感应电炉的特异性及对策

国际铸业咨询网 （陕西西安 710075） 袁东洲

由于电力供应状况的改善，以及机械制造装备业对铸件品质要求的提高，近几年来，在铸造生产中越来越多地采用感应电炉进行熔炼，尤其是中频感应电炉已经成为新建铸造车间和熔炼工部技术改造中优先考虑选用的设备。

目前，我国中频感应电炉电源装置已发展到比较高的水平，控制系统的保护更趋完善合理；计算机在感应电炉上的应用，使得炉况监控、故障诊断乃至熔炼过程冶金质量监控具有国际现代化的水准。感应电炉正日益得到广泛应用，对现代化机械制造和冶金工业的飞速发展，对稳定地提高铸件质量，减少废品及降低铸造车间能耗，改善车间作业环境，一定会起到至关重要的作用。

为把先进的熔炼设备使用好、利用好，我们从事铸造行业的工程技术人员有必要研究和探讨感应电炉的特性，根据具体应用情况寻找适用的技术对策。

1.感应电炉熔炼铸铁的特异性

感应电炉熔炼铸铁时工艺相对稳定，调整成分方便，温度易于控制，熔炼过程的烧损少，尤其生产球墨铸铁与冲天炉相比，有利于获得低硫铁液，并可减少环境污染，改善劳动条件，铸件质量较为稳定，还可以利用廉价原材料。但任何事物总是具有两重性，在使用感应电炉熔炼铸铁的生产实践中，同样也会出现和存在一些铸造性能缺陷，这就是感应电炉最常见、最易产生的特异性。

（1）白口倾向增大，过冷度增加，感应电炉铁液与冲天炉铁液相比晶核数量较少。结论是：随着保温时间的延长和熔炼（过热）温度的提高，铸铁的基本组织变异，共晶团数降低，白口深度渐增。

（2）D、E型石墨组织出现，当铁液过热到较高温度并长时间保温时，在获取亚共晶灰铸铁中，A型石墨数量极易减少，得到的铸铁组织中，D、E型石墨比例增加，过冷度增大。这种过冷石墨影响到机械加工的切削性能。当铸铁的基本组织中折出铁素体数量增加，在出现D、E型石墨时，随保温时间延长，会影响铸铁的强度和硬度。

（3）铸铁件的缩孔及外缩陷。随着铁液长时间保温，还会出现铸铁铸造缺陷，除了上述的白口倾向增大和基体组织异化外，还会引起凝固时的缩孔和外缩陷缺陷，薄壁铸件（单体铸造活塞环）易产生边角硬度超标或白口缺陷；浇注的壁厚差较大的机械配件厚壁处容易产生疏松、缩松或缩孔等铸造缺陷。究其产生原因，除铁液长时间保温的影响外，当然还与加入生锈的严重氧化的金属炉料有关。

2.消除感应电炉铸造中特异性的技术措施

（1）不过分提高出炉温度，不要高温储存或保温铁液，坚持“速熔快出”，避免高温保温和长时间“过热”， 从冶金学角度上说要尽可能“一次过热”而不是多次过热，这样可以防止晶核生成物消耗过多，也可以避免过分剧烈的脱氧反应。

就铸造车间生产现场管理而言，应避免感应电炉熔炼铁液等待造型的现象，尽可能地使造型速度与电炉的熔化率相匹配，将铁液保温时间尽量缩短，升温后尽快出炉，避免铁液过热导致形核能力差带来的不良影响。

（2）强化孕育处理措施。出铁前对铁液进行孕育处理，可以预防和抑制白口倾向。孕育效果以“后孕育”效果最佳，即浇注时在浇包流铁嘴进行孕育的方法（要求均匀撒在铁液上经浇口杯进入铸型，孕育剂颗粒不能大），这样可以促使石墨朝着A型方向变化，可以有效抑制或消除过冷石墨（D型和E型）的生成。选择长效孕育剂（如硅钡孕育剂FeSi70B5类），可以显著防止E型石墨形成。

（3）选择和使用含氮量低的增碳剂。使用含氮量较高的沥青、焦炭等制作的增碳剂，会使厚壁铸件产生针状气孔及缩孔缺陷。因此，应尽量采用含氮量低的废电极石墨等制作的增碳剂，可以有效减少此类铸造缺陷。生产球墨铸铁件还必须选用低硫的石墨型增碳剂，因为硫含量高不仅障碍石墨化，而且障碍增碳剂的吸收，从而影响石墨球的数量，降低球墨铸铁件的质量等级。

（4）出铁液前，给炉内加入经过预热干净无锈的新生铁块，是消除薄壁铸件产生过冷石墨和边角白口的有效措施（如单体铸造活塞环）。在熔炼的后期，加入一定比例新生铁（俗称面包铁块），由于新生铁中所含的初生石墨能起晶核作用。因而，出铁前（在1420℃左右）取样后，加入少量（即配料中新生铁总量的5%～10%）新生铁，可以有效防止薄壁铸件产生过冷石墨及尖角白口现象。其依据是“未溶石墨质点理论”，有效避免薄壁铸件产生白口缺陷，改善薄壁铸件切削性能。从安全生产角度考虑，所加入新生铁块必须烘烤，预热是必不可少的，防止飞溅，以免烧伤熔炼操作工。

（5）电炉熔炼铁液时原则上CE量应略高于冲天炉。使用感应电炉也必须控制好铁液的化学成分。虽然化学成分不作为铸件验收的唯一重要依据，但是化学成分的稳定是生产牌号铸铁的基础。有的单位及熔炼工人不重视对铁液化学成分的控制，加上有的熔炼操作工的偏面认识，只知道硫是有害元素，认为硫含量越低，生产的铸件质量就越高。孰不知，用感应电炉熔炼孕育铸铁时，为保证孕育的效果良好，应使铁液中的wS=0.045%～0.065%，以不超过wS=0.08%为好。实践证明，此时铸件金相组织几乎全部为A型石墨，且长度在2～3级，经孕育后即可达到4～5级。珠光体含量≥90%。由于成分比较稳定，基体组织和石墨形态得以改善，力学性能也相应得到提高，减少了缩松、缩孔和微裂纹等铸造缺陷。

较准确地控制Si含量。以生产牌号为QT450—12球墨铸铁件空压机曲轴箱、变速箱壳体为例，由于其壁厚差较大，经常在厚壁处出现难加工和微裂纹缺陷。经显微检测后该处金相组织为针状渗碳体。用感应电炉熔炼球墨铸铁时出炉温度一般都在1520℃以上，目的是为消除各种杂质和化合物，提高球化率。

由于球墨铸铁的凝固为粥状凝固，上述两种产品壁厚处消失模铸造时在负压状态下表面先凝固，内部后凝固，易出现Si偏析。在缺陷处取样后经化学分析，外表面与内部Si的含量相差甚大，才判断因为严重Si偏析导致加工困难。

由于影响形核能力是由Si含量的多少来决定，所以应控制原铁液的Si含量。通常wSi＝1.2%～1.4%，球化处理时两次孕育，浇注时在流铁嘴进行后孕育处理之后，终wSi应控制在2.65%以内。Si含量越高，越容易形成偏析，只要出现Si偏析，石墨球就不圆整，或畸形，因此控制Si含量就尤显重要。

再则，对浇注系统重新审视设计，尽可能使温度场均匀，缩小型腔内的铁液温度差，抑制Si偏析的形成。

采取以上对策后，再熔炼的球墨铸铁，伸长率提高，韧性改善，加工中曾经出现的硬边、铸件窗口处开裂等铸造缺陷明显减少。

（6）加强炉料管理，强化“精料出精品”观念。注重炉料清理，凡入炉的原辅材料应干净、无锈蚀，回炉料必须经过滚筒清理，废钢经过切割成大小适中块度（以电炉炉衬内径的2/3为宜），并经清理无锈蚀，经细挑精选无杂质（比如铝，产生皮下气孔）；铁屑应挑选干净，去除杂质，然后压成饼再加入。

3.感应电炉熔炼铸铁的增碳技术

增碳剂在铸造时使用，可大幅度增加废钢用量，减少生铁用量或不用生铁。目前绝大多数增碳剂都适用于电炉熔炼，通常我们是通过添加增碳剂或加入废钢来完成碳的增减调整。

（1）影响增碳的因素 铁液增碳时关注的一是增碳速度；二是增碳时碳的吸收率。影响增碳主要有如下4个因素影响：①铁液的组成。高锰铁液有助于吸碳，高硅、高磷铁液阻碍碳的吸收。铁液内碳饱和度越低，则吸碳速度越快；在高硅铁液内，碳元素的烧损高达18%；而在高锰铁液内，碳的烧损几乎为0，这就证明了上面的论点：锰有助于吸碳，而硅阻滞碳吸收。②增碳时的铁液温度。③增碳剂的种类和品质。④铁液搅动的程度。铁液的搅动可以促进增碳，因此，搅拌力弱的中频感应电炉与搅拌力强烈的工频感应电炉相比，中频电炉碳吸收相对要困难得多。过分延长搅动时间反而会加剧碳烧损，降低碳元素的吸收率。

（2）感应电炉增碳方法 电炉熔炼时应采取将增碳剂随废钢等炉料一起往里投放的方式，小剂量的添加可以选择加在铁液表面。但是要避免大批量往铁液里投料，以防止氧化过多而出现增碳效果不明显和铸件碳含量不够的情况。增碳剂的加入量，根据其他原材料的配比和含碳量来定。

不同种类的铸铁，根据需要选择不同型号的增碳剂。具体增碳的方法如下：

第一，经过配料计算加入炉料时，按需要分批加入增碳剂。炉料未完全熔化时，把增碳剂包裹好压入未熔融铁液中即可，这样可以避免纷扬；当达到所需温度时增碳过程也就结束。

第二，对于中频感应电炉而言，增碳剂的加入，最好在金属炉料加入时逐步加入。过早加入，很容易粘附在炉底及炉壁下部；加入过迟，不仅导致成分调整延迟，还很有可能造成过度升温的失误，在中频电炉熔炼中使用增碳剂，可按配比或碳当量要求随料加入电炉中下部位，增碳剂的吸收率可达95%以上。

第三，铁液熔清后，如果碳量不足调整碳含量时，铁液升温等到炉料完全熔化后，先打净铁液表面渣滓和炉中熔渣，加上碎玻璃渣覆盖铁液镜面，再拨开后加入增碳剂，压入铁液中不让其露在铁液的表面，经电磁搅拌或人工搅拌使碳溶解吸收，使其卷入铁液内，约15min完成增碳作业，碳元素吸收率可在90%左右。

第四，需要同时增碳和增硅时，必须遵循“先增碳后增硅”的大原则。在完成增碳后方可添加硅铁进行增硅作业，否则就会影响铁液吸收碳的速度。

（3）降碳或脱碳的方法 一是在铁液熔化不是很满的情况下，采取加入经过预热的废钢降碳；二是利用铁液搅拌运动将氧化铁（锻工车间的锤渣）卷入铁液内，可以进行脱碳和其他元素的氧化脱除。经过实践，锤渣对铁液的干扰太大，且互相影响。

相关资料显示：在铁液1420℃时加入10%左右的锤渣，除了硫元素外，铸铁常规五大元素的其他4个元素均有减少。

（4）感应电炉酸性炉衬的配料原则 熔化铸铁时在不同温度条件下，铁液中含量最多的碳和硅会与炉衬发生反应，使炉衬的厚度和铁液成分发生变化。尤其是温度较高时，石英砂炉衬中的SiO2被铁液中的碳还原，这样的结果使得炉衬被侵蚀而变薄，铁液的成分将减碳增硅。因此，在铸造生产中，炉前配料计算时就得按照“低硅、高碳”的原则进行，这样生产出来的铸件成分才不会偏离标准。这也是使用感应电炉熔炼铸铁的一个特性。

4.结语

将先进的熔炼设备应用于铸造工业生产是一大进步。能够认识设备使用性能，找到其特异性的症结所在，采取针对性的技术措施消弱以至消除其带来的不利影响，能完全掌握并利用好该设备同样也是一大进步。为进一步提高感应电炉熔炼的经济效益，应充分利用其所长，通过改变生产方式，改善工艺技术措施，以减少感应电炉熔炼的铸铁件缺陷，这些方面还有许多工作要做，仍然任重道远。