铸件化学成分的控制与配料 河南省驻马店市解放路282号四号楼 杨群收 影响铸铁、铸钢件组织和性能的因素，有化学成分、孕育（变质）处理、冷却速度、炉料的“遗传性”、铁水过热温度等，在这几个因素中，化学成分含量的高低对铸件物理性能的影响相对更大些,而且是第一因素。所以在生产的全部过程中，根据铸件物理性能的要求，正确的配料或调料，严控材质的各化学成分含量特别的重要。 在生产实践中，作为冶炼技术人员和炉工来说，配料和调料应该是熟练掌握的一般性技术问题。但是对予刚毕业的学生和大多数炉工来说，欲能系统、灵活的掌握，也确非易事。 要想控制铸件的化学成分与配料，必须事先了解以下几下问题： 1、铸件的目标化学成分。 2、库存各种金属炉料的化学成分。 3、各种炉料在冶炼过程中化学成分的增减变化率。 4、配料方法。 一、目标化学成分 现在大部分铸件，根据其牌号要求的不同，国标中已做出了相应的要求，从铸造手册中即可查到。 但是随着科学技术的进步，根据铸件的服役状况，市场需要更加多物理性能各不相同的铸件，并对铸件的综合性能质量提出了更高的要求，科研单位也不断研究出新材质而取代旧材质，例如合肥水泥研究设计院研究的“中碳多元合金钢”，成功的代替了原需进口的球磨机衬板，代替了高锰钢，用该材质生产直径φ2.4甚至直径φ4.2的中大型球磨机衬板上，降低了生产所带来的成本，取得了良好的经济效益。 另外，如我厂生产出口国外石油钻井用的泥浆泵高铬双金属缸套及采石场600×900破碎机用的锤头，都是超高铬铸铁，其主要成分见表（一），这些材质的详细化学成分要求，在铸造手册中是查不到的。 表一： 材质及产品的名字 主要化学成分（%） C Si Mn Cr 中碳多元合金钢 0.45~0.80 0.5~1.0 0.4~0.8 3.5~6.5 泥浆泵缸套内套 2.8~3.1 0.5~0.8 0.5~1.0 26~28 高铬锤头 2.0~2.8 0.3~0.8 1.0~1.2 22~26 在接受生产绪如上述产品时，如果自己没有完全掌握铸件化学成分要求，以及没有仔细地了解铸件的服役状况时，应让用户更好的提供尽可能详细的化学成分要求范围及热处理工艺。当然作为生产厂商来说，必须尽多详细掌握自己产品所要求的化学成分范围及物理性能。以便生产出用户满意的高品质的产品。总之在生产配料之前，应了解所产铸件的目标化学成分，做到心中有数。 二、原材料的化学成分 原材料的化学成分，指的是投炉所用的新生铁、废钢、回炉料的主要化学成分，以及硅铁、锰铁等铁合金的牌号或化学成分含量。 三、在冶炼过程中化学成分的增减变化 要想掌握各种炉料在冶炼过程中化学成分的变化规律，将是一个较为复杂的问题。冶炼设备的不同，如冲天炉（热、冷风）三节炉，中频感应电炉等，其化学成分的变化都各不相同。即便是同一个炉子，因修炉所用材料的不同，以及操作方法的不同，冶炼过程中化学成分的变化也不相同。以冲天炉为例，热风与冷风，风压的高低，风眼直径的大小，焦碳质量及块度的大小，修炉衬材料是酸性，中性或是碱性，对材质化学成分的变化都不完全一样。 1、碳量的变化 碳量的变化大体上可分为四种：（1）炉料中含碳量高低的不同，碳量的增减率不同。（2）炉料中硅、锰含量高低对碳量的影响。（3）炉温高低和炉气氧化性强弱对碳量的影响。（4）其它因素。 （1）炉料的平均含碳愈低，碳向金属中的溶解度愈大，铁水就会发生增碳，废钢用量越大，这种现象越明显。炉料中平均含碳量愈高（例如在3.6%以上），铁水从焦炭中吸收碳量愈少，而碳的氧化烧损增加，铁水含碳量不仅不增加反而减少。如果炉料中的含碳量高达3.6~3.8%时，冶炼中铁水的含碳量就基本不再变化了。 （2）铁水中含硅量越高，增碳量越少，是因为硅可以溶解于铁内，降低了碳在铁中的溶解度。锰则相反，含锰量增加时，铁水增碳量也有所增加。 （3）加大焦炭用量，或者使用的焦炭块度小，都会使增碳量加大，这是由于增加了铁水与焦炭的接触时间和接触面积。铁料熔化成铁水滴下落，当流经赤热的底焦时，焦炭中的碳会慢慢溶到铁水滴中去，使铁水含碳量增加，这叫作增碳作用。这种作用主要发生在过热区和炉缸区。铁水与焦炭接触的时间越长，接触面积越大，温度越高，铁水增碳就越多。冲天炉设有前炉，因为铁水能及时从炉缸中流入前炉，所以增碳较少。搀炉无前炉缸，铁水只能存在炉锅内而与焦炭接触的机率多，所以增碳量就越较大。 炉内温度上升会促使碳更快更多地溶解在铁水中，使增碳显著。因此，如果其它条件不变而采用热风冲天炉，就会因为提高了炉内温度，使增碳量加大。 在炉内还存在着使碳减少的因素，如铁水滴接近风口，或者风量很大，风压很高时，炉气中的氧会氧化铁水而使含碳量减少（或称脱碳）。增加风量，提高铁水温度，也会促使增碳。但是增加风量后，由于加强了铁水氧化，又有促使脱碳的作用，不过，在这种状态下，脱碳作用大于增碳作用。 （4）除以上因素之外，还有其它具体因素也影响着碳量。 提高底焦高度，铁水的过热路程延长，铁水温度提高的同时，也促使了碳向铁水中的溶解。因此，底焦高度过高时，铸铁的增碳量也大。 如果炉底高度垫的高，铁水下落流经的路程短，铁水及时流入前炉缸，减少了与焦炭的接触时间，增碳率就小。反之增碳量就大。 炉料过碎小而且配用量大时，易出现熔化速度快、铁水下落快、增碳量很小的现象。伴随着此现状的同时，铸铁件也易出现白口缺陷。 在用冲天炉冶炼时，增碳和减碳这两个矛盾着过程，是一起进行的，影响含碳量的因素太多，很难精密的确定。 用中频感应电炉冶炼时，无论是酸性、中性、或者是碱性炉，对碳量均有烧损。如果操作不当，碳量的烧损更大，当炉温达到浇注温度时，应及时降低功率，保温浇注。金属液在炉内随着高温时间的延长，碳的烧损量增大，自发晶核减少，应添加增碳剂并加入接力脱氧剂。 2、硅量的变化 硅量的变化，主要根据两个因素，（1）炉衬的属性（酸性、中性或碱性）。（2）炉温的高低以及在炉内的停留时间。 用石英砂（SiO2）作修炉料，即用酸性炉冶炼钢铁时。硅量的烧损不明显，如果颗粒细小的石英砂或石英粉用量大时，硅量不但不减少，反而会增加。 用镁砂（碱性）或铝钒土（中性）修炉衬时，硅的烧损量就大，其烧损率一般可按10—15%计算，硅铁合金中硅的烧损率还要更高一些。 3、锰量的烧损 无论在任何炉中冶炼，锰量均有烧损，炉温越高，金属液在炉中的停留时间越长，铁水含硫量越高，锰的烧损率就越高，其烧损率一般按15—25%计算，锰铁合金中锰的烧损率还要更高一些。 在冶炼过程中，除铜、钼等元素烧损量极少，在配料时可以不考虑其烧损率，其它元素都有不同程度的烧损。 四、配料 配料前在选择原材料时，即要照顾到铸件的质量发展要求，还需要注意到各材料的价格，以及库存量，尽可能多的利用本厂的回炉料、废钢、废杂铁，以降低库存积压和降低铸件的生产所带来的成本。 配料方法及工式，除碳的配料计算方式是两个以上外，其它元素的配比计算方式，均是累积法。 1、碳的计算工式一、 C=1.8%+CL 2 式中C——铁水的含碳量（%） CL ——炉料中的平均含碳量（%） 1.8%——在用冲天炉冶炼时，炉料经预热、熔化、过热、还原过程中，脱碳量和增碳量的（估算）中间值。 该式只适应用于冲天炉碳量的计算，不适用于电炉配料的计算，且为了计算结果符合本单位设备的冶炼情况，1.8%系数须根据多次熔炼经验的修正选取。 例如：HT250牌号灰铸铁的含碳量为3.1—3.4%，所用新生铁的含碳量3.8%，回炉料的含碳量3.2%，废钢的含碳量0.4%。 估算配比，新生铁加入量40%，回炉料加入量35%，废钢加入量25%。 C=1.8%+3.8×0.4+3.2×0.35+0.4×0.25 2 ×100% =3.17% 2、累积计算法 就是将按比例投入的各种炉料，各自代入成分的量，相加在一起，把冶炼过程中的增减率计算在其中，再调整到目标成分的范围，该计算方式适应于冲天炉的配料，也适应于电炉的配料。 使用原材料的化学成分含量如表二所示： 表二 原材料名称 主要化学成分（%） C Si Mn 生铁Z18 3.5 1.6~2.0 0.5 回炉料 3.2 1.9 0.8 废钢 0.4 0.27 0.5 用上述原材料并配用硅铁75＃、锰铁65＃，用冲天炉生产HT200牌号的灰铸铁，其化学成分要求如表三所示。 表三： 成分 含量% 牌号 C Si Mn P S HT200 3.1~3.4 1.8~2.1 0.7~0.9 0.15 ≤0.12 根据实践经验应考虑到，增碳率为10%，炉料中硅的烧损为15%，硅铁中硅的烧损为20%。炉料中锰的烧损为20%，锰铁中锰的烧损为25%。 经调整后材料配比如表四所示： 表四 原材料 配入量（%） 生铁Z18 45 回炉料 40 废钢 15 累积代入的成分： 碳C=（3.5%×0.45+3.2%×0.4+0.4%×0.15）×1.1（增碳率）≈3.2% 硅Si=1.8%×0.45%+1.9%×0.4+-0.27%×0.15）×（1-0.15）（烧损率）?≈1.37% 锰Mn=（0.7% ×0.45+0.8%×0.4+0.5%×0.15）（烧损率） ? ≈0.568% 当然每次配料，不可能一次配料计算成功，需多次调整配料比，方能达到理想，对于初掌握者来说，尤其是这样。 3、碳的计算方式三，列方程式 该配料方法的优点是，在掌握了冲天炉增碳率之后，可一次配料成功，不需要试调配几次。 原材料的化学成分含量如表二所示； 铸件材质HT200，各化学成分要求范围如表三所示； 冲天炉增碳率为10%。 先确定回炉料的加入量为40%，回炉料代入碳： 3.2%×0.4=1.28% 总入炉料应代入碳（即未增碳10%以前的量）： 3.2%（要求碳量中线% 生铁和废钢共需代入碳：2.91%-1.28%=1.63% 列方程式： 设生铁加入量为?x 3.5%（生铁含碳量）×x+0.4%（废钢含碳量）×[(1-40%)-x]=1.63% x=45% 废钢加入量：（１－40％）－45％＝１５％ 以上配料，碳达到了预期目的，但硅、锰仍达不到要求，需要补加硅铁和锰铁，补加硅铁、锰铁及其它任何铁合金，均可用下式求得。 补加量（％）＝要求% 合金含量%×收得率%×100% 目标中线％的硅量，需要添加硅铁来补充其差，硅铁的需补加量即可用上式算出。 硅铁７５＃补加量（％）＝ 0.58% 75%×0.8×100% ≈1% 目标中线的锰量，需添加锰铁来补充。 锰铁６５＃补加量（％）＝0.232% 65%×0.75×100% ≈0.5% 在生产普通铸铁或者普通钢时，掌握了以上方法基本能指导生产了，但是，在生产合金钢，特别是高合金钢时，还要考虑到，为保证材质有足够的合金成分含量，在添加铁合金时，随之而代入的其它成分，另外还要考虑到怎么来降低生产所带来的成本。 例如用电炉生产合肥水泥研究设计院研究的“中碳多元合金钢”时。 中碳多元合金钢的主要化学成分含量如表一所示，常用的铬铁化学成分如下表所示： 类别 化学成分含量% Cr C Si 低碳铬铁 60 0.5 2.0 高碳铬铁 62 9.5 3.0 在配料过程中，铬含量取中线%，就需要加入上表两类铬铁共计8%（因为低碳铬铁和高碳铬铁的含铬量接近，所以先混在一起计算其加入量），才能接近中线要求。由于铬铁中含有一定量的碳和硅，加入8%铬铁的同时，势必引起碳和硅的增加。另外，在保证铬含量5%时，如果全部用高碳铬铁，碳量必超。如果全部用低碳铬铁，再用增碳剂调碳，又会因为低碳铬铁的价格比高碳铬铁的价格高的太多，而使生产所带来的成本上升。在保证化学成分合格又要降低生产所带来的成本的情况下，采用低碳铬铁和高碳铬铁的搭配使用。在实际生产中，当炉前化验结果出来后（碳、硅），要想很快的正确的搭配投料比，确有一定困难，而且往往容易忙中出错，所以要不断总结经验，作到熟中生巧。为便于配料，我们列制一个如表五的常规配料表，操作起来就方便、快捷、准确了。 表五： 炉前化验 铬铁加入量（%） 铬铁代入硅量（%） 碳（%） 低碳铬铁 高碳铬铁 0.2 4 4 0.2 0.3 4 4 0.2 5 3 0.4 5 3 0.18 6 2 使用上表有两个问题是需要说明：（1）有两栏格内的高低碳铬铁为什么是两种配比呢？尽管都是“中碳多元合金钢”，由于所要浇注的铸件不同，根据其服役状况的不同，有意识的取碳的上线或下线）炉工在操作中只要注意投料质量，硅含量就不会超限。炉前化验硅含量，加上铬铁代入硅量的和，与目标硅量的差，再加硅铁补充。 在了解上述配料基本知识和需要注意的几点之后，虽能指导生产了。但是，想要使自己的产品质量更稳定，使铸件化学成分稳定在最佳含量范围内，进而达到铸件最佳物理性能的匹配，作到物尽其用，还是不足到，还要进一步了解，并懂理以下因素： （1）即便是同一材质要求的铸件，由于铸件自身几何形状不相同，以及铸件服役工况条件的差异，而有意把其中某个成分控制在上线，或某个成分应控制在下线。 例如球磨机的一仓衬板与二仓衬板或隔仓板。一仓衬板在服役工作时所承受的冲击力较大，而二仓衬板所承受的冲击力比较小。大直径球磨机衬板所承受的冲击力就大，而小直径球磨机衬板所承受的冲击力就小。即便要求都是“中碳多元合金钢”材质，但是在配料作业中，前者的碳量有意识的取下线，提高其冲击韧性，防止工件断裂而失效。后者的碳量则应取上线，而提高其硬度，增强抗磨损能力。隔仓板由于其几何形状复杂，厚薄悬殊大，孔多体长，自身产生应力较大，虽然承受的冲击荷较小，其含碳量也应有意识的取下线）根据铸件的服役状况，什么样的铸件应取什么样的金相，哪个成分的高低，对材质金相有咋样的影响？能引起材质综合物理性产生什么样的变化？都应作到心中有数。 例如油田钻井用的泥桨泵高铬双金属缸套的内套和采石厂用的破碎机锤头，它们的材质都是高铬铸铁，其主要成分见表一，由于它们的工况条件各不相同，在控制其化学成分的上下线时就存在有一定的差异。如碳和锰，在高铬铸铁中，碳含量高金相组织中的碳化物量多，材质相对硬度高耐磨性好而韧性降低。锰在高铬铸铁中起到稳定奥氏体的作用，我们大家都知道，奥氏体是个软相，硬度低而韧性好，只有在强冲击磨损条件下才发生相变，才能使硬度提高耐磨损性能好。 泥桨泵缸套的内套，主要承受的是滑动磨损，几乎不存在冲击磨损，对材质的硬度要求高而对韧性要求相比来说较低些，所以其含碳量应控制在中上线，而锰含量应控制在中下线。破碎机锤头的情况就不同了，工作中承受着强冲击磨损，对材质的冲击韧性及硬度要求都高，而耐磨性和冲击韧性又是一对矛盾，有时还不得不顾此失彼，为实现材质冲击韧性和硬度的最佳配合，需要弄清诸多因素存在间的相互关系，此处不再赘谈。就仅对高铬锤头材质中碳和锰量来说，碳含量应适当取中下线，而锰含量应取其中上线。 炉前调整化学成分（即调料） 由于低谷电价低，而焦炭价格一直上升，另处，随着科学技术的慢慢的提升，对铸件质量发展要求慢慢的升高，对铸件化学成分的控制也慢慢变得严格，所以慢慢的变多的厂家选用中频电炉生产铸件。 在市场之间的竞争中，为降低生产所带来的成本，有用粒子钢或废钢加增碳剂来生产球铁，用废杂钢生产铸钢件，这就要求炉工和炉前技术人员掌握调整成分即调料的技术。 调料仍按上述的配料工式，只是应用起来速度较慢。如果工式的计算过程全部理解了，其实在生产的全部过程中无需用笔，通过口算、心算就能解决问题。 以一吨电炉调硅含量为例 如果终硅要求含量是1.8%，炉前化验是1.3%，还要补加0.5%的硅，补充硅含量用的是硅铁，需要加多少硅铁？把硅铁的含硅量按70%计算，（硅铁７５＃线%，还有烧损率）心算时把70%念作0.7，乘多少（即加入量）接近于0.5%的0.5呢？心算“七·七得四十九”，硅铁加入量按0.7%时带入硅是0.49%，接近于0.5%，为了成分更准确些，无非是在称硅铁时，适当多称几两即可。 若需要补加0.2%的硅，心算“三·七得二十一”，加入0.3%的硅铁就可以了。 心算的工式能这样排列： 合金含量×X（加入量）＝需要补加量 “熟能生巧”，经常总结经验，用增碳剂或生铁怎么样提高碳，用废钢如何降碳，都可以通过心算或者口算一次搞定。 除上述之外，还应有炉前三角试片的观察分析能力，例如，同样的HT200或HT250，但由于铸件的大小，厚薄
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