨析出。因此有效的石墨晶核必须是具有晶质表面的SiO2晶核,而不是具有熔结、渣化表面的SiO2,这是获得优质孕育铸铁的核心问题。

       铁液在平衡温度TG以下冷却都会形成SiO2微粒,这些微粒可作为石墨核心。随着时间的推移,SiO2晶核的表面可能由于FeO的媒介作用产生熔结层,甚至液化(例如与FeO反应生成2FeO·SiO2或与MnO反应生成2MnO·SiO2等),因此失去晶核作用。由于连续吸氧,加速了SiO2晶质的破坏,氧和Fe、C、Si、Mn等元素反应形成氧化物,因而铁水中含氧量减少,由于FeO -SiO2反应的可能性大,SiO2晶核表面因而遭受破坏或老化。

有效的孕育处理条件是:
(1)在平衡温度TG以上经过短时过热,以减少失效的SiO2晶核,这一过程减少SiO2,而不会减少CO,铁液仍保持CO或[O]的过饱和,从而确保了随后的冷却过程中生成许多的SiO2晶核。

(2)在平衡温度TG以上长时间过热,铁液因CO挥发而贫氧,使得铁液冷却过程中只能形成极少的SiO2晶核,铁液只有在一定的过冷后才开始结晶,形成过冷组织。这种情况(过烧)下,用孕育处理不会有效果,因为对于形成足够多的SiO2有效晶核来说,铁液缺乏氧源。

(3)加入合适的孕育剂。

(4)在结晶前尽量短的时间里加入孕育剂,避免铁液结晶前新形成的SiO2晶核使晶质表面不被破坏。

       总之,铸铁铁液的冶金特性以产生新相(固态SiO2和气态CO)为标志,其反应的进程有O-Si或O-C反应的自由焓确定。为熔炼合乎要求的组织和性能的铸铁,必须要控制好上述冶金反应,熔制适量过饱和溶解氧的铁液,以加强孕育效果,获得最佳的铸铁组织。

3. 铸铁感应炉熔炼制度
      为获得最好冶金质量的金属液体,制定对质量有决定作用(均匀化、氧化膜形成形核条件)的熔炼规范,参见表7-1铸铁感应炉熔炼制度原则。

表7-4 铸铁感应炉熔炼制度原则

                                                                                                                                                             (续)

铸铁熔炼需执行以下基本冶金处理程序:

(1)提高冶金质量意味着液态金属含有较多数量的有效结晶核心,进行有效的冶金处理使得金属洁净(去除氧化物和其他杂质)。

(2)铁液的氧含量及熔炼温度决定了铸铁冶金质量,密切关注整个熔炼过程中铁液的化学成分和温度状况及C-Si平衡温度十分必要。

(3)首次金属熔炼时,生铁尽可能在后期加入(对能源消耗不利)直到温度升至TG附近。

(4)测量、计算化学成分,调整加入材料,以获得需要的出铁化学成分。

(5)加入调整材料后,过热到TG以上70~90℃,以控制氧含量并洁净金属。三角激冷试片试验或冷却曲线测试可确认液态金属的质量,如果质量过低,必须立即进行特殊处理。

(6)调整到出铁温度稍作短暂静止后出铁。

(7)熔炼必须在封盖中进行,这不仅仅是减少能源损失,也是避免金属过度氧化。通常电炉封盖熔炼的氧含量在40~60ppm,而开放熔炼氧含量范围可能可达到20~150ppm。

       如果熔炼中出现搭桥棚料现象会造成搭桥下面的金属过热,铁液质量会下降严重。

摘自现代铸铁技术 



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