QT5007球墨铸铁熔炼工艺设计毕业论文.docx
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QT5007球墨铸铁熔炼工艺设计毕业论文
QT500-7球墨铸铁熔炼工艺设计
摘 要
合金熔炼是铸造生产中的重要环节。
当前，铸造生产中的废品约有50%与熔炼有关，熔炼铁液的成本约占铸件成本的25%~30%，合金熔炼对铸件质量和成本有着很大的影响。
我们应该针对不同的铸件材质及技术要求选择不同的熔炼方法。
本设计题目为QT500-7球墨铸铁熔炼工艺设计，体现了球墨铸铁熔炼的设计要求、内容及方向，有一定的设计意义。
通过对该牌号球墨铸铁的设计，进一步加强了设计者熔炼工艺设计的基础知识，为设计其它牌号铸铁的熔炼做好了铺垫和吸取了更深刻的经验。
本设计运用铸造合金熔炼的基础知识，首先分析了QT500-7球墨铸铁的成分及性能要求，为选取熔炼设备及炉料做好了准备；然后选取熔炼设备，计算炉料的比例用量；最后设定球化、孕育方法，确定浇注温度参数，进行质量检测及分析。
本设计着重点在于使用冲天炉-感应电炉双联熔炼球墨铸铁。
由冲天炉熔化铁液并进行化学成分含量的初步确定；在感应电炉中高温精炼，调整铁液的化学成分至规定的范围；进一步清除非金属夹杂物和降低气体含量；提高铁液温度至符合出炉球化要求；最终球化及孕育处理，出炉检测。
关键词：
球墨铸铁 双联熔炼 球化处理 孕育处理
QT500-7DuctileIronSmeltingProcessDesign
Abstract
Alloymeltingisanimportantpartincastingproduction.Atpresent，about50%ofthewasteinthefoundryproductionisrelatedtothesmelting.Thecostofthemoltenironisabout25%-30%ofthecostofthecasting.Weshouldchoosedifferentsmeltingmethodsfordifferentcastingmaterialsandtechnicalrequirements.
ThisdesigntopicisQT500-7nodularcastironsmeltingprocessdesign，reflectsthedesignrequirements，contentanddirectionofductileironsmelting，thereisacertaindesignsignificance.Throughthedesignofthistypeofductileiron，furtherstrengthenthedesignersofthebasicknowledgeofsmeltingprocessdesignforthedesignofothergradesofcastirontopavethewayanddrawamoreprofoundexperience.
Thedesignanduseofcastingalloymeltingofbasicknowledge，thefirstanalysisoftheQT500-7nodularcastironcompositionandperformancerequirementsfortheselectionofsmeltingequipmentandchargeready；thenselectsmeltingequipment，calculationburdenratio；finallysettheball，inoculationmethod，todeterminetheparametersofcastingtemperature，qualitydetectionandanalysis.
Thisdesignisfocusedontheuseofcupolainductionfurnaceduplexmeltingofnodularcastiron.Bycupolameltingironliquidandpreliminaryidentificationofchemicalcomponents；intheinductionfurnacehightemperaturerefining，adjustmentoftheliquidmetalchemicalcompositiontothespecifiedrange；furtherclearnonmetallicinclusionsandreducethegascontent；improvethetemperatureofmoltenmetaltomeetreleasedtheballoftherequirements；andeventuallytheballandinoculationtreatment，detectionofreleased.
Keywords:
Ductileiron，Tecastiron，Spheroidize，Inoculationtreatment
目 录
摘要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1球墨铸铁的出现 1
1.2国内外球墨铸铁的发展 1
1.3球墨铸铁的应用 2
1.4熔炼工艺及发展 3
1.5课题来源及意义 4
2熔炼工艺方案的确定 5
2.1熔炼技术要求及分析 5
2.1.1技术要求 5
2.1.2材料性能及分析 5
2.2工艺方案 6
3冲天炉熔炼工艺设计 8
3.1冲天炉熔炼特性及原理 8
3.1.1冲天炉熔炼概述 8
3.1.2冲天炉熔炼的技术要求 8
3.1.3冲天炉的燃烧过程原理 10
3.2炉料的计算 13
3.2.1球墨铸铁原铁液的配比要求 13
3.2.2QT500-7原始资料的确定 13
3.2.3确定元素增减率及增减后成分 14
3.2.4确定配料比并校核 14
3.2.5炉料计算 15
3.3熔炼工艺及参数 16
3.3.1装炉 16
3.3.2炉前控制 16
3.3.3铁液出炉 16
3.3.4脱硫处理 16
3.4熔炼过程的化学反应 17
4电炉熔炼工艺设计 20
4.1感应电炉的熔炼特点 20
4.1.1感应电炉构造及工作原理 20
4.1.2感应电炉熔炼的优缺点及其应用 20
4.2熔炼工艺及参数 21
4.2.1二次脱硫 21
4.2.2脱磷处理 21
4.2.3精炼调整 22
4.3球化工艺 22
4.3.1球化剂 22
4.3.2QT500-7球化剂的选用 24
4.3.3QT500-7的球化处理工艺 24
4.3.4球化剂加入量的确定 26
4.4孕育工艺 27
4.4.1孕育剂 27
4.4.2孕育处理工艺 28
4.5出液浇注 29
4.5.1浇注温度对性能的影响 29
4.5.2球铁的浇注温度 29
5质量检验及分析 30
5.1质量检测 30
5.1.1炉前三角试片检验法 30
5.1.2火苗判断法 30
5.1.3炉前快速金相法 30
5.1.4炉前光谱分析法 30
5.2缺陷分析 30
5.2.1球化不良 31
5.2.2球化衰退 32
5.2.3石墨漂浮 32
6结论 34
致谢 36
参考文献 37
1绪论
铸造是机电装备制造业中铸件生产的工艺过程。
铸造合金熔炼是将固体金属熔炼成液体金属，浇入特制的砂型或金属型以及由其他材料特制的铸型中，待液体金属冷凝后从铸型中取出，经过清理成为铸件。
在机电装备中，铸件重量占其总重量的50%~80%。
在国家高端重型设备、机床、高铁轨道交通机车车辆、汽车、农机、船舶、军工国防、航空航天、化工，电力等工业，每年需要提供给国内外大量铸铁、铸钢、有色合金铸件。
其中生产铸钢的电弧炉已向大容量、超高功率方向发展。
我国北方重工设计的铸钢厂房达8万平方米，采用双层重型吊车，安装40t电弧炉和50tLF、50tVOD精炼炉双联，并预留安装80t电弧炉和100tLF钢包精炼炉。
1.1球墨铸铁的出现
20世纪40年代，H.Morrogh和W.J.Williams研制成功球墨铸铁，使铸铁进入一个新的发展时期，这引起人们极大的重视，球墨铸铁从此得到迅速发展与推广。
球墨铸铁是一种广泛应用于各工业部门的重要结构材料，它的出现使铸铁材料的性能发生了质的飞跃，因此在国内外发展都很快，许多方面已取代了锻钢、铸钢及可锻铸铁的应用，成为产量仅次于灰铸铁的铸造合金材料。
球墨铸铁是指向原铁液中加入球化剂和孕育剂，通过球化及孕育处理，改变一次结晶时石墨的形核和生长条件，使铁液在凝固时碳以球状石墨的形式形核和生长，凝固后铸铁的组织中得到球状石墨的铸铁。
影响铸态球墨铸铁生产稳定性的因素很多，要稳定地生产球墨铸铁，必须把握好化学成分设计，原铁液熔炼、球化处理、孕育处理、炉前处理、浇注、清理及热处理和铸件质量检验等环节。
以往球铁均需通过各种不同的热处理手段方能达到相应的牌号要求，从而耗费能源、污染环境、增加成本、延长生产周期、加重工人劳动强度，因此生产铸态球铁便成为近年来国内外球铁生产方面的一个重要发展方向。
1.2国内外球墨铸铁的发展
我国关于球墨铸铁领域的研究与应用发展的比较快，从1950年研制成功至今，我国球墨铸铁年产量不断突破新高，2009年已经达到870万吨，居世界第一位。
我国球墨铸铁领域的科研工作者经过几十年的努力在球墨铸铁的生产过程中取得多项技术突破和创新。
国内外科技研发人员从石墨的形核机理分析球化处理和孕育处理工艺对石墨形核和长大的影响，超声波技术，热分析技术和计算机技术的应用，合金化技术，磁场处理技术以及半固态处理技术的研发均取得了丰厚的成果。
随着研究者对球墨铸铁的研究越来越深入，球墨铸铁已经在许多领域得到广泛应用。
球墨铸铁相关领域的快速发展能体现在工业生产和制造方面与日常生活及应用方面都得益于研究人员对球墨铸铁基础方面的研究所付出的努力。
20世纪70年代初期，中国、美国、芬兰几乎同时宣布已经成功研制了奥氏体-贝氏体球墨铸铁（ADI）。
奥氏体-贝氏体球墨铸铁具有高强度、高韧性、高耐磨性的特点，其抗拉强度高达1000MPa。
奥氏体-贝氏体球墨铸铁具有很高的经济效益和社会效益，正在逐步取代合金钢，用于制造力学性能要求较高的齿轮和各种结构件。
GF公司近年发布消息，声称已经成功研制了以硅和硼作为合金化元素并且在铸态下具有高强度和高韧性的球墨铸铁，即SiboDur球墨铸铁。
SiboDur球铁在具有高强度的同时保证了高韧性，其综合力学性能远高于传统珠光体-铁素体球铁，在制造承受冲击载荷较大的铸件过程中具有广阔的应用前景。
我国研究人员成功研制了铝与硅合金化的耐热球墨铸铁RQTAL5Si5，适用于各种高温工作环境。
RQTAL5Si5耐热球墨铸铁高温作业寿命比灰铸铁高2倍，比普通耐热铸铁高1倍，并与日本研发的Cr25Ni13Si2耐热钢的使用寿命相当。
1.3球墨铸铁的应用
球墨铸铁具有较高的强度和韧性，其在国内外发展的非常快，年产量已经超过可锻铸铁与铸钢。
球墨铸铁铸件具有高强度、高韧性和低价格等优点，非常符合汽车零件的生产要求。
典型的零件有球墨铸铁曲轴模板，轮毂等。
向铁液中加入适量的钇基重稀土复合球化剂，再通过强制冷却、顺序凝固、延后孕育等工序处理可防止大型球墨铸铁结构件中心部位产生石墨畸变和疏松等缺陷，现已通过该方法成功地制作了37吨重的大型结构件，16.5吨重的柴油机体、截面为800mm的球墨铸铁轧辊等。
用奥氏体球墨铸铁制作的泵体被用于海水淡化装置中，在具备良好的耐蚀性能和力学性能。
现已有净重5~10t的球墨铸铁件用于海水淡化装置。
经过高速离心铸造制成的球墨铸铁管具有良好的材机械性能、延展性能和密封效果，主要用于市政、工矿企业给水、输气和输油等。
采用铸态工艺生产球墨铸铁件能减少热处理设备的投资，简化生产工艺，缩短生产周期，节约能源，节省工时，减少热处理对环境的污染，避免热处理过程中铸件的变形及氧化，减少废品，提高铸件尺寸精度本文针对铸态QT550-7球墨铸铁熔炼工艺过程，从化学成分、铁液熔炼，球化处理、孕育处理等方面介绍熔炼过程的控制。
1.4熔炼工艺及发展
我国是铸件生产大国，年产铸件3500万t以上，全国有两万家铸造厂。
但针对当前铸造行业能熟炼掌握铸造生产的能工巧匠匮乏，严重影响铸件质量的提高。
据数据统计，我国用于灰铸铁件热时效的能耗每吨铸件为40~100kg标准煤，而用于球墨铸铁件退火、正火的能耗每吨铸件为100~180kg标准煤。
我国球墨铸铁件中高韧性铁素体球铁和高强度珠光体球铁占有很大的比重，通常是采用退火、正火处理。
采用铸态球墨铸铁生产技术省去了退火、正火处理工序，节约能源，避免了因高温处理而带来的铸件变形、氧化等缺陷。
所以，推广应用铸态球墨铸铁生产技术，对于铸造行业的节能降耗减少排放，以及提高经济效益都具有非常重要的意义。
铸造合金熔炼是铸造生产工艺过程中极为重要的核心工艺环节，掌握铸铁、铸钢、有色合金熔炼配料计算方法，是获得化学成分合格铸件的关键，运用好配料计算方法，对节约金属材料和燃料，降低能耗，低碳减排，降低铸件成本，提高经济效益和社会效益，有着重要实际意义。
在球墨铸铁的熔炼中，影响铸态球墨铸铁熔炼生产稳定性的因素很多，要稳定地生产球墨铸铁，必须把握好化学成分设计，原铁液熔炼、球化处理、孕育处理、炉前处理、浇注、清理及热处理和铸件质量检验等环节。
采用铸态工艺生产球墨铸铁件能减少热处理设备的投资，简化生产工艺，缩短生产周期，节约能源，节省工时，减少热处理对环境的污染，避免热处理过程中铸件的变形及氧化，减少废品，提高铸件尺寸精度本文针对铸态QT500-7球墨铸铁熔炼工艺过程，从化学成分、铁液熔炼，球化处理、孕育处理等方面介绍熔炼过程的控制。
随着工业生产的不断发展，对铁液的熔炼质量提出了更高的要求。
用较常见的冲天炉熔炼法，已不能完全适应。
为了充分利用冲天炉的熔化效率高和感应电炉或电弧炉对铁液过热能力强、控制化学成分容易的优点，所以采用冲天炉一感应电炉或冲天炉一电弧炉双联熔炼。
此法适用于熔炼高级灰口铸铁、合金铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁等。
1.5课题来源及意义
本论文课题来源于某铸造厂QT500-7球墨铸铁熔炼工艺研究。
本论文使其了解球墨铸造的发展和球墨铸铁件的发展、应用现状及存在的问题，熟悉球墨铸件的熔炼设备、炉料计算、熔体处理工艺等。
通过论文，加深了对铸铁熔炼专业理论知识的理解，提高了的铸造合金熔炼岗位适应能力，为就业打下良好专业基础。
2熔炼工艺方案的确定
合金熔炼是铸造生产中的重要环节。
当前，铸造生产中的废品约有50%与熔炼有关，熔炼铁液的成本约占铸件成本的25%~30%，合金熔炼对铸件质量和成本有着很大的影响。
我们应该针对不同的铸件材质及技术要求选择不同的熔炼方法。
2.1熔炼技术要求及分析
2.1.1技术要求
铸件材质：
QT500-7
熔炼方式：
流水生产，双联熔炼
技术要求：
化学成分、金相组织、力学性能达标
2.1.2材料性能及分析
QT500-7为铁素体型球墨铸铁，强度与韧性中等，被切削性尚好。
低温时，韧性向脆性转变，但低温冲击值较高，且有一定抗温度急变性和耐蚀性。
广泛用于内燃机的机油泵齿轮，汽轮机中温气缸隔板，水轮机的阀门体，铁路机车车辆轴瓦，机器座架传动轴等。
QT500-7球墨铸铁的基体组织是珠光体+铁素体（珠光体25%~35%、铁素体65%~75%），石墨等级4~5级；其抗拉强度σb（MPa）:
≥500，条件屈服强度σ0.2（MPa）:
≥320，伸长率δ（%）:
≥7，硬度:
170~230HB。
化学成份如表2-1
表2-1QT500-7化学成分含量（质量分数，%）
化学元素
C
Si
Mn
S
P
Mg
稀土含量RE
成分含量
3.55~3.85
2.34~2.86
<0.6
<0.025
<0.08
0.02~0.04
0.03~0.05
其中各元素对QT500-7组织性能的影响如下：
（1）碳和硅
碳和硅是促进石墨化元素。
在一定的冷却速度和孕育条件下，碳当量增加可以提高球铁的石墨化程度，碳以碳化物的形态存在的数量减少，以石墨形态存在的数量增加。
选择含碳量应保证球墨铸铁具有良好的铸造性能和力学性能。
高碳量有助于获得健全铸件。
碳能促进镁的吸收，改善球化效果，能够促进石墨化，减小白口倾向，增加石墨核心，使石墨细化，提高石墨球的圆整度；可以提高铁液的流动性，增加凝固时的体积膨胀，减少铸件的缩孔体积和缩松面积，使铸件致密。
过高的碳容易产生石墨飘浮、碎块状石墨等铸造缺陷，使铸件综合性能降低。
针对QT500-7，碳当量可以在4.5%~4.8%，含碳量选取3.6%~4.0%；硅量2.4%~2.9%。
（2）锰
锰是形成碳化物能力比较强的元素。
在一次结晶过程中锰增加铸铁过冷倾向，促进形成碳化物（Fe，Mn）3C。
在共析转变过程中，锰降低共析转变温度，稳定并细化珠光体。
对于铸态铁素体要防止一次渗碳体及过多的珠光体，根据炉料条件要求一般锰量低于0.5%。
（3）硫和磷
硫与镁、稀土亲和力很强，消耗铁液中的球化元素，形成MgS、稀土硫化物渣，降低球化率；硫高易造成球化元素残留量而导致球化不良，还易形成皮下气孔、夹渣等缺陷，严重影响球铁的性能。
故要求铁液中含硫量尽可能的低。
含硫量要控制在0.03%以下。
Fe-P二元合金中磷，在α-Fe中最大溶解度为2.8%。
球铁中，由于其它成分的影响，磷的溶解度很小，当含磷量超过溶解度极限时，磷以磷共晶形态析出。
由于成分、冷却速度、偏析等原因，球铁含磷1%时就可以出现磷共晶。
2.2工艺方案
优质的铁液是获得优质球墨铸铁的关键，可以说我国球墨铸铁生产和国外工业先进国家的差距主要表现在铁液熔炼的质量方面。
其中既有设备条件的因素，也有技术水平的因素。
适用于球墨铸铁生产的优质铁液应该是高温，低硫、磷含量，低的杂志含量（如氧及反球化元素含量等）。
球墨铸铁的球化、孕育处理过程中要加入大量的处理剂，这使得铁液温度要降低50~100℃。
此时，为了保证浇注温度，铁液必须有较灰铸铁高的多的出炉温度，如至少应在1450~1470℃以上。
国外通常要求在1500℃以上。
其次，由于处理剂带入硅，因此要求原铁液有较低的含硅量（质量分数小于1.2%~1.4%），这就要求选用专供球墨铸铁生产用的低硅生铁。
为了扩大球墨铸铁用生铁来源、也可选用低硅团块状球化剂。
低含硫量的铁液是对球墨铸铁生产的又一要求，这除了对原材料的含硫量加以限制外，还包括对冲天炉使用焦炭含硫量的要求。
为了获得满意的低硫、高温铁液，采用冲天炉-感应电炉或冲天炉-电弧炉双联熔炼，中间配合有效的脱硫措施是十分有益的。
根据技术要求结合实际，我们采用双联熔炼，双联法熔炼是较先进熔炼铸铁方法之一。
随着工业生产的不断发展，对铁液的熔炼质量提出了更高的要求。
用较常见的冲天炉熔炼法，已不能完全适应。
为了充分利用冲天炉的熔化效率高和感应电炉或电弧炉对铁液过热能力强、控制化学成分容易的优点，所以采用冲天炉-感应电炉或冲天炉-电弧炉双联熔炼。
此法适用于熔炼高级灰口铸铁、合金铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁等。
由于冲天炉－感应电炉的双联熔炼技术在铁液的过热和净化方面具有非常明显的优势，近些年来得到长足发展，尤其是高效热风、长寿命冲天炉与感应电炉的双联熔炼得到普及和推广，极大地改善了铸造熔炼的节能与减排，也大大地提高了铸铁件的冶金质量。
所以我们选用冲天炉-感应电炉的双联熔炼技术。
冲天炉-感应电炉双联熔炼的主要特性：
能较可靠地实现铁液供求平衡，最大限度地发挥熔化炉的能力，可回用冷铁液和浇注剩余铁液，方便生产组织；铁液温度、成分较稳定，并能进行成分调整、合金化、脱硫处理，一种成分铁液浇注多种牌号产品；能缓建冲天炉熔炼与生产需要量间的矛盾，可在保温炉内调整铁液成分，获得高温低硫铁液，降低铁液成本，取得较好的经济效益。
3冲天炉熔炼工艺设计
3.1冲天炉熔炼特性及原理
当前我国的铸铁生产中，铸铁的熔炼仍然是以冲天炉为最主要的熔炼设备，而其中又以中小型冲天炉占主要地位。
冲天炉熔炼可连续出铁液，适合于各种批量和规模的生产需要；设备费用低，占地面积少；可提供优质的铁液，铁液品质稳定，特别是对高牌号的铸件。
不足之处是熔炼过程排放大量的灰尘和废气，易造成环境污染；铁液吸收焦炭中的硫，对生产球墨铸铁不利；铁液的化学成分和温度波动较大。
由于可以进行连续熔化，铁液实际利用率较高；在炉内进行的造渣反应允许使用各种金属炉料；当满足了炉内焦炭、风量的适当配合，建立了焦炭燃烧的基本热力学条件时，设定并选择良好的焦炭、风接触界面的动力学条件，就可对炉料施以正常的熔炼。
3.1.1冲天炉熔炼概述
熔炼时，在炉膛内先将焦炭加到风口以上一定高度并将其点燃（这部分焦炭称为底焦）。
空气由风口吹入炉内，使焦炭激烈地燃烧。
底焦上面加铁料，铁料被加热熔化，熔化后的铁液即沿底焦间隙向下流动。
由于底焦温度高，铁液向下流动的过程中继续被加热，使铁液温度进一步提高，最后流入前炉储存。
一批铁料熔化后，由于底焦的燃烧消耗，必须补加一批焦炭，这时加入的焦炭称为层焦。
在熔炼过程中，为了保证炉内焦炭的正常燃烧，应清除焦炭表面的杂质，这有利于炉内冶金反应的进行，因此需要随焦炭加入一定量的石灰石熔剂。
加层焦后继续加铁料。
为了使铁料在熔化前能够得到充分的预热，层焦和铁料应一批一批地不断向炉内加入，直到加料口下沿，使铁料料面稳定在一定的高度上。
根据车间的生产要求，炉后不断加料，炉前不断出铁，直到熔化任务完成为止。
在冲天炉内，铁料主要的熔化区域称为“熔化带”。
“熔化带”以上到加料口之间是铁料进行预热的地方，故称为“预热带”。
熔化带以下到第一排风口之间事铁液进一步加热升温的地方，故称为“过热带”。
3.1.2冲天炉熔炼的技术要求
冲天炉熔炼是铸铁熔炼的主要方法之一。
对冲天炉熔炼的技术要求是优质（铁液）、高产、低耗、长寿与操作便利五个方面。
（1）铁液质量要高铁液质量包括铁液温度和铁液化学成分两个方面。
1）铁液温度高。
在铸铁熔炼中，铁液温度通常作为一个基本的技术指标进行控制。
铁液温度的高低对铸件质量影响很大。
高温铁液流动性好，可以顺利地充满铸型，也有利于气体和杂质从铁液中排除，避免产生冷隔、气孔等缺陷。
铁液温度根据铸铁的牌号、铸件结构、工艺特点等合理确定。
铁液温度的控制不仅要达到必要的高温，而且要保证必要的稳定性。
因为温度的忽高忽低不仅给浇注工作带来困难，而且对铁液的成分、力学性能的稳定是不利的。
2）化学成分波动小。
为了保证铸铁获得所需要的组织和性能，铁液必须准确地
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