赵鲁生 关于灰铸铁中的氮含量问题 for 百铸网

一．关于灰铸铁中的氮含量问题1.03年开始，在生产日本牧野机床铸件工厂工作时，日本人对冲天炉熔炼灰铁300铁水，要求不定期检测氮含量，当时检测的氮含量一般在100-120PPM。为什么日本人以前检测氮？当时都不清楚，很盲目。2.06年初，这个工厂新建工厂开始试生产，使用感应电炉熔炼，而老厂依然使用冲天炉熔炼。在新厂的整个试生产期间，电炉使用的生铁，废钢等原材料与老厂完全一样，成分控制也基本相同，但是灰铁300力学性能却低于老厂冲天炉的性能。3.追查原因，大家从孕育，增加硫含量，等措施之后，依然没有改善，最后只好降低碳含量，来提高电炉灰铁300的力学性能。见光谱仪分析结果：（见照片，新潮铸造冲天炉和电炉成分）。即冲天炉碳从3.2-3.2%改成电炉2.9-3.0%。其余成分不变。4.我把这个工厂一个月期间，新，老厂光谱仪化验结果做了对比，发现冲天炉钛含量一般低于0.025%，而电炉钛含量在0.04-0.06%。钛含量不同是表面现象，实质问题是钛高，结合了强化灰铁基体的氮，影响了力学性能。之后一直就把灰铁钛作为控制的主要元素来对待，去分析一些质量问题。5.普什铸造的工作经历。6.08-09年，和美国GE公司讨论生产灰铁汽缸体铸件，美国人也要求铁水检测氮和其他微量元素，如钛，铅等等。其中钛要求小于等于0.025%，氮含量要求60-120PPM。这些要求和自己熔炼灰铁的经验，即从冲天炉转变成电炉熔炼后，遇到的问题相符。（见GE技术文件）7.灰铁熔炼从冲天炉转向电炉之后，非合成铸铁配料，同样原材料，碳当量一样，电炉铁水强度性能总是不如冲天炉高，细查原因，在冶金原理上有不同，却没有任何资料可以学习和介绍，但是从成分上看，可以查出微量元素含量不同，特别是钛含量不同。冲天炉铁水钛含量与美国人要求一样，有时还更低，一般小于0.025%，而电炉铁水钛含量一般都在0.04-0.05%以上。之后学习，知道钛强烈结合氮，而氮可以强化基体，是影响灰铁强度的因素之一，而冶金质量不同，还没有可靠的解释。8.现在，国内专家在铸造技术会议上多次谈到，在灰铁中，要把氮作为合金元素来对待，使大家逐步认识到影响氮的合金元素，钛，甚至锆，都要注意控制。在铸铁中，随着氮含量增加，铸铁强度增加，直至含量超过150PPM以上出现气孔为止，铸铁强度提高很多。郝石坚在“现代铸铁学”一书中介绍，铸铁成分在：W（C）3.12%，W(Si）1.35%，W（Mn)0.71%,W(S)0.09%,W(P)0.13%的铁水中随氮含量的增加，铸铁强度也逐步增加。见下表：（摘自郝石坚“现代铸铁”P307.翟启杰老师也有文章专门论述灰铁中的氮。）9.氮对灰铸铁抗拉强度的影响含量氮含量抗拉强度MPaPPM10.008%2878020.010%30510030.014%32814040.015%361150该试验以加入氰化钠改变铁水氮含量，以0.3%硅钙孕育。10.大量合成铸铁配料在电炉熔炼灰铁中使用，以增碳剂配料加入，增加铁水碳含量，而带来铁水氮含量大大增加，特别是不好的增碳剂，氮含量极高，同时废钢加入很多，铁水氮含量综合累积，（加上孕育，树脂砂型芯）使铸件出现氮气孔问题，也在影响铸件质量。很多文章介绍他们在解决氮气孔缺陷时，加入钛或者锆的合金，成功克服了灰铁铸件的氮气孔，但是从氮增加铸件强度方面来看，加上目前大量铸造企业准确分析铁水氮含量困难，最终控制铁水氮在合理的含量不足，也存在问题。下表是最近看见章舟老师的一本书中介绍增碳剂的成分。里面谈到含有氢，氧有新意。11.氮含量过高，引起铸件产生气孔。氮进一步增加，出现裂隙状氮气孔。当然实际铸造，熔炼过程难免有其他气体溶入铁水，一旦有氢溶入，则产生气孔缺陷的氮最高含量要降低。一般要求氮含量不要超过120PPM。氮含量越高，灰铁强度越高，直至最后因气孔出现，强度突然降低。虽然氢含量同时作用，产生气孔缺陷，但其在铁水中的最高允许含量比氮含量低一个数量级，灰铁中主要引起气孔缺陷的，还是氮。12.国外铸件采购客户，在十多年前就要求检测灰铁中的氮含量，现在这些客户把灰铁铁水中氮含量检测要求，更加频繁。牧野机床铸件采购日本人，现在要求这个铸造工厂每月检测一次铁水氮含量。目前，大量灰铁铁水是以感应电炉熔炼，配料则多以合成铸铁，多加废钢和高温煅烧石油焦增碳剂，少用生铁配料。这种熔炼工艺情况下，一般氮含量在80-90PPM左右。13.今年6月份，在河南新乡一个铸造工厂，看见他们把检测灰铁氮含量，也作为常规检测。但是他们的氮含量经常在40-60PPM，感觉偏低。可是他们的灰铁力学性能也没有遇到很大问题。我曾经以60%废钢，30%回炉料，10%生铁配料合成铸铁，灰铁300.以前一直很稳定，钛含量一般小于0.025%左右.但是在一个常年使用硅-锆孕育剂的工厂，则连续2-3炉铁水力学性能不合格。（碳3.0，硅孕育前1.4，钛0.02）。而取消硅锆孕育剂，以硅-钡-钙孕育剂代替后，力学性能一下从270跳到350MPa。当时不知道原因，几天之后，在青岛一个铸造会议上，遇见张文和老师，他解释说：锆的固氮作用比钛还要强，这才明白过来。这方面的认识，目前看还很粗浅，很多熔炼实际情况，影响因素很多，还有不同结果，需要继续学习认识。（见照片新乡氮含量）14.氮含量对灰铁力学性能有影响，但是很多实际情况难以解释。a.氧氮仪分析结果是全氮含量，而对力学性能有影响的是溶解氮，化合氮影响小（王云昭老师要求查清氮分析，与力可技术人员交流是全氮含量，烟台52分所把试样送宁波兵器部52所总部，使用美国力可氧氮仪分析，热导法，全氮含量）。b.大多数工厂化验氮含量手段不具备，偶有铸钢工厂光谱仪有氮通道，可以分析氮，准确度有问题。c.硅，钛，锆等等与氮化合的微量元素,对灰铁性能影响的机制，原理不清楚。生产实际中数据积累和试验研究不足。d.个人经历，钛高于0.05%肯定明显影响灰铁力学性能。锆也严重影响。（举例海阳北方机械工厂试验合成铸铁。碳3.0%硅1.4%，孕育后1.7%，钛小于0.02%）（南方知名铸造工厂，废钢90%，回炉料10%试验合成铸铁，有详细报告给我，钛含量非常低，力学性能勉强合格，估计使用了含锆的随流孕育剂）。15.最近看了庞凤荣老师组织翻译，王云昭老师审校的日本人写的“反应论铸铁学”，书中看到专门有一章节谈铸铁中氮的行为。日本人，美国人都在十几年前就注重铸铁中氮引起性能变化和影响，我们国内现在已经开始注意了。王云昭老师在今年五月“铸造工业”技术会议上提出，要把氮作为铸铁中的合金元素来对待。根据王云昭老师的要求，我在会议之后，去烟台这个铸造工厂，追查铸铁氮含量的分析情况，结果是分析的氮是全氮含量。铸铁里面的氮含量包括溶解氮和化合氮，影响力学性能的是溶解氮，化合氮包括与硅，钛，锆等等的化合物。区别溶解氮和化合氮估计比较困难。补充内容：1.灰铁熔炼从冲天炉转变为感应电炉，简单认识是感应电炉熔炼时间比较长，石墨结晶核心在高温下越来越少，容易形成白口，总的解释是冶金质量不如冲天炉好。但是，具体，详细的理论解释很少，而在两种熔炼设备的微量元素含量不同方面，有不少理论说法。2.感应电炉熔炼，对生铁等原材料中的各种元素烧损比冲天炉少很多，即保留了原材料，特别是生铁中的各种微量元素，其中危害元素是钛，铅，碲，等。而冲天炉熔炼，各种元素烧损较大，其中危害元素烧损也较多，为了减少生铁中有害元素对铁水的影响，铸造界现在多以合成铸铁工艺和高纯生铁材料来熔炼铁水。3.那么感应电炉熔炼铁水，如何使其冶金特性接近冲天炉铁水？近几年铸造工作者提出以下一些在使用的方法：a.感应电炉的功率密度配置比较大，保证熔炼时间缩短，即要快速熔炼。（沧州工厂10吨熔炼要3-4小时）。b.严禁铁水在平衡温度以上的高温保温时间过长，减少高温下石墨结晶核心的减少。（二氧化硅微晶问题）。c.生产中如果需要把铁水分几次出炉，铁水在炉内保存时间过长，则以增加铁水石墨核心的各种处理措施来对铁水做“预处理”。一般来讲，大件铸造车间，一炉铁水温度成分合格之后，都是马上出炉，或一包出完，或分2-3包出完，马上浇注铸件。而流水线铸造车间，如果炉子配置较大，要分几次出完铁水。（20吨铁水浇注一天。10吨炉子分4次出完，等待1小时多，南方工厂例子，可以看彩色金相照片）。d.预处理的操作有各种方法：留部分生铁，回炉料（除锈，除砂）或者0.05%-0.1%（高了影响石墨粗大）的高质量增碳剂，都在熔炼后期加入，目的是增加结晶核心。e.铁水温度成分合格，准备出炉前，加入含锆，含钡的预处理剂，或者加入少量细颗粒的冶金碳化硅做预处理剂，再出炉，目的也是增加石墨核心。f.灰铁汽缸体，缸盖铸造流水线车间，则是每次从大电炉出铁水之后，马上在炉内加入同牌号的回炉料，降低炉内温度到平衡温度以下，等下一包铁水准备出炉孕育时，再升温至规定温度出炉。这些同牌号回炉料不仅降低了炉内保温温度，同时也有对铁水的预处理作用。万仁芳老师介绍，二汽铸造工厂，都是这么操作。否则铸件要出问题。g.介绍++工厂流水线浇注灰铁250汽缸体情况。金相照片。