现代灰铸铁熔炼技术

前言

铸铁作为结构材料历史悠久，因为它具有耐磨、耐热、耐氧化、耐腐蚀、耐酸碱及好的减震性；与其他合金比较又具有熔点低、充型性好、加工性好和成本低廉的优越性，所以随着社会文明和人们生活水平的提高，铸铁的应用会越来越广。

铸铁的发展决定于吸收和采用先进工艺、材料和控制技术。严格控制冶金因素、合理选择铸铁成分，以及控制金属的冷却与结晶，不降低碳当量也能生产出高强度、低硬度、低应力的薄壁高强度灰铸铁。

灰铸铁的产量仍占铸铁件的首位，为促进其水平的提高与发展，作者就控制冶金因素诸方面，提出些意见。

1原材料的选择

1.1多用废钢

在回炉料使用相对平衡的条件下，减少新生铁用量，多用废钢熔炼，其理由如下。

（1）新生铁（特别是高碳量新生铁）本身含有粗大的石墨片，虽然经过重熔，但石墨的熔点，在重熔过程中石墨不能熔尽，在结晶中变成了石墨结晶的核心，使石墨变得粗大，成为铸铁组织中的薄弱环节，故使用新生铁多，形成粗大石墨的机率多。

（2）废钢的使用量直接与生产的铸铁强度相关，东风公司铸铁一厂使用工频炉熔化，生产发动机缸体铸件，

（3）使用废钢是在熔化中增氮的一项措施，氮是促进珠光体元素，随氮量升高，石墨变短、变厚、呈秃头状，但含量过高容易产生裂纹状气孔。

（4）废钢组织成分的纯净度高，硫、磷等非金属夹杂物低，但却保留有微量的合金元素。

（5）增加废钢可减少新生铁用量，可以削弱新生铁产地的遗传因素影响。

（6）使用废钢代替新生铁，可以大大降低原材料价格。

1.2使用炼钢生铁

（1）炼钢生铁比铸造生铁价格低。炼钢生铁含硅量低，基体组织致密。

（2）使用炼钢生铁做炉料，在炉料中加入硅铁或在出炉前加入硅铁，控制硅质量分数杂质含量少，白口小、铁液流动性好、收缩小，可生产薄壁铸件，缩孔废品低，至渗漏现象也大大降低。

（3）使炼钢生铁熔化铸铁，在成分相当的条件下比较：硬度差小，石墨呈短片状分布均匀、晶粒细、珠光体分散分布。

1.3低合金化

国外许多发动机的缸体、缸盖等铸件，成本略有增加，但所获得的性能，无论是铸造性能、强度、耐磨、寿命，或是间接效益都会赢得用户的欢迎。这些合金元素被称为稳定化元素，加入十分方便。

2合理的熔化操作

2.1熔化设备的选择

熔化技术一直围绕节约能耗、提高铁液质量、改善劳动环境方面进行改进，当前总的趋势是发挥冲天炉熔化热效率高的功能，在条件允许下用感应炉升温并调整成分。

冲天炉已发展预热送风，开发了多种型式的集尘装置，炉衬寿命也在不断提高，国内有4-6t/h的小炉也可连续作业一周。计算机在冲天炉上应用也日益广泛，可进行监控，自动对各项参数进行调整。

用工频炉熔化铸铁，由于铁液保持时间长，铁液的搅拌作用又强，铁液氧化严重，减少了石墨核心、白口倾向加大、缩孔倾向大、铁液的流动性差。熔化与保温同炉操作也不经济，一般月产700t以上的单位多用冲天炉B感应炉双联较多。月产100-700t单位，由于可控硅的应用，使中、高频感应炉得到发展，投资费用降低、熔化效率显著提高，铁液氧化现象减少，明显改善铁液质量。

2.2使用工频感应炉熔化铁液

工频感应炉熔化铁液较慢（10t炉熔化要3h），铁液存在时间较长（冲天炉铁液高温经历仅几min），又有翻腾的特点，所以铁液氧化现象严重。为尽量避免和减少不利的一面，在操作中须注意如下几点。

（1）调整铁液中硫的含量。一般控制在0.04%~0.08%范围。工频炉熔化硫量带入较少，硫量过低，孕育效果差，所以在配料中通常用黄铁矿增加硫量。

（2）调整碳量。工频炉熔化高温铁液持续时间延长，碳的波动较大，为改善石墨形态，配料比冲天炉铁液碳量应高出0.05%~0.1%，减少白口倾向。操作中常用碎废电极石墨棒做增碳剂。

（3）合理的加料顺序。要根据工频炉熔化特点合理装料，才能获得好的配料结果。装料顺序应为：增碳剂!废钢!回炉料!新生铁!铁合金。新生铁用量不足10%时，一般在熔化后期加入，铁合金在出炉前加入。这种装料顺序化学成分变化较小，也容易控制。

（4）快速熔化。短时间不需要铁液供应时采用固体炉料保温，当需要时应快速熔化，以使铁液氧化造成的损失降到小。为了快速熔化，尽量使熔化期缩短到30min，如今发展为加大功率密度，用倍频炉（180~540HZ）操作。

在设备难以改动情况下，要控制一次配料成分合格率，这样可缩短高温调整时间。

3炉前操作

3.1控制出铁温度

在相同条件下铁液温度对质量有很大的影响，随着温度的提高其性能变化。

温度低时珠光体与铁素体的组织变化起主导作用，当温度逐渐升高，除组织变化外，晶粒逐渐变细，珠光体片间距减少起作用。

铁液温度的提高，主要受益的是铁液纯净度改变，同时也改变了组织结构。但并非温度越高越好，温度过高，烧损也严重，C及Si的高浓度微区也会减少，容易形成枝晶骨架和E型石墨，所以铁液应保留部分过饱和的氧，有利孕育效果的加强，一般控制在1500摄氏度出炉为宜。

3.2使用热分析技术

炉前利用热分析方法，不足2min就能确定碳、硅、碳当量的多少，并从冷却曲线的几个拐点上了解到初生奥氏体的形核过冷温度、奥氏体生长期的冷却速度、共晶石墨或共晶渗碳体形核的温度、共晶生长的过冷度，以及共晶生长的时间、温度和速度，从曲线的变化就能确定铸铁组织的变化及石墨的形态，有时可以当机立断采用不同孕育加以调整改进，又可观察到孕育改进后铁液凝固的变化。

用热分析技术，可以从容掌握与控制铸铁性能，是较为灵验的方法。

3.3孕育技术

炉前孕育是生产高级铸铁的必备手段，是减少白口、促进.型石墨生成、增加共晶团数的重要措施，当铁液中硫量为0.04%~0.05%时，用0.2%~0.3%的75SiFe孕育，能产生明显的孕育效果。

根据原铁液成分的不同，要求铸铁性能的不同，已开发出了各种孕育剂。从结晶状态分析：减少断面敏感性使其在凝固期间能够产生更多的晶核是关键，

3.4控制浇注温度

控制浇注温度，一方面是保留有好的充型性，更重要是使铁液在型内的均匀性提高，以降低冷却速度、减少过冷度、尽量使型内铁液冷却一致，从而达到组织均匀和硬度均匀的要求，也是提高铸铁品质系数（即相对强度与相对硬度之比）的重要措施。

浇注温度过高收缩增加，容易产生缩孔与缩松，温度过低，虽然能够充满铸型，但容易产生夹杂、气孔等缺陷，铸件内部组织的不均匀性增加。

3.5注意铁液保温

在工业先进国家多用有盖浇包使其保温，有利除渣、有利铁液的均匀性。

包上加盖难度较大，但我们已经开发出有商品供应的集渣剂（珍珠岩类），不仅保温性好，而且可以减少污染，改善劳动条件。坚持使用集渣剂，既是一项保温措施，也是减少铸件夹杂、气孔废品的一项手段。

4灰铸铁熔炼的几点建议

4.1气体对铸铁性能的影响及控制

4.1.1氧在铸铁中有一定溶解度，且随铁液温度及碳、硅含量而变化，但更多的氧以氧化物存在于晶粒之间变成夹杂物，恶化了结晶过程中的补缩，也影响到铸铁强度。

铁液温度高氧化程度高，铁液温度低自脱氧不足，孕育消失快，容易出现针孔、气孔、混合石墨，并使力学性能降低。

有人说，孕育能脱氧，所以冲天炉熔化比电弧炉熔化所需孕育剂少，而电弧炉又比感应炉用量少。氧对灰铸铁的影响涉及一系列因素，是今后要着重研究的课题。

4.1.2氮为珠光体稳定元素，但含量过高容易造成裂纹状气孔，并降低密封性能。氮对铸铁的影响机理及其控制措施，当前试验研究不多。盲目把氮当做铸铁冶炼中的惰性气体可能有误。

4.2铸铁结晶过程

如今钢及某些有色合金（如锌铝合金）可通过细化组织，或通过添加元素、或通过热处理工艺而获得超塑性，或其他特殊性能。通过对铁液结晶过程的研究，不仅能掌握石墨形态变化的规律，更可以从结晶过程的控制使铸铁性能达到一个新的境界。

4.3树立质量第一的思想

质量的概念就是满足用户需要，生产铸件不仅要满足图样上要求的各项标准，还要满足下道工序的要求。