電爐熔煉鑄鐵的工藝特點就在于鐵液重熔后合金過冷度增大，同時過熱溫度較高，隨之而來的鑄鐵質(zhì)量控制遇到了新的問題。
電爐鐵水重熔后，所含的雜質(zhì)物相比沖天爐要少，也就是說純凈度要高，在其凝固過程中缺少了異質(zhì)結(jié)晶核心，凝固時的成分起伏和濃度起伏要弱些，這使得過冷度加大，合金沿介穩(wěn)定系凝固結(jié)晶的可能性加大，也就是結(jié)晶產(chǎn)物中Fe3C(滲碳體)的含量增多，而沖天爐鐵水由于含較多的異質(zhì)核心，凝固結(jié)晶時沿穩(wěn)定系發(fā)展的傾向大，在鐵碳合金相圖上，穩(wěn)定系結(jié)晶的產(chǎn)物就是鐵素體和石墨。
電爐鑄鐵的熔煉特點，要求鑄造工作者在鑄鐵的成分選擇、爐料配比、廢鋼用量、孕育工藝、增碳脫碳、增硫脫硫、球化工藝、蠕化工藝、溫度控制、澆注工藝等許多方面需要更新觀念，采取符合實際的手段來保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量。
國際鑄業(yè)技術(shù)專家夏振環(huán)先生，作客“百家鑄造論壇”，與網(wǎng)友、粉絲一起，探討“電爐熔煉鑄鐵工藝特點及常見缺陷的防治”。
夏振環(huán)先生根據(jù)三十年沖天爐生產(chǎn)和近十多年電爐生產(chǎn)實踐，就上述10大問題談?wù)劷?jīng)驗教訓(xùn)。
一、電爐鑄鐵爐料配比及合成鑄鐵
在鑄造行業(yè)，人們常說，鑄造材料的成分決定組織，組織左右性能;這句話其實并不全面。我們在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)許多鑄鐵，在相同成分時，機械性能卻有較大差異。鐵水的質(zhì)量除與其成分有關(guān)聯(lián)外，還與爐料配比，熔化與出爐溫度，孕育工藝等有密切關(guān)系。所謂合成鑄鐵，就是指配料中使用50%以上的廢鋼，通過增碳合成的方法制取的鑄鐵材料，因為需要較高的熔化溫度，只宜在電爐中熔煉。目前合成鑄鐵主要有合成灰鐵和球鐵。
通過大量實踐，對于HT250、HT300等高強度灰鑄鐵來說，廢鋼左右強度、生鐵影響組織.
1、配料禁忌：
、高比例廢鋼與高比例回爐料搭配，合成灰鐵的廢鋼加入量不宜超過50%;
、高比例廢鋼與含硫磷高的生鐵搭配;
、回爐料超過40%。
2、配料優(yōu)化組合(%)
組成生鐵廢鋼回爐料
配比A403030
配比B304030
配比C204040
配比D205030
3、錳硫含量
需要提高硬度時錳的含量可達(dá)1.0-1.2%，但不要求相應(yīng)提高硫的含量。
某公司為了節(jié)約成本，多用廢鋼，在兩個月內(nèi)試制合成高牌號灰鑄鐵，廢鋼用量一度達(dá)60%，有一段時間除加入廢鋼外另加回爐料和少量鐵屑，most初質(zhì)量不錯，但一段時間后發(fā)現(xiàn)鑄件批量縮孔、縮松和有白色硬斑，并且持續(xù)不斷越來越嚴(yán)重。
此缺陷成因：初步判斷是鐵水中MnS的含量過高而引起的鑄件顯微縮孔、縮松，MnS富集形成白色硬斑。這是由于高牌號灰鐵HT300成分要求Mn含量較高，加之廢鋼自身錳也高，而廢鋼中的S以及回爐鐵中的S和錳反應(yīng)產(chǎn)生的MnS在爐料中的積累達(dá)到一定程度，就會產(chǎn)生過量，從而產(chǎn)生上述缺陷。
為了減少鐵水中的MnS含量，一般用加入一定量的優(yōu)質(zhì)新生鐵來調(diào)整，另外提高孕育效果，可使MnS細(xì)化，減弱其不良影響。
廢鋼加入量過大時，由于廢鋼熔點在1530度左右，而生鐵和回爐料的熔點只是1230度左右，多用廢鋼增加了電耗，加大了鐵水的過冷傾向，還吸附大量的氮氣，一般來說合成鑄鐵工藝并不適用于灰鑄鐵，而比較適用于球鐵
二、關(guān)于電爐灰鑄鐵增硫問題
前面已經(jīng)說過，中頻感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵工藝對比沖天爐熔煉，除了具有熔化溫度高的優(yōu)勢外，卻有不少缺點，主要有三個方面的問題：一是鐵水過冷傾向較大，極易產(chǎn)生影響材料機械性能的D、E型石墨;二是鐵水純凈，異質(zhì)結(jié)晶核心較少，導(dǎo)致孕育效果差，在同等成分條件下，鑄件強度偏低鐵質(zhì)偏硬;三是收縮傾向較大，在高牌號灰鑄鐵中錳含量較高時，容易產(chǎn)生顯微縮孔、縮松。
針對上述問題，應(yīng)對的措施是：
1、在熔化后期增加一個高溫保持時間，盡可能使各種爐料熔化的鐵水晶粒均勻，尤其是細(xì)化石墨;
2、適量增加外來異質(zhì)核心，強化孕育效果，促進A型石墨的形成;
3、控制高牌號灰鑄鐵的硫、錳含量及其比例，控制回爐料比例，達(dá)到合適成分。
這些措施，對不同結(jié)構(gòu)的鑄件產(chǎn)品是有差別的，需在實踐中掌握。
某公司某日，用電爐熔煉6爐灰鐵HT300鐵水，澆鑄液壓閥G03、G02等產(chǎn)品，經(jīng)解剖內(nèi)部組織發(fā)現(xiàn)大面積顯微縮孔、縮松、縮裂，共830只全部報廢。檢測布氏硬度HBS241，化學(xué)成分C3.27，Si1.78，Mn0.83，S0.087，P0.04。珠光體98%，E形石墨達(dá)80%，石墨長度5級。據(jù)有關(guān)人員研究分析，應(yīng)是鐵水材質(zhì)出了問題。
化學(xué)成分分析的結(jié)果，對一般的薄壁HT300鑄件來說似乎是正常的，然而對于液壓閥鑄件卻出了問題。此缺陷成因：初步判斷是鐵水中MnS的含量過高而引起的鑄件顯微縮孔、縮松、縮裂，也就是說鐵水中的S、Mn含量超出鑄件所適應(yīng)的范圍。
由于在熔煉中加入了一定量的增S劑，鐵水中的S、Mn含量積累達(dá)到一定程度，就會導(dǎo)致鐵水含S量超出鑄件自身正常凝固結(jié)晶的要求，從而產(chǎn)生此類缺陷。對策：停止加入增S劑，調(diào)整Mn的含量，保證HT300灰鐵的五元素的正常含量，調(diào)整后，缺陷全部消除。
在電爐灰鐵鐵水中通過加入增S劑形成一定量的MnS，作為異質(zhì)核心，提高孕育效果，這從理論來說是正確的，但是近年來大多數(shù)文獻資料所說，電爐高牌號灰鐵的含S量需控制在0.05-0.10%比較合適，然而許多工廠的實踐證明，當(dāng)含Mn量在1%左右時，若鑄件成分分析含S量超過0.05%，鑄件就開始產(chǎn)生縮孔缺陷，當(dāng)含S量超過0.07%時就會發(fā)生批量縮孔，這種現(xiàn)象如何解釋呢?
灰鑄鐵中的S有兩種存在形式，一種是單質(zhì)，另一種是化合狀態(tài)的MnS，灰鐵中起結(jié)晶核心作用的硫，主要是化合狀態(tài)的MnS，我們現(xiàn)在的化驗手段，都只能分析出鑄件和鐵水中單質(zhì)狀態(tài)的S，而以化合狀態(tài)存在的S是化驗不出來的。當(dāng)單質(zhì)S含量超過0.05%時，化合態(tài)的S含量就比較高了，此時的鐵水中：
MnO+FeS=MnS+FeO，F(xiàn)eO+C=Fe+CO,或2FeO+C=2Fe+CO2
這時鐵水在凝固過程中就在析出CO或CO2的同時產(chǎn)生部分棕色的MnS粉沫，形成鐵渣反應(yīng)氣縮孔。只要具備一定的條件，這種氣縮孔，不僅在電爐鐵水也在沖天爐鐵水中發(fā)生。其實我們在電爐熔化過程中，已經(jīng)增加了一部分硫，這些硫來自于：
1、由回爐的澆注系統(tǒng)帶來，澆注系統(tǒng)中的硫磷含量遠(yuǎn)高于鑄件中的含量;
2、生鐵中的硫，一般生鐵中的硫含量是不高的，而我們購買的普通生鐵上面都攜帶不同程度的爐渣，我們是不會化驗的，但這些拉圾卻含有較高的硫磷，會帶入爐內(nèi);
3、廢鋼和生鐵等爐料的鐵銹，氧化鐵含量較高，進入鐵水中會增加硫的吸收率。在這樣的情況下，如果我們再補加硫化鐵來增S,就過分了。實際生產(chǎn)高牌號灰鑄鐵件時，鐵水中的單質(zhì)S控制在0.03-0.05%之間為妥。
三、電爐高牌號灰鐵的孕育和變質(zhì)處理
關(guān)于高牌號灰鐵的孕育工藝，傳統(tǒng)的孕育量是處理鐵水量的0.3-0.4%，近年來隨著電爐的普及，孕育量逐漸增加，most新資料推薦0.5-0.6%，本人通過長期實踐，選擇孕育量在0.8%左右，取得強度硬度和切削加工性能的全面提高，鑄件加工后的內(nèi)部缺陷大幅度減少。
某公司生產(chǎn)高牌號的電磁閥，技術(shù)要求鑄件硬度大于HB200，強度大于300N/mm2,該產(chǎn)品主要壁厚超過50mm，通過多次試驗，在加大一次孕育量的同時，采取二次隨流孕育，消除了厚壁帶來組織粗大的缺陷，提高了鑄件致密度，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。
關(guān)于鐵水二次隨流孕育，在澆注前加入粒度0.2-0.7mm的均勻的孕育劑，比較適用于厚件，而用于小件時反而增大了鐵水的收縮性能。
有一個時期，某公司部分產(chǎn)品加工后表面呈現(xiàn)白色亮斑硬度很高，刀具打滑，經(jīng)分析，原來是孕育劑的塊度過大，與鐵水包容量不相適合，致使孕育劑在鐵水澆注時未能完全熔解,鑄件局部硅量富集形成硬化相;當(dāng)在鐵水溫度偏低進行二次隨流孕育時，也會產(chǎn)生同樣的缺陷。
有一家專業(yè)生產(chǎn)HT300灰鐵液壓件的工廠，澆注一種KP泵體，鑄件壁厚30mm左右，按照HT300的經(jīng)驗成分配料，鐵水成分：C3.0-3.1%，Si1.7-1.8%，Mn0.95-1.05%，P0.05%，S0.04%，鑄件本體解剖抗拉達(dá)300N/mm2，但是連續(xù)多批產(chǎn)品在內(nèi)澆口附近發(fā)生縮陷和縮裂，無論對澆注系統(tǒng)如何調(diào)整，就是不見效果，
沒有辦法，只能提高碳當(dāng)量降低強度，調(diào)整到C3.2-3.3%，Si1.8-2.0%時，缺陷消失，但產(chǎn)品經(jīng)加工后試壓，大部分產(chǎn)生膨脹滲漏，本體測試抗拉也不合格，造成主機廠批量退貨。聯(lián)想到以往有一批同類泵體，由于聽了別人的建議，用硫鐵增S，鐵水含S在0.07%以上時，鑄件大面積縮孔，積存大量廢品，為了處理這批廢品，根據(jù)稀土脫硫的原理，當(dāng)加入此類廢品時，在孕育過程中補加少量稀土鎂硅鐵，有效地降低了硫含量，解決了縮孔問題。
針對當(dāng)時KP泵存在的縮陷和縮裂，雖然原鐵水含硫并不高，在孕育時同樣試加了少量稀土鎂硅鐵，也取得了理想的結(jié)果，縮孔問題完全解決。分析其機理，鑄鐵產(chǎn)生縮陷，主要還是鐵水中的氣體作怪，這些氣體在凝固后期析出時，鐵水無法補充，產(chǎn)生了缺陷，而稀土鎂硅鐵作為一種灰鐵變質(zhì)劑，卻好是脫除氣體的能手，鐵水含氣量大幅度減少，缺陷也就消除了。
