沖天爐與電爐熔煉灰鐵的區(qū)別

發(fā)達(dá)國深知沖天爐的不可替代性，嚴(yán)格的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)并沒有淘汰沖天爐。鑄造產(chǎn)業(yè)集約化開發(fā)出30t/h～100t/h大型自熱風(fēng)沖天爐?，F(xiàn)代沖天爐有完善的熱風(fēng)除塵系統(tǒng)，捕捉焦炭余燼消除灰塵，送入沖天爐的空氣可常預(yù)熱到600℃,個(gè)別高達(dá)900℃。一般而言；熱風(fēng)要達(dá)到450℃以上才能強(qiáng)化焦炭的擴(kuò)散燃燒，提高熔化率獲得高溫優(yōu)質(zhì)鐵液，降低合金元素?zé)龘p并提高沖天爐的熱效率[2]。

國內(nèi)小于10噸/h的密筋爐膽沖天爐，風(fēng)溫200℃-300℃，采用反應(yīng)能力強(qiáng)的冶金焦、固定碳含量低，焦炭消耗量高、鐵液氧化嚴(yán)重。有人估計(jì)鑄件廢品有50%與沖天熔煉有關(guān)。我國多數(shù)鑄造廠廢品率高達(dá)8%～12%。然而國外工廠可將鑄件廢品率控制在2%以內(nèi)。

現(xiàn)代新型沖天爐，采用固定碳在90%左右的鑄造焦，出鐵溫度可以超過1500℃.沖天爐熔煉生鐵、廢鋼，鐵液滴下行經(jīng)過1800℃熾熱底焦，爐內(nèi)伴有氧化還原冶金反應(yīng)，鈦、鋁等位于FeO氧勢線以下，可以被氧化到痕量水平[3]。沖天爐鐵液有大量硫、氧化物，形成灰鑄鐵凝固結(jié)晶核心，減少鑄鐵的過冷度。

中頻電爐替代5噸/時(shí)以下沖天爐勢在必然。電爐熔煉氧化燒損少，鐵液成分和溫度可以準(zhǔn)確控制，鐵液質(zhì)量較為穩(wěn)定。電爐熔煉存在鐵液電磁攪拌作用，利于加入鋼鐵切屑和細(xì)小邊角料。

中頻電爐作業(yè)便于實(shí)現(xiàn)熔煉過程計(jì)算機(jī)控制，如：

⑴原輔材料管理、配料計(jì)算、等；

⑵自動(dòng)冷啟動(dòng)控制爐襯燒結(jié)時(shí)間，延長爐襯壽命，自動(dòng)控制熔煉過程；

⑶自動(dòng)監(jiān)測爐況，對電源、爐體、爐襯、水冷系統(tǒng)預(yù)測故障，增加安全、減少損害。

但是，中頻電爐由于熱量來自電流對熔池鐵液的強(qiáng)烈攪拌。來自磁力線在電場的作用下，造成鐵液翻滾，如高溫下保溫時(shí)間過長，硫氧化物聚集，上浮，排出。結(jié)晶核心保存較少，鐵水白口傾向較大，性能惡化。由于爐料在電爐的熔化過程是以加熱重熔為主，爐內(nèi)的冶金反應(yīng)遠(yuǎn)比沖天爐簡單，有害微量元素保留較多。這是電爐熔化鑄鐵的一個(gè)需要人們十分重視的問題。

氮在灰鑄鐵中的作用

氮、氫、氧是存在于鑄鐵中并對鑄鐵組織和性能產(chǎn)生重要影響的氣體元素。鑄鐵中的氮主要來源于熔煉過程，感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵，含氣量僅是沖天爐鑄鐵含氣量的65%-75%。氮對灰鐵的抗拉強(qiáng)度有重大影響，僅此就足以說明中頻爐與沖天爐分別用同一爐料生產(chǎn)灰鑄鐵件，力學(xué)性能有明顯差別。其原因在上述已講過的電爐鐵水內(nèi)結(jié)晶合心少，鐵水白口傾向大之外，還應(yīng)考慮氮對機(jī)體的強(qiáng)化作用。

鑄鐵成分在：W（C）：3.12%，W(Si)：1.35%，W（Mn)：0.71%,W(S)：0.09%,W(P)：0.13%的鐵液中隨氮含量的增加，鑄鐵強(qiáng)度也逐步增加。見表1：

表1      氮含量對灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的影響[4]

注：該試驗(yàn)以加入氰化鈉改變鐵水氮含量，以0.3%硅鈣孕育。

灰鑄鐵氮含量一般在80-180PPm之間，含氮量大于110PPm鑄件就容易出現(xiàn)氮?dú)饪?，?dāng)含氮量大于140PPm時(shí)更甚。鑄鐵中如果同時(shí)含氫量增加，降低生成裂隙狀氣孔的氮含量。碳含量增加，鑄鐵氮?dú)饪讜?huì)減少。

對于普通灰鑄鐵，氮使石墨片長度縮短，彎曲程度增加，端部鈍化，長寬比減小。氮對灰鐵基體組織的影響：氮使初生奧氏體一次軸變短，二次臂間距減小，凝固時(shí)過冷度增大，使共晶團(tuán)細(xì)小。

鑄鐵凝固過程中，石墨表面吸附的氮原子固溶于石墨，使石墨生長時(shí)晶格產(chǎn)生畸變，晶體缺陷增多，導(dǎo)致石墨片產(chǎn)生彎曲和分枝傾向增大。當(dāng)鐵液中氮含量高，鑄件冷卻時(shí)鐵素體就會(huì)被氮過飽和，室溫下隨著時(shí)間的延長，氮逐漸以Fe4N的形式析出，鑄件的強(qiáng)度和硬度上升，但塑性和韌性下降[4]。鑄鐵中溶解氮量高，石墨化程度就低。氮促進(jìn)鑄鐵生成珠光體，抑制基體中的鐵素體。

總之，適量氮在灰鑄鐵中穩(wěn)定并細(xì)化珠光體，可作為間隙原子固溶于鐵素體和滲碳體中，使其產(chǎn)生晶恪畸變，基體組織強(qiáng)化，強(qiáng)度性能提高。

鈦在灰鑄鐵中的作用

對于要求珠光體量大于95%的灰鑄鐵，鈦無疑是有害元素，因?yàn)殁伵c氮化合明顯消耗鑄鐵中強(qiáng)化基體的氮，從而降低灰鑄鐵強(qiáng)度和硬度。近在山東海陽某鑄造工廠，熔煉合成鑄鐵，廢鋼加入60%，生鐵加入10%，余為同牌號(hào)回爐料，發(fā)現(xiàn)HT300使用硅鋯孕育劑，強(qiáng)度降低的現(xiàn)象更明顯。元素周期表上鈦與鋯同屬過度元素ⅣB族，與氮的親和力更強(qiáng)。

鈦與氮的化合物TiN是面心立方晶格的離子晶體，在鐵水中與結(jié)構(gòu)近似的TiC互溶，形成Ti（C，N）。氮化鈦夾雜物只在鐵液接近凝固時(shí)形成，硬度大，尺寸較其他非金屬夾雜物小，不易被泡沫陶瓷過濾器濾除，是重要結(jié)構(gòu)灰鑄鐵件的疲勞源，對材料韌性、疲勞性能及持久性能有負(fù)面影響。TiN雖然是石墨形核基質(zhì)，但在鐵液中的需求是有限的。

鑄鐵中含少量的鈦，鈦是石墨化元素，能減少白口傾向，細(xì)化石墨。當(dāng)鐵液中含鈦量高時(shí)，鈦氮結(jié)合使得灰鑄鐵基體鐵素體量增加，降低鑄件的強(qiáng)度和硬度。我們在電爐HT300熔煉中，發(fā)現(xiàn)孕育后三角試片，鈦含量0.05%以上的斷口顏色比鈦含量低的斷口發(fā)黑，是否與鑄鐵鐵素體量增高有關(guān)聯(lián)？鑄鐵中很難去除鈦，采用低鈦生鐵是途徑。