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熔炼技术的发展与改进——中频电炉在工作中如何节约能源——山东感应电炉

Aug 07,2020

熔炼技术的发展与改进主要围绕提高铁液质量、提高效率、节约能源、改善环境等方面进行。随着康达电炉绿色铸造系统提升工程的实施，一些公司的熔炼方式由冲天炉与感应电炉双联熔炼转变为中频感应电炉熔炼。

中频感应电炉熔炼铁液相对于冲天炉来说有一些明显的特点"，即：中频电炉对环境的污染明显减小，熔炼操作起来较为方便，化学成分、熔炼温度的控制更为精确。但也存在着一些不足，在相同条件下，中频感应电炉熔炼的铁液质量较冲天炉熔炼的铁液质量差，如铁液晶核数量少，过冷度增加，白口倾向大。在亚共晶灰铸铁中，A形石墨数量极易减少，D、E形石墨增加，并且使D、E形石墨伴生的铁素体数量增加，珠光体数量减少；且有较大的收缩倾向，铸件厚壁处易产生缩孔、缩松缺陷，薄壁处易产生白口和硬边等铸造缺陷，如果不对熔炼质量进行控制，会给产品质量带来较为严重的后果。近年来，我国一些铸造厂相继采用了中频感应电炉冶炼铁液，取得了明显的经济效益和社会效益，越来越多的企业加强了对中频感应电炉熔炼的质量控制的研究。

2中频电炉熔炼工艺

2.1原材料控制

进厂原材料必须经过取样分析，不合格原材料绝不投入使用。其一，生铁、回炉料、废钢的化学成分对熔炼铁液质量的影响，主要是对原铁液的化学成分有较大影响，也是直接影响到配料所设置的目标，原铁液化学成分能否精准的关键因素；其二，生铁的品质对熔炼质量的影响。首先是生铁中的石墨片较粗大，给熔炼带来困难，会造成石墨遗传现象，将直接影响铸件的力学性能。由于生铁的品质不同，生铁中的气体、非金属夹杂物及有害微量元素不同会造成铸铁不同的遗传性，特别是其中含有微量杂质元素对铸铁的组织和性能有着本质的影响。如微量元素铅、钛、砷、铝等能使铸铁中的石墨改变形状与分布，在正常的生产中一般很少会对微量元素进行化学分析和控制，所以也不容易发现有害的微量元素，当其造成较为严重的后果时才引起注意。其三，由废钢中混入的一些杂质元素对铸件的危害，有的是致命的。因此，必须严格控制杂质元素特别是一些对铸件质量易造成重要影响的元素进入废钢中，需要对外购的废钢原材料进行严格的挑选，确保熔炼铁液质量。

在生产中尽可能选用高碳、低磷、低硫、低干扰元素生铁，选用纯净的中碳钢或低碳钢作为熔炼废钢，对其所含合金成分及微量元素根据化验结果决定取舍，对能稳定珠光体的废钢成分优先选用。生铁和废钢必须经过防除锈后使用，附着油污要经高温烘烤后才能使用。对铁合金、孕育剂力求成分稳定，块度粒度）合格，分类堆放，防止受潮。同时还需要注意所选原材料应避免铸铁炉料遗传性带来的缺陷。

2.2炉料配比

对于灰铸铁件，在原材料配比相同的情况下，用中频电炉熔炼出来的铁液其铸件各方面性能明显较使用冲天炉熔炼出来的铁液铸件的力学性能差”。这种情况有时会导致铸件大面积的缩孔缩松以及裂纹等缺陷，严重时导致铸件的报废。正因为如此，在铸造行业使用感应电炉熔炼时较多地采用了多废钢配以增碳工艺来生产铸铁及合成铸铁，可使铸铁的韧性和强度等力学性能均得到提升，同时采用废钢增碳工艺会减轻铸件的收缩，使铸件这方面的缺陷明显减少，达到了电炉熔炼铁液的取长补短。李传拭提出”，采用中频电炉熔炼，生铁加入量不超过20%。

2.3熔炼过程的控制

根据中频电炉的冶金特性编制合理的熔炼工艺，从装料、温度控制、化学成分调整及在不同温度下加入合金、增碳剂以及出铁温度等各个操作环节严格控制，力求在最短的时间内、以最小的合金烧损与氧化，达到控制铁液化学成分、稳定铸件金相组织、提高铸件质量的目的。

（1）对熔化过程的温度控制

在熔炼过程温度控制上，一般都是将熔炼过程分为三个阶段温度控制，即铁液熔化温度控制、扒渣温度控制和保温出铁温度控制。

铁液熔化温度控制：即在取样前铁液达到全部熔化时温度，决定着合金元素的吸收与化学成分的平衡，因此要避免高温熔化加料，避免搭棚“结壳”，否则铁液处于沸腾或高温状态，碳元素烧损加剧，硅元素不断在还原，铁液氧化，加剧杂质增加。熔化温度控制在1400℃以下，取样温度控制在1430℃

左右。取样温度低了，存在铁合金未熔化完，取的试样化学成分则无代表性；取样温度过高，部分合金烧损或还原，还会影响到精炼期的成分调整。取样后应控制中频电炉功率，在化学成分得出结果后恰好进入到扒渣温度。

扒渣温度控制：在何温度下扒渣是决定铁液质量的重要过程，因为它与成分稳定、孕育处理的效果有密切关系，并直接影响到保温出铁时的温度控制。如果扒渣时温度过高，会加剧铁液中石墨晶核烧损和硅的还原，特别对酸性炉衬，理论上铁液含硅偏高后将产生排碳作用，影响按稳定系结晶，存在着反白口的倾向；若温度过低，铁液长时间被裸露，碳、硅烧损严重。再次调整成分时，不仅延长熔炼时间使铁液过热，而且易使铁液化学成分失控，增大铁液的过冷度，使正常结晶受到破坏，致使铁液质量下降。

保温出铁温度控制：对于灰铸铁来说，为保证浇注和孕育的最佳温度，我们控制在1500-1530℃。

出铁温度的高与低都会对铸铁的结晶和孕育效果带来影响，如果温度过高，尽管炉前快速分析结果C、Si也适中，但取的三角试块白口深度会过大或中心出现麻口。出现此种情况即使采取措施向炉内补加碳或增大孕育量，效果也不会理想。出铁温度控制过低，将导致浇注时铁液温度较低，不利于铁液的脱硫、除气，对孕育处理的效果会带来不利影响。随着温度的降低，铸件冷隔缺陷、浇不足、轮廓不清、缩孔等问题也将增加。

（2）铁液成分控制

中频电炉在调整和控制铁液成分方面具有优势，可以通过调整炉料配比和补加调整保证铁液成分满足工艺要求。因此中频电炉铁液成分控制主要是两方面：一是硫含量控制在0.06%~0.10%，以保证良好的孕育效果；二是铁液在保温过程中的元素烧损增减要充分考虑。一般在1450℃以下铁液成分变化表现为碳、硅、锰烧损，而在1480℃以上时，铁液成分变化表现为碳、锰烧损和增硅。铁液温度越高，碳含量烧损倾向越大，可以达到每小时0.02%的碳烧损。在空班或停产时，铁液的保温温度控制在1350~1380℃。如果铁液保温时间过长会造成铁液晶核减少，影响孕育效果。为此需要在恢复生产前补加一定量的增碳剂进行调整。

增碳剂是中频电炉熔炼重要的原材料。增碳剂的质量和使用方法直接影响铁液的熔炼质量。增碳剂的类型主要有碎废石墨电极料、石油焦等。前一种增碳效果较差，即使使用也是在炉料熔炼阶段提前加人炉内。熔炼后期碳含量的调整主要使用高温焙烧过的石油焦型增碳剂，增碳率可以达到80%~90%，增碳速度快。某些铸造企业采用碳化硅作为增碳材料，同样只用于熔化阶段加料。

增碳剂的选用对于增碳质量情况影响较大，一些厂家采用价格便宜的焦炭粉进行熔炼增碳，但用量过大带来一些问题：一是烟尘大，对环境造成污染；二是铁液增硫量大，对铸件质量带来不利影响；三是增碳材料烧损大。我厂选择使用南京宁阪增碳剂作为中频感应电炉熔炼铸铁时增碳的主要材料。在熔炼过程中，增碳剂加入铁液后需要有足够的时间进行熔解，时间长短与增碳剂的种类、质量情况、生产工艺和铁液温度以及熔炼操作密切相关。如果增碳剂不能完全熔解，有可能会导致铸件石墨形态出现异常，铁液含碳量低，铸件材质较差等现象。在正常情况下，如果增碳剂加入量较大，熔炼温度要达到或超过1500℃，过热静止5~10min，基本可以保证增碳剂熔解并吸收。增碳剂的吸收情况：增碳剂的吸收率首先与增碳剂中的含碳量直接相关，含碳量越高，灰分则越低，则吸收率越高；其次是使用方法，多数企业采用的方法是随炉加入法，即先在炉底加入一定量的轻薄炉料，然后将增碳剂按配料需要量全部加入。如果增碳剂先加，有时增碳剂会粘附在炉底。如果在熔炼后期加入增碳剂，有两点不利影响：一是增碳剂烧损，如果炉中渣未扒净，即使是少量的炉渣也会严重影响增碳剂的吸收，此时增碳剂将成为铁液面上的浮渣；二是会降低生产效率，后期加入的增碳剂吸收需要额外的时间。一些熔炼技术人员认为，选用经过高温石墨化处理过的增碳剂应在炉料熔炼过程中尽早加入，可使增碳剂与铁液直接接触且有充足的时间熔融。

（3）过热及预处理工艺

对于中频电炉熔炼的铁液来说，熔炼温度低，很难消除生铁中粗大石墨的遗传性，当熔炼温度在1480~1500℃时，反应才能进行。

SiO2+2C÷Si+2C0

可促使铁液中非金属夹杂物排出，铁液得到净化，含氧量降低，使孕育剂中的活性元素钙、铝等充分发挥成核作用。铁液温度的提高，可以改变铁液纯净度，消除炉料中粗大石墨组织，细化晶粒。但是铁液温度过高或者高温时间持续过长，造成碳烧损严重，石墨晶核大量减少，铸件容易形成E型石墨，且石墨长度变长。工艺上要求对铁液将过热温度控制在1520~1540℃，并过热静止5~10min。对于每次筑炉烧结的铁液，一般不要浇注缸盖、缸体类铸件，以防止铸件出现渗漏现象。同时在出铁前，在中频电炉内添加部分冶金碳化硅进行预处理，以提供给铁液足够的晶核量，满足铸件对金相组织的要求。

（4）孕育处理工艺

为了保证获得优质的铸件，改善铸件机械加工性能，尤其是防止一些特殊铸件出现疏松、渗析、壁薄处出现硬区等不良现象，我厂所生产零件不同性能要求，使用不同的孕育处理工艺，对缸体缸盖类采用硅钡+75硅铁复合孕育。加入合适的孕育剂可细化基体组织，改善石墨形态，减少白口倾向，降低断面敏感性，改善加工性能。孕育剂的孕育机理在铸造行业内目前还没有完全统一的认识。有研究认为：孕育剂加入铁液中起脱氧作用，形成二氧化硅等大量难熔、分散度高的晶核。这些晶核的晶体结构与石墨大致相同，晶格常数十分相近，有利于石墨的析出，易于形成灰铸铁并细化珠光体基体，提高灰铸铁的力学性能。还有人认为，当孕育剂加入铁液中，在铁液中加入了激冷质点，成分也不均匀，因此在铁液中形成强烈的浓度起伏和温度起伏，促使形成大量石墨晶核。

3结论

（1）中频电炉熔化的铁液与冲天炉相比，对材料的选用、验收、搭配应该引起高度的重视，特别是废钢质量的控制。

（2）中频感应电炉熔炼生产高质量铸件的基本要素包括稳定的原材料质量、合理的炉料配比、高温熔炼或高温过热处理、稳定的化学成分以及良好的孕育处理。