铸钢及其熔炼

第二节　铸钢及其熔炼

一、铸　钢

1.铸钢的分类

铸钢根据化学成分的不同，分类如下：

其中ω_c代表含碳量；ω_R代表合金元素的总含量。

2.铸钢的牌号及性能

根据GB5613—95规定，铸钢用“ZG”表示，“ZG”是“铸钢”两字汉语拼音的第一个大写字母，后面有两组数字，分别表示屈服强度和抗拉强度的最低要求值，单位为MPa。铸造合金钢的规定是在“ZG”后面，第一组数字表示碳的名义万分含量，其后面的每个化学元素符号及其后面的数字分别表示钢中含有的合金元素及其百分含量。

铸钢力学性能及化学成分见表5-8。

表5-8　工程用铸钢牌号、化学成分和力学性能

合金钢的使用性能和力学性能都优于碳素铸钢，低合金铸钢主要是具有较高的力学性能，而中合金钢、高合金钢具有较高的耐磨性、耐蚀性、耐热性以及高温力学性能等。

3.铸钢的铸造性能

铸钢和铸铁相比，铸造性能差。它的流动性低，易氧化形成夹渣，体收缩和线收缩大，铸件易产生缩孔、冷裂和热裂等缺陷。

（1）流动性。钢的流动性体现了它充填铸型的能力。钢常以树枝状晶的形式结晶，这种树枝状晶体交织在一起，阻碍钢水流动。部分钢水凝固后形成犬牙交错的树枝状晶体，阻隔了钢水的流动通道，使钢水失去流动能力。因此，铸钢件易产生浇不足、冷隔等铸造缺陷。

钢中碳量和硅量增加，钢的流动性增加，磷量增加，也提高流动性。浇注温度提高，钢的流动性增加。因此，在铸造工艺上与铸铁相比，铸钢要求高的浇注温度。为提高充型能力，浇口尺寸比铸铁件要大。

（2）铸钢的收缩性。由于铸钢没有石墨析出过程，其液态收缩和凝固收缩均比灰铸铁大3倍左右，固态收缩比灰铸铁大2倍左右。灰铸铁的线收缩率在0.7%～1.0%之间，而铸钢件线收缩率在1.4%～2.3%之间。铸钢的收缩性大，铸钢件产生缩孔、缩松、冷裂、热裂的倾向大，因此，铸钢件的生产必须采用冒口补缩。

二、铸钢的熔炼操作

炼钢的方法虽然有多种，但铸钢车间最常用的是碱性三相电弧炉炼钢法。这里就这种炼钢法加以介绍。

1.炼钢材料

炼钢所用材料种类很多，概括起来分为三类：耐火材料、金属炉料和其他辅助材料。

（1）耐火材料。碱性电弧炉的耐火材料主要是镁砖、镁铬砖、碳砖、镁碳砖和镁砂等，用来砌筑炉体或修补炉衬。镁砂用的粘结剂是焦油沥青和卤水，一般打结炉衬时用焦油沥青，修补炉衬时用卤水。

（2）金属炉料。电弧炉炼钢的金属炉料包括废钢、废铁、生铁、脱氧剂和各种铁合金等。电弧炉用的生铁为炼钢生铁，要求硫的质量分数小于0.05%，磷的质量分数小于0.1%；废钢是电弧炉炼钢的主要材料，因其来源复杂，应严格分类保管，以便合理地利用废钢中的各种元素；铁合金的作用是调节钢液的化学成分，常用的有锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钛铁、钨铁和钒铁等。

（3）辅助材料，有氧化剂、还原剂、增碳剂和造渣剂等。

电弧炉用的氧化剂有铁矿石和氧气；还原剂（脱氧剂）有锰铁、硅铁、铝和焦炭等；常用的增碳剂有焦炭、碎电极等；造渣剂有石灰石、石灰和萤石等。

所有的炉料应注意保管，严防混杂和潮湿。

2.碱性电弧炉炼钢操作

碱性电弧炉炼钢分为氧化法、不氧化法和吹氧返回法三种。氧化法目前应用较多，用这种方法能够熔炼低碳钢、低合金钢和高合金钢。

碱性电弧炉氧化法炼钢过程可分为补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期和出钢等几个阶段，下面来叙述其操作及工艺要点。

（1）补炉。每炼完一炉钢，炉衬都受炉渣和钢液的冲刷和侵蚀，在下炉钢装料之前都要补炉，修补炉底和被侵蚀的渣线及被碰坏的部位，以保持炉体的正常形状。补炉材料用焦油沥青拌镁砂或用卤水拌镁砂。补炉操作要点是：高温、快补、薄补。即出完钢立即扒清残钢，残渣，迅速进行补炉操作。一般是用大铲贴补或用铁锹投补，这样能使补炉材料牢固地烧结在炉衬表面，避免发生镁砂层剥落现象。但烧结层的厚度要适当，关键要薄补，太厚烧结不好，易脱落进入炉底。烧结层厚度要小于30mm，需要补得更厚时应该分层补，每层补完后，通电烧结。

（2）装料。补炉完毕后即可装料。装料时先在炉底铺上一层石灰，石灰的重量约为炉料重量的2%，石灰主要是造渣用，同时也能减小炉料对炉底的冲击作用。然后在石灰上面铺一层中小块度的炉料，其尺寸在100mm×100mm×100mm～250mm×250mm×250mm，将大块料装在电极下面的高温区，其料块尺寸在250mm×250mm×250mm～600mm×350mm×250mm，大块料之间的间隙用小块料塞紧，然后在大块料的四周放中小料，最后在上面放一层小料。为容易引弧，每根电极下放置3～4块焦炭。它能保持电极端部的温度，稳定电弧。装好的炉料顶面应为球形，炉料装得紧实、牢靠，有利于导电和传热，防止熔化时发生大塌料而损坏电极。

一般3t以上的电弧炉用料罐从炉顶装料，小型电弧炉一般采用人工装料。

（3）熔化期。熔化期的任务是：迅速熔化固体炉料，并在钢中进行脱磷，防止钢液吸气和金属元素烧损。

熔化期的操作，装料完毕，要认真检查以下各项工作：电极是否夹牢，长度是否足够熔炼一炉钢；电极周围的密封圈安装是否正确；电炉的冷却系统有无障碍；电炉上有无引起短路的物体。上述各项检查确认已经达到要求即可开始通电熔化，电极下面最先熔化，形成三个孔。当电极下降到炉底后，为了继续熔化炉料则提升电极，在电极提升的过程中，旁边的炉料会自动塌落下来，这样，炉料就逐渐被熔化。远离电极的炉料不易被熔化，可以人工用耙子将这些炉料推到电极下面助熔。

在熔化过程中，为防止钢液在电弧下吸氧和氧化，为了除去一部分磷，一旦熔化形成熔池就要造好渣，开始分批投入造渣材料——石灰，加入的石灰量为炉料重量的1%～2%。为了调整炉渣的流动性，可以加入适量的萤石。

炉料熔化后形成钢液熔池，炉料中的铁、硅、锰、磷等元素被炉气中的氧所氧化，生产的氧化物与石灰化合，形成炉渣覆盖住钢液表面。为了脱去一部分钢液中的磷，在熔化末期分批投入小块矿石，其总量为炉料重量的1%～2%。炉料熔清后，熔化期结束，这时炉渣中含有大量的磷，此时，应将熔池中的大部分炉渣排到炉外，然后再加入石灰、萤石另造新渣。

当炉料熔化到90%左右时，取样分析钢液中的碳元素含量。待熔清后取样对钢液进行全面分析，掌握各种元素含量，作为炼钢后几个阶段控制元素含量的依据。

为了缩短氧化期，常采取如下措施：

1）吹氧助熔。当炉中约有一半炉料被熔化后便可吹氧助熔，提高熔池的温度，并可吹氧切断大块炉料，消除搭桥的现象；

2）用燃料辅助加热。废钢达到红热之前，吹氧还不能使金属元素激烈氧化发热。这时，可用氧气和煤气燃烧来加热炉料，这样有利于缩短熔化期。

（4）氧化期。炼钢过程中进行硅、锰、磷和碳等元素氧化反应的阶段叫氧化期。氧化期的第一阶段主要是造渣脱磷以及去除钢液中的气体和非金属夹杂物，这一阶段钢水温度较低，脱磷造渣材料是矿石（Fe₂O₃）、石灰石、萤石。脱磷造渣去渣后，将钢液温度提高到1550℃（热电偶测温）以上，则进入第二阶段。

氧化期的第二阶段是氧化脱碳、沸腾精炼和去除钢液中的气体和夹杂物。氧化脱碳的方法有矿石脱碳法、吹氧脱碳法和矿石—氧气结合脱碳法三种。

矿石脱碳法。铁矿石的主要成分是氧化铁，把矿石加入钢液后，钢中的碳就与氧化铁反应而生成大量的一氧化碳气泡，造成钢液沸腾，钢液中的氮、氢等气体也一同被一氧化碳气泡带出，同时悬浮在钢液中的夹杂物也被气泡吸附带出钢液而进入炉渣，从而钢水得到净化。由于矿石脱碳是吸热反映，加入矿石后钢液温度降低，因此，必须分批小量加入，可按每吨钢液每批加入矿石10～15kg为宜，但最后加入的一批矿石不能超过10kg。

采用吹氧脱碳法，可以缩短熔炼时间，氧气压力为0.6～0.8MPa，吹氧管一般为φ13～19mm的钢管，吹氧过程中要不断地移动吹氧管，使整个熔池沸腾比较均匀。吹氧脱碳见图5-12。

图5-12　电炉吹氧助熔示意图

1-吹氧管　2-工作门　3-钢液

采用矿石—吹氧结合脱碳法时，在吹氧的同时分批加入矿石。

随着碳的氧化沸腾，当含碳量略低于规定要求时，停止加矿石或吹氧，使钢液净沸腾5～15min，炉子大时间还应长一些，小炉的时间可短一些。通过净沸腾，让残存在钢液中的过量氧化亚铁继续与碳反应，可以进一步净化钢液。当钢液的含磷量和含碳量符合要求，钢液温度高于出钢温度时，可以停电扒渣，扒除氧化渣后，进入还原期。

（5）还原期。碱性电弧炉还原期的主要任务是脱氧、脱硫、合金化和调整化学成分以及最后调整钢液温度。

目前，国内电弧炉熔炼铸钢应用最多的是综合脱氧法。即在氧化期完成后，迅速扒净全部氧化渣，往熔池中加入锰铁进行“预脱氧”，接着加入石灰∶萤石=4∶1的稀薄渣料，造薄渣覆盖钢液，其加入量为钢液质量分数的2%～3%。稀薄渣形成后马上造还原渣脱氧和脱硫，还原渣有白渣和电石渣两种。白渣适用于熔炼低碳钢、中碳钢；电石渣适用于熔炼高碳钢。

白渣的造渣方法是先加入石灰和萤石，当其熔化后再加入炭粉。每吨钢液加入石灰8～12kg，萤石1～2kg，要关紧炉门和电极孔10～15min。炉渣中碳起脱氧作用，石灰石起脱硫作用。造渣材料每隔6～8min加入一批，以保证还原反应连续进行。第二批及以后各批造渣材料中，每吨钢液加入石灰4～6kg，硅铁粉2～3kg，硅铁粉起脱氧作用。还原期开始时，渣的颜色（冷却之后）是黑色并发亮，以后逐渐变质，加入硅铁后，渣逐渐变白，直到形成良好的白渣为止。一般钢液在良好的白渣下，还原时间不少于25～30min。

电石渣的造渣方法是先加入石灰和萤石，当其熔化后再加入炭粉，每吨钢液加入石灰8～12kg，萤石1～2kg，炭粉4～5kg。封闭炉门，封好电极孔，加大电流15～20min，形成炉内高温。这时，焦炭在高温下与石灰反应，生成电石，电石参加反应造成脱硫脱氧。为了继续脱硫和脱氧，每隔10min左右加一批造渣材料，每批造渣材料中，每吨钢液加入石灰4～6kg，炭粉1～2kg。调整炉渣的过程要一直进行到形成良好的电石渣为止，电石渣还原时间为20～30min。进行完毕后，应把电石渣氧化成白渣，否则，电石渣较粘，不易与钢水分离而流入铸型。方法是将炉门打开，让空气进入炉内，渣中的电石就会被空气中的氧所氧化而变成石灰，呈白色。

钢液经过充分还原后，检测其含氧量和含硫量都已降到合格的程度，随后测量钢液温度，如果钢液温度达到要求，则调整钢液的化学成分。熔炼碳素钢加入适量的硅铁和锰铁来调整钢液的含硅量和含锰量。熔炼合金钢时，除了加硅和锰外，还要调整其他合金元素的含量。

化学成分和出炉温度都调整好以后，加铝或钛进行最终脱氧，加铝量为钢液质量分数的0.1%～0.15%。用铝脱氧有插入法和冲入法两种操作方法，插入法是在电极停电后，将铝块插入炉内钢液中进行脱氧，插铝后马上升起电极倾炉出钢；冲入法是将铝块放在出钢槽中或浇包底部，利用钢液将铝冲熔进行脱氧。插入法脱氧效果优于冲入法。

（6）出钢。还原操作使钢液成分合格，脱氧良好，温度合适后即可出钢。首先准备好各种工具和浇包，清理干净出钢口和出钢槽，然后专人操作倾炉机构倾炉出钢。出钢时要求钢液流柱要粗，不能散流，将钢液和钢渣全部倾入浇包中，然后在钢液表面盖上保温材料。钢液在浇包中镇静5min以后开始浇注。