高炉冶炼得到的铸造生铁是工程用铸铁材料的原材料,还需要通过重新熔炼进行合金化及变质处理使其成分、组织和性能满足要求。

常见的铸铁材料有普通灰铁、孕育铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和合金铸铁等。通常是用冲天炉(图2-9)或感应电炉(图2-10)进行熔制。与炼钢不同的是,铸铁熔炼的主要目的是合金化和对铁水进行炉前变质处理。

1.炉后配料及合金化

铸铁的化学成分是通过加入的原材料,即生铁、废钢及各种合金来配制的。一般情况下,铸铁材料对碳的要求低于生铁的含碳量,所以要在炉后加入一定比例含碳量低的废钢,加入的多少应根据要求及熔炼过程中的增碳率来计算,还需要加入硅铁和锰铁以调整铸铁的硅和锰的含量,此外,还要加入焦炭、石灰石和萤石等燃料和造渣材料。冲天炉是一种连续熔化的设备,因此,各种炉料是按比例分批投入炉内的。而感应电炉是一次投料和熔化的。

2.熔化

冲天炉熔化是通过从风口吹入炉内空气,促进焦炭的燃烧使炉内原料熔化,铁水和熔渣流入炉缸并使铁水成分均匀化。

3.炉前处理

炉前处理的目的是改变或改善铁水凝固后的组织。除普通灰口铸铁铁水出炉后直接进行浇注外,绝大多数铸铁材料的铁水要在炉前进行变质处理。主要的炉前处理方法和工艺有以下几种。

(1)孕育处理。通过在出铁的过程中向铁水中加入预热的硅铁或硅钙孕育剂颗粒,达到使铁水变质的目的。其原理是这些颗粒在铁水中形成浓度起伏和成分起伏,增加了石墨的形核核心而细化石墨和共晶团组织。一般的处理工艺为随流孕育法,即将孕育剂洒在前炉的出铁槽内,出铁是由铁水直接冲入包内。现在已发展了一些新的孕育工艺,如喂丝法、同流法和型内孕育法等,大大提高了孕育效果。

(2)球化处理。球化处理是生产球墨铸铁的关键技术,通过向铁水中加入球化剂使铁水凝固成为具有球状石墨组织的铸铁。球化剂的主要成分是镁,此外,还加入稀土、硅和铁等辅助材料,以改变球化剂的熔点和有效作用时间。处理方法多用包内冲入法,如图2-11所示。加入量通常为铁水重量的1.5%～1.8%,同时还要进行孕育处理,处理完毕后应在20～30min内浇注,以防止球化和孕育衰退。现在,为避免加入稀土使石墨球的形态恶化,可用钟罩压入法直接加入纯镁球化。为保证最佳的处理效果,也可以采用型内球化和孕育等工艺。

图2-9　冲天炉的结构示意图

1.除尘器 2.烟囱 3.加料口 4.送风系统5.前炉 6.出渣口 7.出铁口 8.支柱 9.炉底板

图2-10　感应电炉炉体的结构示意图(www.daowen.com)

1.盖板 2.耐火砖 3.坩埚 4.绝缘布 5.感应线　圈6.防护板 7.冷却水 8.底座

图2-11　冲入法处理形式[(a)平底式 (b)堤坝式]

1.铁板 2.草灰 3.球化剂 4.纯碱 5.堤 坝 H.包 高 D.包径

在缺少专用的炉前快速检测仪器的情况下,生产上常用一些经验的传统方法观察和判断铁水的质量和成分。主要有下面的方法：

(1)断口试片法。炉前试片检验,是以不同碳、硅量在不同冷却条件下,铸铁宏观组织有不同的表现为依据来判定铁水成分的。试片断面形状很多,其尺寸根据铸件壁厚来确定。图2-12为常用的三角断口试片。用来判断灰铸铁和球铁的成分及处理效果。试样凝固后淬入水中冷却,砸断后观察断口。白口宽度(或深度)越大,说明碳当量越低;反之,碳当量越高。断口发暗,则硅量偏低;发亮则硅量合适;发黑则碳高;色淡且中心晶粒细,说明碳低。

图2-12　三角断口试片

(2)氧化观察法。通过观察铁水的颜色、亮度和氧化皮花纹的状况判定铁水的熔化状况和质量。铁水严重氧化的特征是铁水表面不断产生很厚的氧化皮,铁水表面成白亮色,但流动性很快降低,如图2-13所示。

图2-13　各种铸铁成分的花纹特征

(3)火花观察法。当铁水从出铁槽流入铁水包时,由于铁水的冲击会有铁豆飞出,铁豆直径小到一定程度就可能出现火花。此火花一般是由FeO所造成的,其形式有两种(图2-14)。根据铁水火花的特征也可以初步估计铁水碳、硅含量的多少。在同样条件下,碳硅含量愈低,即铁水愈“硬”,出现扫帚状和雪花状火花也就愈多。含碳量低时出现扫帚状火花多,含硅量低时出现雪花状火花多。

图2-14　铁水火花的两种形式