灰铸铁感应电炉熔炼与冲天炉熔炼的差异

张守全，徐国强，林艳茹

（宁夏共享装备有限公司，宁夏银川 750021）

随着环保要求的不断提高，铸造冲天炉熔炼也越来越不能够达到环保要求，与此同时为了改变对熔炼过程控制的灵活性感应电炉熔炼已经成为主要熔炼设备。但是两种熔炼炉的熔炼方式以及对铁水质量的影响也具有非常大的区别。很多刚刚将冲天炉改为感应电炉熔炼时对铸铁材质的控制仍然停留在冲天炉熔炼的工艺上，这对产品质量是一个很大的制约，在材质控制上经常出现一些很棘手的问题。

1 冲天炉与感应电炉熔炼的差异

铸铁的性能在很大程度上受其化学成分的影响，所以铸铁熔炼多以控制化学成分为重点，在这一点上，从过去到现在始终没有改变。随着技术的进步，对材料的要求越来越高，单纯把成分控制作为熔炼过程的重点已经不能满足要求，因而熔炼工艺及熔炼设备也发生了很大的变化。冲天炉逐渐被感应电炉所取代已成为必然。

电炉固然有冲天炉无法比拟的优点，但也丧失了冲天炉的一些优点。经验表明，在使用相同原材料的条件下，同样的炉料配比和化学成分的铸铁，冲天炉和电炉熔炼，得到的铸铁在性能上有着很大的差异。

对于电炉熔炼，一般认为成分容易控制而且稳定，铁水比较纯净，获得优质铁水顺理成章，但是，根据铸铁结晶核心的观点，过于纯净的铁水对铸铁的结晶过程以及最终铸铁的力学性能并非有利。应当说，现代工程铸铁的熔炼除了对化学成分进行控制外，更重要的就是控制铁水孕育前后的结晶核心数或生核能力，通常生核数用炉前快速检验三角试片测定，也就是测前白口值（CW值）和后白口值（PW值），和铸铁种类、级别、铸件截面或冷却速度有关。除了化学成分要控制在规定的范围以内，每包铁水还要具有一定的前白口值和后白口值。因此，三角试片实验是一种实用的铸铁品质控制的生产技术。通过对三角试片白口值的检测不仅可以判断铁水的化学成分，还可以判断其结晶特点，所以在目前铸铁熔炼过程中无论是冲天炉熔炼还是电炉熔炼对三角试片白口值测试技术的掌握是非常重要的。

1.1 冲天炉与电炉熔炼的特点

1）金属炉料的过热方式和碳的变化

在冲天炉中，金属炉料在熔化带开始熔化，此后，液滴向下流经炽热焦碳的历程是铁水过热的唯一原因。在炉料的整个熔化过程中炉内碳的变化既有铁水与炽热焦碳接触的增碳，也有炉内高温炉气和炉渣对铁水的脱碳作用，但由于前者作用的程度大于后者，最终以增碳为主要倾向。

在电炉中，金属炉料在强大的磁场中内部产生感应电流，在感应电流的作用下，使得炉料熔化、过热。因炉料中有大量的氧化物，如果没有增碳剂的参与整个过程碳的变化是以脱碳为主要趋势。为了保证铁水的最终含碳量，增碳剂也就成了炉料的重要组成，增碳剂在炉内一方面通过与铁水接触增碳，另一方面也起着脱氧作用。

2）熔化时间和结晶核心的变化

尽管在各区带几何参数设计都很好，要在冲天炉中熔炼纯净铁水也是十分困难的，在化学成分没有相应变化的情况下，三角试片的白口仍然是变化的。这是由于炉料性质的变化，特别是炉料中石墨含量的变化。概括的说，对于任何化学成分的炉料，石墨含量高，都将使三角试片白口值降低。冲天炉中从配好的炉料成分中熔化出来的液滴并不能最终确定白口值或生核数。白口值只能是炉料中各组分的平均值。冲天炉从炉料熔化到出铁之间只有数分钟，由于影响熔滴的时间较短，所以由原材料决定的核心数在熔化后变化不大。也就是说影响结晶核心数的是原材料，而与时间没有太大的关系。需要指出的是，由于全部熔滴通过高温还原带，脱氧条件良好，所以这对铁水的生核有利。

在电炉熔炼过程中，熔化的金属和装入炉中的材料，从熔化到过热一直接触，整个过程至少要历经2 h以上，而且升温后继续保温也是常有的，所以在缓慢升温和长时间保温过程中，以石墨、硅酸盐、硫化物和氧化物质点组成的核心就会溶解消失，因而核心数量减少，如果再使用劣质原材料，如锈蚀严重的铁料，经电磁搅拌混入熔池使电炉的脱氧条件相当不好，铁水中含氧量过高其形核能力低，结果在金相组织中D型、E型石墨占有比例增加，同时白口倾向也增大，共晶过冷度增大，且基体中铁素体量也随之增加，这种变化在保温2h～3h后会加速[1]，组织变得更为恶劣，其强度和硬度降低，特别是铁水高温储存时这种倾向更加明显。此过程，熔池中的核心数发生了很大的变化，而且温度越高这种变化越大。因此在改变时间、温度这两个因素时，可以在很大程度上改变初始的三角白口值。这样几乎不与炉料的性质有关。也就是说影响结晶核心数的主要是熔化时间和温度。

总之，根据上述冲天炉和电炉熔炼的特点可知，两种熔炉熔炼的铁水其核心数和生核能力是不同的，前者数量多能力强，后者数量少能力差。造成这种差异，最明显的差别就是熔炼时间。

1.2 微量元素（Pb、N）的变化

由于冲天炉内的冶金反应非常强烈，炉料是处在氧化性气氛很强的环境中，炉料中原本就很微量的Pb在如此氧化性的气氛中，绝大部分都被氧化，随炉渣一起被排出，只有很少一部分会残留在铁水中，因此对铸铁有不利影响的Pb通过冲天炉的冶金过程，一般不会对铸铁造成不利影响。而在电炉中缺乏这一冶金过程，多数的Pb将会沉积在炉内无法去除。

在冲天炉的熔炼过程中，焦炭中的N和空气中的N2在高温下，一部分分解会以原子的形式溶入铁水中，使得铁水中的N含量很高。而且，由于熔化到浇注的时间短，铁水中的N损失小。在电炉熔化过程中由于时间长，即便是铁水中的N很高也会因时间长而逸出。

2 影响铸铁性能因素的分析

2.1 金相组织的影响

铸铁的性能是取决于其金相组织，而金相组织中，共晶团数量和石墨片长度及数量是决定铸铁性能的主要因素。单位面积内共晶团数量多会使得杂质弥散在晶界上，减少对性能的不利影响。石墨片大、数量多会减小基体的有效面积，而且石墨片尖部的应力大，增加对基体的割裂作用。

熔炼过程中对成份的控制，其目的也是为了得到好的金相组织，因此铸铁熔炼就是控制孕育前后影响共晶团数量和石墨大小及数量的核心数和生核能力，无论是冲天炉熔炼还是电炉熔炼都是如此。

2.2 化学成分变化的影响

灰铸铁C、Si、Mn元素是影响性能的主要因素，无论是冲天炉熔炼还是电炉熔炼是主要的控制对象，但除此之外铸铁中还有一些微量元素对铸铁的性能影响也很大。这类元素主要有硫、氮、钛、铅等。

1）硫（S）

在灰铸铁中起着很重要的作用，一定的S含量可以减缓铁水过热后的白口宽度的增加。S以Mn S形式存在，熔点高，可作为石墨核心，同时S还可以使得石墨片变厚，尖端变钝，以减少对基体的割裂作用。经验证明，电炉熔炼灰铸铁要想保证高强度和良好的孕育，含硫量0.06%～0.09%为好。在冲天炉中，S主要来源于焦碳，由于焦碳中含硫量高，所以冲天炉铁水中的S含量较高，一般为0.1%～0.3%.而电炉熔炼时所用的原材料本身含硫量很低，所以电炉铁水含硫量也很低，一般为0.03%～0.04%.

2）氮（N）

N对铸铁性能的影响主要有两方面，一是象S一样对石墨形态的影响，使其变厚变钝。另一方面是对基体组织的强化作用。在冲天炉熔炼过程中焦碳中的N和空气中的N2在高温下一部分分解以原子形式溶入铁水中，使得铁水中的N含量很高，而电炉熔炼中所使用的增碳剂其含氮量通常只有焦碳的2/3左右[2]，而且没有空气的参与，所以电炉铁水的含氮量要比冲天炉的含氮量低的多。当铁水中Ti含量较高时，它可以中和一部分N，这样N对改善性能的作用就无从谈起。

3）钛（Ti）

Ti在铸铁中中和一部分N，因此，间接地对铸铁性能起着不利作用。不管是在冲天炉还是电炉铁水中绝大多数的钛是来源于生铁，而且在熔炼过程中的变化不大，只是由于两种熔炉铁水中N含量的不同才反映出其对铸铁性能的影响。

4）铅（Pb）

Pb对铸铁性能的影响主要表现在对石墨形态改变，由于Pb的存在，在结晶时会产生“魏氏石墨”这种石墨的存在将大大地降低铸铁的性能。在冲天炉中由于冶金反应非常强烈，且炉料是处于氧化性很强的环境中，又因Pb的熔点低，在高温下易蒸发，所以冲天炉铁水Pb含量较低。然而电炉熔炼缺乏冲天炉的条件，炉料中的Pb相当一部分溶于铁水中，最终对铸铁的性能产生影响。

根据上述所作分析，在冲天炉中比较正常的铁水，因其炉内脱氧条件良好，加之熔化速度快，多数结晶核心在尚未消失之前已经进行浇注。在铁水无异常的情况下只要适当的孕育处理就可以达到预计的性能要求。所以冲天炉熔炼的重点应注意控制出炉温度和化学成分。

在电炉熔炼过程中要尽量减少结晶核心的损失，就需要严格控制熔炼温度和铁水的保温时间。据资料介绍，1510℃时是一个临界温度[1]，此时在熔池中发生自脱氧的化学反应，在这个临界点金属开始沸腾，碳和氧化物反应生成CO气体，气体逸出时携带大量的杂质。这个过程使氧化夹杂物突然减少。发生自脱氧的温度和熔池的化学成分有关，也与熔池中是否有游离的碳和硅有关。总之对于大多数的成份来说均为1510℃。低于这个温度铁水氧化严重，加入的孕育剂不是全部用作孕育，而是有一部分在起脱氧作用，结果得到含有较多夹杂物的铁水。脱氧不好的铁水结果常常出现气孔、针孔，混合型石墨，最终使综合性能降低。因此电炉熔炼一定注意过热温度的控制，但却不宜过高，过高的温度将损失结晶核心，结果造成组织粗大。

在电炉中加入一定量的硫铁矿控制含硫量在0.06%～0.01%的范围内，来改善结晶条件，以减少石墨对基体的割裂作用。为了增加结晶核心，在熔化后期也可以适当加入碳或硅铁再生结晶核心。如果在熔池中加入碳化硅颗粒可以得到更好的效果，因为碳化硅在铁水中的溶解速度缓慢。使用碳化硅是一项专利技术，这种方法常被用来消除铁水过热后结晶核心减少带来的不良影响。

电炉熔炼过程C、Si、Mn用增碳剂和相应的铁合金进行调整。值得注意的是除了对以上元素，还应对N、Ti、Pb等微量元素进行严格的控制。具有关实验证明在炉内加入石灰氮可以有效地增加N的含量，但一定要注意与Ti的匹配关系，过高的N含量就会有产生氮气孔的可能。因此在对N进行调整时一定要慎重。

对于Pb的控制最重要的是要对原材料严格检查，尽量减少含铅物投炉。一但Pb含量超标就会产生魏氏石墨，此时一定要采取相应的补救措施，常用的措施是补加炉料稀释，或在出铁时加入Re-Si来消除或减小Pb的危害，这也是非常有效的方法。如果Pb含量太高而无法调整，只有放弃铁水，决不可轻易浇注。

2.3 废钢比例的选择

在电炉熔炼中，降低碳含量可获得较高的机械性能，其方法有二：①高温下脱碳，可得到高的强度和硬度，但铸造性能变差。②配入较高的废钢，因为废钢用量大，铁水增碳充分，这样在获得高强度的同时可以获得良好的铸造性能。在生产过程中采用第二种方法，以便获得具有良好质量的铸件。

常用的增碳剂有石墨、类石墨及碳化硅等，增碳剂中一般含有较高的N，同时增碳剂的使用可以增加结晶核心。因此在电炉熔炼时一定要配入较多的废钢，这样增碳剂的用量就多，增碳剂中的N大部分溶入铁液，这对提高铸铁的性能有一定的作用。

［1］陆文华.铸造合金及熔炼［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［2］宋强，王录才，张明.冲天炉与感应电炉熔炼的对比分析［J］.铸造设备与工艺，2011（5）：1-4.

［3］杨贵成.感应电炉熔炼灰铸铁的碳当量与抗拉强度和硬度的关系［J］.铸造设备研究，2002（4）:37-38.