劉 泳

（常州精棱鑄鍛有限公司，江蘇常州 213033）

我公司在2008 年以前,由于缺乏合成鑄鐵熔煉技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，感應(yīng)電爐只生產(chǎn)球鐵件和外商要求電爐生產(chǎn)的少量灰鐵件，大量高強(qiáng)度灰鐵件使用冷風(fēng)沖天爐生產(chǎn)。

隨著企業(yè)的發(fā)展，高強(qiáng)度、壁厚不均、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的中高速船用柴油機(jī)機(jī)體、汽車(chē)用鑄件和高端機(jī)床件對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和熔煉技術(shù)提出了更高的要求：具有較高的共晶度（Sc）和成熟度（RG）、冶金質(zhì)量良好，斷面敏感性小，即較高的材料強(qiáng)度、較小的收縮率，良好的切削加工性能。

傳統(tǒng)的沖天爐和電爐熔煉工藝己無(wú)法滿(mǎn)足高質(zhì)量產(chǎn)品的要求。

1 高強(qiáng)度灰鑄鐵熔煉工藝

爐料配比、化學(xué)成分和材料性能（表1）。

我廠沖天爐和電爐生產(chǎn)HT300 高強(qiáng)度灰鑄鐵，配料工藝單一，大量使用生鐵，通過(guò)降低碳當(dāng)量、調(diào)整錳硫含量、強(qiáng)化孕育、提高鐵液的過(guò)熱溫度、低合金化處理等傳統(tǒng)的工藝措施來(lái)提高材料的性能，綜合質(zhì)量難以保證。

強(qiáng)化孕育的工藝并不能使材料達(dá)到較高的強(qiáng)度,碳當(dāng)量的降低使鐵液的石墨形態(tài)惡化，石墨化能力降低，鐵液的收縮和白口傾向增加，斷面敏感性增大,合金元素不同程度地降低鐵液的流動(dòng)性且增加收縮傾向,惡化鑄件的切削性能。

表1 爐料配比、化學(xué)成分和材料性能

2 提高灰鐵材料強(qiáng)度的途徑

生產(chǎn)高強(qiáng)度的灰鐵，必須轉(zhuǎn)變思路，通過(guò)非傳統(tǒng)的思維方式改進(jìn)熔煉工藝技術(shù)。隨著感應(yīng)電爐的普及，感應(yīng)電爐應(yīng)用增碳技術(shù)生產(chǎn)合成鑄鐵,被證明是生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵最佳的創(chuàng)新工藝，顛覆了傳統(tǒng)概念中認(rèn)為電爐冶金條件效果差、鐵液過(guò)熱度低、結(jié)晶核心少、材料性能低的誤區(qū)。相反，感應(yīng)電爐通過(guò)增碳技術(shù)熔煉，鐵液中碳的飽和度越高，非自發(fā)結(jié)晶核心越多，石墨結(jié)晶的形核能力越強(qiáng)；爐內(nèi)無(wú)氧化性氣氛、氣體含量低，鐵液的純凈度高，提高了灰鐵材料的強(qiáng)度和性能，可以根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本、爐料狀況不斷優(yōu)化和調(diào)整爐料配比。

3 優(yōu)質(zhì)碳素廢鋼對(duì)鐵液成分的影響

隨著電弧爐煉鋼使用氧氣集束射流技術(shù)的普及，開(kāi)創(chuàng)了電弧爐大比例使用鐵液的時(shí)代，使電弧爐的冶金工藝條件趨向轉(zhuǎn)爐化。轉(zhuǎn)爐和電弧爐冶煉普通碳素鋼，生產(chǎn)過(guò)程是強(qiáng)氧化性氣氛，爐內(nèi)氧化性氣氛比沖天爐強(qiáng)烈，冶金反應(yīng)條件更加優(yōu)越。普通碳素鋼中的微量元素在冶煉中被氧化到平衡狀態(tài)，相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)生鐵的微量元素含量。在感應(yīng)電爐熔煉灰鐵時(shí)，和氧、氮有較大親和力的元素，如Ca、Ti、Al、V、B 等易被氧化到較低的含量。一些無(wú)法氧化的有色金屬，如Pb、W 等，廢鋼中的含量和生鐵中的含量相當(dāng)，其來(lái)源于鐵礦石，與礦石的產(chǎn)地、脈礦品質(zhì)有關(guān)。

優(yōu)質(zhì)碳素廢鋼和優(yōu)質(zhì)生鐵的微量元素比較（表2）。

表2 優(yōu)質(zhì)碳素廢鋼和優(yōu)質(zhì)生鐵的微量元素比較

4 感應(yīng)電爐生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵的工藝技術(shù)

鑄件的高強(qiáng)度和收縮是矛盾的，性能的提高會(huì)引起石墨形態(tài)的惡化，降低石墨化效果，增加鑄件的收縮。要解決鑄鐵材質(zhì)高強(qiáng)度和收縮的矛盾，原則是電爐熔煉合成鑄鐵時(shí)增加廢鋼的用量，而不用生鐵，采用石墨化增碳劑，提高碳當(dāng)量，尤其是碳含量，鐵液在凝固過(guò)程中析出大量石墨產(chǎn)生膨脹作用，高的碳當(dāng)量和微合金化工藝比低碳當(dāng)量不加合金的工藝收縮傾向小，并且采用鐵液預(yù)處理技術(shù)，有效地解決了鑄件的高強(qiáng)度和收縮的矛盾。

5 增碳工藝是感應(yīng)電爐生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵的關(guān)鍵

隨著對(duì)合成鑄鐵的理論學(xué)習(xí)以及生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)積累，逐步掌握了合成鑄鐵的熔煉工藝技術(shù)，我們淘汰了沖天爐，使用感應(yīng)電爐熔煉合成灰鑄鐵，使用晶體型石墨增碳劑。石墨增碳劑增加鐵液的非均質(zhì)結(jié)晶核心，提高了鐵液的石墨化能力，促進(jìn)石墨晶核形核，減少白口傾向，提高灰鑄鐵的性能。

晶型石墨化增碳劑化學(xué)成分見(jiàn)表3，合成鑄鐵化學(xué)成分和性能見(jiàn)表4。

采用優(yōu)質(zhì)碳素廢鋼和增碳工藝熔煉高強(qiáng)度灰鑄鐵，當(dāng)廢鋼用量超過(guò)50%時(shí)，在同樣的工藝條件下，可以穩(wěn)定生產(chǎn)HT300 以上的牌號(hào)；當(dāng)w（C）量在3.2%～3.3%時(shí)，σb≥350N/mm2。

表3 晶型石墨化增碳劑

表4 合成鑄鐵化學(xué)成分和性能

6 增碳工藝是解決電爐鐵液凝固收縮的關(guān)鍵

感應(yīng)電爐生產(chǎn)高強(qiáng)度鑄鐵，必須使用大量的廢鋼，增碳劑的加入量也隨之增加，增碳技術(shù)的核心是使用優(yōu)質(zhì)晶型石墨增碳劑，優(yōu)質(zhì)增碳劑使鐵液獲得良好的石墨化效果，石墨形態(tài)良好，石墨數(shù)量增加，石墨分布均勻，鐵液在凝固過(guò)程中析出的石墨產(chǎn)生膨脹作用，鐵液的收縮傾向比用生鐵熔煉的鐵液更小，增碳劑的質(zhì)量決定了高強(qiáng)度鑄鐵的質(zhì)量，是高強(qiáng)度鑄鐵中增加廢鋼使用量的關(guān)鍵，是熔煉工藝中最重要的材料。

鐵液的氧化非常有害，增加鐵液的氣體含量和非金屬夾雜物，增加鑄件的收縮。電爐熔煉由于增碳技術(shù)的應(yīng)用，起到了增加鐵液非均質(zhì)晶核的預(yù)處理劑和孕育鐵液的作用，由于鐵液中的石墨碳和飽和氧在平衡濃度以上，[C]和鐵液中[FeO]、[MnO]、[SiO2]以及其他氧化物依次發(fā)生[C]-[O]反應(yīng)，起還原脫氧作用；FeO+C→Fe+CO↑，鐵液的氧含量降低到[C]-[O]平衡濃度以下，鐵液更加純凈。

在生產(chǎn)過(guò)程中，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，電爐熔煉灰鐵時(shí)，在配料、化學(xué)成分及孕育工藝不變的情況下，從HT200 到HT300，?30mm 的單鑄試棒σb能夠達(dá)到350N/mm2～430N/mm2之間，HT350 的?30mm 的單鑄試棒σb超過(guò)400N/mm2，鑄件并無(wú)氣孔缺陷，金相分析顯示，該處石墨呈蠕化狀，石墨短而厚。分析認(rèn)為，與使用的增碳劑氮含量有關(guān)。以間隙方式固溶于鐵素體和滲碳體中的氮原子在灰鐵中起到微合金化的作用[2]，使鐵素體和滲碳體晶格產(chǎn)生畸變，細(xì)化了共晶團(tuán)，增加珠光體數(shù)量，使鐵液的共析轉(zhuǎn)變溫度降低，對(duì)基體組織產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。由于無(wú)法在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鐵液中w（N）作快速量化分析，我們根據(jù)使用不同類(lèi)型增碳劑積累的經(jīng)驗(yàn)，在生產(chǎn)高碳當(dāng)量、高強(qiáng)度復(fù)雜件時(shí)，適量使用氮含量較高的增碳劑，以不發(fā)生氮?dú)饪诪橄?，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低合金化工藝，取得了較好的效果。

7 鐵液預(yù)處理技術(shù)

預(yù)處理是使用石墨性孕育介質(zhì)對(duì)原鐵液進(jìn)行工藝處理，在鐵液熔煉后期加入晶型石墨增碳劑微調(diào)碳，范圍在0.05%～0.10%時(shí)，在鐵液中形成大量彌散分布的非均質(zhì)結(jié)晶核心，提高形核能力，減少異形石墨，降低鐵液的過(guò)冷度。在預(yù)處理結(jié)束后，鐵液保持5 分鐘，然后快速出鐵。

8 結(jié)論

（1）感應(yīng)電爐熔煉高強(qiáng)度灰鑄鐵，要采用廢鋼增碳熔煉和爐內(nèi)預(yù)處理工藝，不用生鐵，提高碳當(dāng)量，尤其是w（C）量，使鐵液在凝固過(guò)程中析出大量石墨產(chǎn)生膨脹作用，是減少鐵液凝固收縮的關(guān)鍵。

（2）增碳劑的質(zhì)量決定了高強(qiáng)度鑄鐵的質(zhì)量，是高強(qiáng)度鑄鐵中增加廢鋼使用量的關(guān)鍵。

[1]優(yōu)質(zhì)生鐵微量元素的控制標(biāo)準(zhǔn)是什么[J].現(xiàn)代鑄鐵，2012（6）：101.

[2]翟啟杰.氮在鑄鐵中的作用及含氮高強(qiáng)度灰鑄鐵[J].現(xiàn)代鑄鐵，2001（2）：29.