铁液是铸铁质量之本

作者：钱立 张宏标 赵耀昌

欢迎访问e展厅 展厅 1 炼钢炉/冶金机械展厅 连铸机, 轧钢机, 熔炼炉, 水冷套, 电炉铁芯, ... 在铸造合金家族中，各类铸造合金的发展取决于其优势的发扬和劣势的抑制。铸铁与铸钢、有色合金相比，铸造性能较好，容易铸出形状复杂、壁厚不匀的铸件而较少产生铸造缺陷。因此，铁液的利用率高，产品的适用面广。此外，石墨铸铁还有一些与生俱来的，诸如减摩性、缓震性、切削性、疲劳断裂性等方面的良好特性。 在材质竞争中，提高铸铁的比强度、增加强韧性、消除内在缺陷，对于减轻铸件重量，延长服役期，节约材料是非常重要的。为了保证铸铁性能的可靠性和稳定性，首先必需有良好的铁液质量。 一铁液质量的内涵 铁液质量包括：温度、成分及成分精度，有害元素含量，非金属夹杂物数量、气体溶量和炉外可造性等。 铁液质量的控制分为熔炼，炉前处理和过滤三个环节。以下择要简述之。 二熔炼 1.冲天炉要上新台阶 ①获得高温铁液 尽管铸铁件浇注的工艺温度并不高，不同铸铁大多在1260℃~1400℃之间。但从获得优质铁液的观点看，应有较高的熔炼温度。高温熔炼保证了高的出铁温度，Fe、Si、Mn烧损少，炉况稳定，化学成分波动小。以发达国家为例，冲天炉内C的波动可控制在±0.05%，Si的波动可控制在±0.1%。高温熔炼，铁液中的S、O、H、N及夹杂物都会减少，炉料的不良遗传性将会减弱。 冲天炉获得高温铁液有三种方法：一是好的炉型，如两排大间距，冷风+固定碳在85%以上的优质焦炭，出铁温度可在1480℃以上。二是富氧送风，此法简便，调温迅速及时，但受供氧条件的制约，局限性很大。三是热送风，不同热风装置风温由150℃至600℃不等，适于开炉时间较长的工厂使用。 我国铸造厂多数生产规模较小，因此在相当时期内，“方法一”将是主要的措施。冷风作业，冲天炉的热利用率低，从可持续发展的战略考虑，热风冲天炉符合节能的国策，而且可结合着解决环境污染，满足社会生态要求。随着世界经济一体化进程的发展，铸造业必将重组、兼并，扩大规模，实行集约化生产，热风作业将逐步扩大其应用范围。采用热风与否必须考虑的两个问题是，是否有足够的连续作业时间，以及一次性投入的多少和投资的回收期。 利用炉气物理热的炉胆热风，风温在150℃~250℃，稳定在300℃以上的尚少。这种炉子配合中等以上品质（固定碳>80%）的焦炭，可得到1450℃~1500℃的铁液。同时利用物理热和化学热的冲天炉，风温在400℃~600℃，出炉温度可超过1500℃。风温在350℃以上，冲天炉有明显的冶金效果，炉内氧化气氛大为改善，炉渣活跃，渣中FeO<3%,铁液S低，炉内元素烧损减少，湿底作业时[Si]有所增加。从我国工厂经济实力考虑，应该着力开发高效、实用、经济型的热风冲天炉。 除了优质焦和热风外，含有CaO的铸造电石和特种碳化硅压铁加入炉内都有提温的辅助作用。铸造电石还是一种强脱硫剂；特种碳化硅压块作为炉料兼有增硅增碳和促进炉渣脱硫的功用。 ②稳定炉膛尺寸 低质炉衬材料会带来一系列不良的影响：炉衬侵蚀物污染铁液；侵蚀物改变炉渣的物理化学性状，从而影响炉子的顺行和去硫效果；炉膛扩大，破坏熔炼的稳定性，开炉时间一长，后期会出现铁液温度下降，烧损增多，铁液氧化的现象。 开炉在8–12h时，应重视炉衬材料的品质，敷捣料湿度要小，捣打密度要大。封炉连续作业时，炉体与风口应进行水冷，炉身、炉缸采用高铝砖、ASC砖和ASC捣打料。该类炉子的连续工作时间，视系统设计、炉衬质量和管理水平的不同，变动于1~6周。目前国内已有生产优质炉衬材料的厂家和经销国外产品的公司。 2.使用中频感应炉 近年来，作者走访了长江三角洲、珠江三角洲和胶东地区，发现采用感应炉或与冲天炉双联的工厂不少。感应炉铁液的质量高，常是国外采购商和国内主机厂指定的供货条件。 进入二十世纪九十年代，第三代晶体管模块中频炉取第二代传统可控硅中频炉而代之。这种炉子的特点是节电、熔化速度快、升温迅速、操作简便、工作可靠、对电网无干扰、功率因素高。有的还可以实现一台熔化，另一台保温或预热的一拖二操作。 变频中频炉可满足不同熔炼阶段的不同工艺要求。当熔料时，用较高的频率实现快速熔化；当增碳时，改用较低的频率，增加铁液搅拌力，加快增碳过程，从而达到缩短时间、节省电力的目的。有的炉子还能随液面高度的不同自动调节功率。近期国外推出的宽炉体感应炉，可实现大料直接装炉。 3.不可忽视生铁中的微量元素 生铁出厂一般只规定Si、Mn、P、S，对C无限量，微量元素则随矿源而任其自然，不作检测，底码不清。我国生铁中的微量元素有Cu、Cr、Mo、V、Ni、Ti、Sn、Al、Pb、Bi、Zn、As、Sb等。其中Cu、Cr、Mo、V、Ni、并无害处，Al视为中性，As、Zn、Pb有害，Ti、Sb、Bi、Sn为敏感元素，低于一定值有利，超过则有弊。 一般而言，生铁中的微量元素对普通铸铁件无关紧要，但对球铁件和重要灰铁件不可轻视。德国规定球铁用生铁微量元素总量ΣT≤0.0745%，日本为ΣT≤0.089%，要求Ti不大于总量的50%。国内有资料提出球铁用生铁ΣT≤0.1%，其中Ti<0.045%。 有的外商，对铸铁中的Ti有明文规定，铸造厂应根据炉料配比情况，反算出对生铁中Ti量的相应要求。 以前，有些工厂用某些生铁时，出现过一些金相组织和铸造缺陷的异常现象，这与生铁的遗传性不无关系。 4.感应炉增碳 感应炉若以废钢为主炉料，在炉内增碳生产合成铸铁，可得到钢一般纯净的铁液。由于没有生铁粗大石墨的遗传和受孕能力优良，铸铁组织中的石墨具有细小和分布均匀的特点，球铁的球化率高，低碳灰铁易于得到A型石墨和珠光体基体，且壁厚敏感性减小。因为磷很低，大大降低了发动机件缩松渗漏的缺陷。 增碳剂常用的有石墨质增碳剂（电极块或优质天然石墨、类石墨）和碳质增碳剂（如冶金焦）。电极质地纯，灰分<0.5%，S、N含量只有0.1%。选用天然石墨和碳质增碳剂时，应特别关注其灰分，S和N量，并防止受潮。增碳剂的吸收率，炉底加入（装料）时为65~70%，镜面加入时为75~80%。在一定程度上，回收率随处理温度的提高而增加，但高于平衡温度后，因部分碳消耗于反应（SiO2）+2C=[Si]+2CO，反而降低回收率。 碳的熔点为3727℃，碳原子是通过溶解和扩散方式进入铁液的，因此增碳剂的粒度和熔池的搅拌对于增碳过程十分重要。 三炉前处理 1. 脱硫 铁液脱硫可减少球化剂用量和铸件中硫化物夹渣的数量。发达国家球铁生产几乎全部采用脱硫工艺，要求脱硫后S≤0.01%，我国条件下，目标位为S≤0.02%，锡柴和常柴可达到S≤0.015%。 包底Na2CO3冲入法处理，方法简便但脱硫率低，效果不稳定，处理时烟尘污染环境，对咽喉有刺激性。在规模生产的球铁车间，宜将脱硫剂置于液面，采用机械搅拌法、摇包法或气动搅拌法进行脱硫。其中气动法较为简单，动力消耗少，最为流行。气动脱硫装置可设于前炉上游，进行连续脱硫，亦可在炉前单包间断脱硫。气动源多为N2。 脱硫剂分CaC2系和CaO两大类。CaC2脱硫效果好，可将硫由0.04~0.06%降至0.01%以下，浮渣呈颗粒状易于去除，只是它的价格贵、熔点高，又碍于运输和保管，故限于近点供应。CaO系使用较为普遍。无论是那一系脱硫剂，都应具有抗潮、防爆的特性。活性CaO经表面成膜处理，并加添加剂制成的复合脱硫剂，不受潮，去硫效率高，气动法脱硫，脱硫率在60~90%。产量不大的工厂，单包冲入法脱硫应采用低熔点复合脱硫剂，脱硫率为30~50%，此时脱硫渣呈熔融状。 气动脱硫后，铁液进入感应炉提温。 2. 除渣 除渣过程可在包中或感应炉内进行。将除渣剂（聚渣剂）撒于液面即时形成一熔融层，起覆盖和聚渣作用。除渣剂受热膨化，在熔融层中产生许多小孔，起良好的保温作用。 除渣剂分低、中、高三档。由原矿经简单破碎、过筛的产品属于低档，各省均产。现已不被铸造厂看好。中档除渣剂对原矿有所选择，增加了水洗等工序，能满足铸件的基本要求，为多数工厂接受。进口的高档除渣剂，选优质矿源，加工工序有别于一般。该产品撒于液面即迅速散布，覆盖整个液面，除渣能力超卓，用量少，不粘炉衬与浇包，用棍即可将熔融渣层整体挑起，清渣方便彻底，近三年来已开始受国内业界的重视。 3. 球化 球化处理仍以包内冲入法为主。选用球化剂需视熔炉、出铁温度，脱硫与否和球铁类型等而定。一般而言，冲天炉铁液选用Mg7~9%，RE3~7%的球化剂，感应炉铁液选用低Mg（5~6%），低RE（1.5~2.5%）球化剂，亦有的厂仍用Mg8RE3球化剂。JB/T9228-1999标准，对Mg 和RE的成分范围偏差规定为±1%，有些厂标已缩小为±0.5%，对Ca、Al等亦有明确规定。球化剂质量中，应重视MgO含量、成分的偏析程度以及粒度的集中度。凡是粒度不匀，粉末多，色泽发暗的球化剂不宜选用。 原则上，只要掌握好铁液的化学成分和孕育环节，采用上述球化剂即可生产铸态球铁。但亦有工厂采用铸态球铁用球化剂。一般，在铸态铁素体球化剂中含有Ba和Bi，在铸态珠光体球化剂中含有Ba和Sb，但对于QT700-2以上的重要曲轴类铸件，不推荐使用含Sb球化剂，此时应通过调整Cu、Mo等的含量来控制基体。必须指出，不管是否采用铸态球化剂，孕育永远是不可忽视的重要环节。 重稀土含镁球化剂用于厚壁球铁件，为了防止球化衰退和石墨畸变，还应当调低Si量，采取增加石墨球数，细化石墨球径的工艺手段。 盖包处理法大大减少了处理时的烟光污染，是一种节省球化剂、保证球化质量的简便工艺，值得推广。在钢液喂丝技术的启发下，喂丝球化经过试验已成功用于新兴铸管公司等企业。喂丝球化是由喂丝机将合金包芯线连续不断地向浇包底部送进，进行球化处理的一种工艺。该工艺可精确控制残余镁量，具有一高三少即球化质量高、渣量少、温降少、污染少的特点。包芯线外皮为0.3mm厚的冷轧钢皮，芯材一般为含Mg25~30%，并有Ca、Ba、（RE）等的复合成分。喂丝法成本比冲入法低20~40%，对大批量生产的铸管厂、汽车铸造厂等很有吸引力。目前，国内已有多家单位能成套供应喂丝机和包芯线，包芯线分球化、蠕化、孕育、脱硫、增碳和合金化等多个品种。 型内球化是在浇道内设一反应室，铁液边流过边发生球化反应。型内球化劳动条件好，氧化损失少，Mg吸收率高达80％，克服了球化衰退与孕育衰退，提高了球铁性能。型内球化对铁液硫量要求严格，铸件的工艺出品率低。七十年代国内曾有应用，现已不见于生产。 4. 孕育 孕育是提升铸铁质量的重要环节。经过十多年的努力，我国孕育剂基本实现了系列化和商品化。 时下，国内孕育剂主要是硅系和碳硅系。 硅系孕育剂熔点低，适合于碳高碳低，硫高硫低的各种铁液，应用最广。特殊硅铁的孕育作用强，用量少，引起铁液化学成分的波动小，铸铁质量稳定。覆盖面大的首推FeSi-Ba-Ca，它明显增加共晶团数，抑制灰铁中的D、E型石墨而促进A型石墨的形成，提高球化级别，Ba，尤其是Ba、Ca共存时，抗衰退性好。FeSi-Sr是薄壁发动机零件适用的孕育剂，有很优秀的防白口能力，而不明显增加共晶团数，因此可根除因缩松而招致渗漏的弊病。球铁生产中，由于Ce的存在，Sr的孕育效果受到削弱。含Zr硅铁有类似于含Ba硅铁的作用，而表现得较弱。但Zr有除气功能和微合金化作用，对铸铁的力学性能起稳定作用。含Zr硅铁的熔点高，故常Zr-Mn共存，以降低其熔点。高Ca的孕育剂，如CaSi，兼有脱硫脱氧和防白口及增加石墨核的作用，在二十世纪五、六十年代多有使用，后来由于焦碳和铁液质量的改善，CaSi已很少单独使用，偶见于与FeSi或FeSiRE复合使用。碳硅孕育剂中的碳（石墨）使这种孕育剂有十分优秀的防止白口能力。对由高温铁液生产边角多、壁厚较薄的灰铁件时，较为适用。水压薄壁件，有防渗漏要求时，亦可作为选项。球铁生产中，碳硅孕育剂不应使用。 出铁槽大剂量孕育由各种形式的后孕育所替代是孕育方法发展的大趋势。后孕育要讲究孕育剂的粒度大小和粒度均匀性，特别是包口随流孕育和浇注流喷射孕育时，粒度偏大，熔吸不良将在铸件中产生硬点、晶间夹杂物等缺陷。当采用高效孕育剂时，切忌孕育过量、以防缩孔、气孔和石墨偏聚现象的发生。 型内孕育有多种方法，目前大多采用的是将块状孕育剂放在直浇道底部进行过流孕育，这种方法抓住了孕育的形核峰机，理论上可获得最佳的孕育效果。 5.合金化 铸铁常用的合金元素有Si、Mn、Cu、Cr、Mo、Ni、Sn、Sb、V、Ti、P等。其中Si、Mn、Cr、Mo、P以铁合金形式加入，Cu、Ni、Sb、Sn以金属形式加入，V、Ti以铁合金或VTi生铁形式加入。加入时机在炉后（冲天炉）、炉内（感应炉）还是炉前，需视它们的熔点、氧化性和密度等而定。为了便于高熔点铁合金的熔吸，除控制粒度外，采用发热合金剂或喂丝加入法是比较理想的措施。 实践表明，将一部分FeMn、FeCr与硅系孕育剂一起加入，对孕育有加权作用。在可能的情况下，推迟低合金化元素的加入时机，对性能影响有利。 四过滤 金属过滤技术在工业发达国家应用较为普遍。实践证明，关键机件的失效不完全在于试棒力学性能的高低，而是铸件内部的健全程度。因此，单纯追求金相组织的完美是不全面的。作者走访过的工厂，其品牌产品无不重视过滤的最后一关。一般小件采用纤维过滤网，过流量大或重要件采用蜂窝陶瓷过滤片或泡沫陶瓷过滤片。过滤片与过滤网相比，档渣能力更强（泡沫陶瓷过滤片可去掉几微米至几十微米的细小夹杂），还有明显的消气作用。作为探索，集球化–孕育–过滤于一体的多功能过滤器正在试验中。(end)

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