劉玉滿（中南鑄冶材料研究所，廣西桂林541000）

100%廢鋼生產(chǎn)球鐵的技術(shù)及其專用變質(zhì)劑

劉玉滿
（中南鑄冶材料研究所，廣西桂林541000）

介紹了在中頻電爐熔煉的條件下，采用100%廢鋼生產(chǎn)鑄鐵（球鐵、灰鐵）的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。優(yōu)勢(shì)是原材料“四低”:成本低、硫低、磷低、錳低；劣勢(shì)是當(dāng)鐵水在爐內(nèi)采用增C劑，當(dāng)C質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至2.8%～3.0%時(shí)很難再增高，而且，由于增C劑的大量使用，使鐵水中的高碳相或原始碳相的大量存在而導(dǎo)致析出的石墨呈粗、厚、長(zhǎng)形態(tài)，鑄件晶粒粗大，組織疏松，機(jī)械性能明顯下降。針對(duì)這種情況提出了采用專用變質(zhì)—孕育復(fù)合劑在爐前作有效的處理，從而穩(wěn)定地獲得高質(zhì)量的球鐵和灰鐵鑄件的方法。并對(duì)專用變質(zhì)—孕育復(fù)合劑的使用作了介紹。

全廢鋼熔煉；高韌高強(qiáng)球鐵；車標(biāo)灰口鑄鐵；專用變質(zhì)劑

不論是國內(nèi)還是國外，生產(chǎn)高強(qiáng)高韌高品位球鐵都需要大量耗用高價(jià)的“優(yōu)質(zhì)原生鐵”，這種“優(yōu)質(zhì)原生鐵”的資源已日趨枯竭，優(yōu)質(zhì)原生鐵的價(jià)格將越來越高。在傳統(tǒng)和現(xiàn)行的高強(qiáng)高韌高品位球鐵的生產(chǎn)中，“優(yōu)質(zhì)原生鐵”的耗用量常占金屬爐料總量的50%～60%，而國內(nèi)球鐵的市場(chǎng)價(jià)又很低廉，很多鑄造企業(yè)生產(chǎn)球鐵無利可圖。球鐵無利，生產(chǎn)灰鐵鑄件就更艱難。

“優(yōu)質(zhì)原生鐵”價(jià)格大漲，4 000多元1 t，而廢鋼價(jià)普遍下跌，很多地方不足2 000元1 t（指2016年市場(chǎng)價(jià)），針對(duì)這一問題，提出了100%廢鋼生產(chǎn)高質(zhì)量高性能的球鐵的研究。

1 如何采用100%廢鋼生產(chǎn)球鐵

1.1 增C是難點(diǎn)

眾所周知，鐵碳合金碳當(dāng)量理論在球鐵生產(chǎn)與科研中的應(yīng)用是十分重要的，按傳統(tǒng)和現(xiàn)行的球鐵生產(chǎn)技術(shù)，其碳當(dāng)量通?！?.0%為多，也就是說，不能只考慮碳量的高低，而是要著眼于碳、硅量的平衡，即碳硅當(dāng)量，簡(jiǎn)稱碳當(dāng)量。只要C E≥4.0%，且工藝合理的話，生產(chǎn)球鐵是可行的。因此，既然廢鋼的含C質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.4%左右，含硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)也是0.4%～0.6%為多，那么100%廢鋼熔煉過程最重要的手段就是增碳增硅。增硅容易，增碳也不難，但在中頻爐中把C質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.4%增至3.0%或更高，則不是很容易的事。這就是以100%廢鋼生產(chǎn)球鐵（也包括生產(chǎn)灰鐵）的主要矛盾，也是這項(xiàng)工藝技術(shù)的難點(diǎn)之一。

1.2 增C手段

增C無非是在熔煉過程把金屬液含C質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到3.0%以上，增C材料是增C劑，還原期增C是最佳期，此溫度區(qū)對(duì)增C劑燒損較小，吸收率較高，一般可達(dá)85%以上。

增C劑沒必要過早加入，有些廠家在熔煉初始就把相當(dāng)量的增C劑壓埋于爐膛底部，實(shí)際上導(dǎo)致廢鋼熔化與碳粒燒損同步進(jìn)行，這樣碳粒燃燒時(shí)間過長(zhǎng)，耗損過大，增碳效果差。

鋼鐵水處于還原期溫度區(qū)加入增C劑（粒度2mm～3mm）于液面，不需攪拌或壓沉，只需將其在鋼鐵水表面輕輕扒動(dòng)即可。因?yàn)殇撹F液在中頻爐中是靠磁力“攪拌”而翻滾旋動(dòng)，浮在液面上的增C劑隨鐵液翻滾而被吸收達(dá)到增C目的。

增C劑的加入量可按吸收率85%左右預(yù)算，分批加入置于液面，不要一次過于堆積。在還原期基本完成增C操作，根據(jù)爐后取樣化驗(yàn)的結(jié)果再作調(diào)整，按常規(guī)的熔煉規(guī)律，此時(shí)已進(jìn)入氧化期，即預(yù)出鐵期。為了節(jié)能省電，同時(shí)高溫熔煉時(shí)間過長(zhǎng)也不利于爐襯的保護(hù)，爐壁腐蝕會(huì)加快，故后期（氧化期）增C調(diào)節(jié)或減C調(diào)節(jié)不宜拖延過長(zhǎng)時(shí)間，宜快速調(diào)節(jié)：

1）如增C量過度，則減C至所需控制的范圍內(nèi)，通過計(jì)算加入預(yù)算量的廢鋼即可。

2）如增C不足且欠C范圍很小，則適當(dāng)補(bǔ)加增C劑于鐵液表面稍扒動(dòng)幾分鐘立即取樣檢測(cè)，達(dá)到預(yù)控C含量范圍即可出鐵。

3）如增C嚴(yán)重不足（還原期增C操作欠缺所致），加大增C劑量仍收效甚微或很難再增的情況下，宜適當(dāng)加入少量回爐鐵（可按w（C）＝3.3%～3.6%估算），很快即可將C調(diào)至預(yù)控范圍。為了穩(wěn)定質(zhì)量，回爐鐵宜用前一爐的澆冒口或廢品，一般加入占鐵水總量10%～15%即達(dá)理想效果。

其實(shí)，生產(chǎn)過程每爐割下的澆冒口是必然存在的，完全應(yīng)該復(fù)用，按正常工藝出品率計(jì)算，回爐鐵的比例?！?0%，足夠在100%廢鋼熔煉時(shí)作后期C含量調(diào)整，根本不必添加原生鐵。

1.3 變質(zhì)是關(guān)鍵

從遺傳性角度講，增C劑的大量使用必有“遺傳”。增C劑是“超高碳相”。碳在鑄鐵中的表現(xiàn)形式是析出石墨，“原C相”或“超高碳相”的石墨形態(tài)是“粗、厚、長(zhǎng)”為特征，而高強(qiáng)度灰鐵的理想石墨應(yīng)該是細(xì)小均勻分布，“粗、厚、長(zhǎng)”石墨不僅對(duì)基體起“分割”作用，極大削弱強(qiáng)度，而且相當(dāng)于在基體內(nèi)形成許許多多的“空穴”，石墨粗大而長(zhǎng)，鑄鐵結(jié)晶必晶粒粗大，晶間距增大，由此而導(dǎo)致基體組織疏松、組織致密度差，由此而決定著鑄件的機(jī)械力學(xué)性能低劣。對(duì)于球鐵，原鐵水中石墨粗大厚長(zhǎng)，則球化處理的結(jié)果不良，即使球化了，其球團(tuán)狀石墨粗大且不圓整，如同一個(gè)個(gè)“大球團(tuán)”，球化級(jí)別根本達(dá)不到預(yù)期的要求，這樣的“球鐵”實(shí)乃低劣品，沒有工程應(yīng)用的價(jià)值。球墨鑄鐵的處理，先決條件是要有優(yōu)質(zhì)的原鐵水，否則其“先天不足”帶來的后天缺陷（后遺癥）是很難提升等級(jí)的。要解決這個(gè)問題，必不可少的也是最簡(jiǎn)單、最有效的就是對(duì)原鐵水進(jìn)行變質(zhì)處理。

鐵水變質(zhì)和孕育往往是復(fù)合同步進(jìn)行的，孕育中包含有變質(zhì)，變質(zhì)中包含有孕育。根據(jù)球鐵爐前處理的特點(diǎn)，可以說是孕育—變質(zhì)—球化復(fù)合進(jìn)行的，而且可以認(rèn)為孕育—變質(zhì)比球化過程是稍超前一步。其實(shí)，從出鐵槽中撒進(jìn)孕育變質(zhì)劑，或把孕育變質(zhì)劑覆蓋于包中的球化劑之上，這實(shí)際上就是先發(fā)生孕育—變質(zhì)，后續(xù)發(fā)生球化反應(yīng)，原鐵水進(jìn)入包內(nèi)首先與孕育—變質(zhì)劑接觸，后與球化劑反應(yīng)，而且要等到球化劑在鐵水中“引爆”之后才真正進(jìn)入“球化”階段，從“引爆”到鐵水平靜狀態(tài)，足有十多秒的時(shí)間。根據(jù)這一原理和處理工藝的特性，完全可以在爐前球化處理的同時(shí)，讓孕育變質(zhì)劑超前一步與鐵水發(fā)生變質(zhì)孕育，也就是說，把孕育變質(zhì)劑覆蓋于球化劑之上即可。

由于鐵水中的C大部分來自增C劑，鐵水中的C（石墨）是“超高碳相”，甚至“原始碳相”，那么要把這些粗、大、厚、長(zhǎng)的石墨變成細(xì)片狀石墨并通過球化處理轉(zhuǎn)變成細(xì)小圓整的球狀石墨，常規(guī)的孕育劑是難以實(shí)現(xiàn)的。于是提出了專用復(fù)合變質(zhì)劑的研究與開發(fā)。

2 廢鋼全熔煉專用復(fù)合變質(zhì)劑

高溫鐵水與孕育變質(zhì)劑接觸發(fā)生孕育變質(zhì)反應(yīng)的時(shí)間極短，可以說是“瞬時(shí)”的，生產(chǎn)中實(shí)施“瞬時(shí)孕育”、“隨流孕育”就是利用這個(gè)原理。而瞬時(shí)孕育的孕育劑往往是易吸收細(xì)?；蚍蹱畹?，且熔點(diǎn)較低—即含有助熔和降低熔點(diǎn)的合金或礦物成分。由于大量使用增C劑，鐵水“高碳相”所必然產(chǎn)生的石墨形態(tài)差劣的“遺傳性”影響的客觀存在，使用的孕育變質(zhì)劑應(yīng)該是強(qiáng)效型的；由于球鐵鐵水處理時(shí)間較長(zhǎng)，澆注延時(shí)性也較長(zhǎng)，這種孕育劑又應(yīng)是長(zhǎng)效型的，這就是研究開發(fā)100%廢鋼生產(chǎn)球鐵和灰鐵的復(fù)合變質(zhì)劑的指標(biāo)和方向。

2.1 復(fù)合變質(zhì)劑的特點(diǎn)

①粒度0.5mm～3mm，瞬時(shí)石墨化作用強(qiáng)；②含有強(qiáng)效、長(zhǎng)效作用的合金成分；

③含有助熔、降熔的礦物和合金成分（比如適量M n可降熔點(diǎn)）；

④具有凈化鐵水、細(xì)化晶粒、除氣、除雜、精煉的復(fù)合功能；

⑤易形成輕質(zhì)上浮易清除的干渣，確保鐵液高度純凈；

⑥成本低，使用方便，爐前爐后處理無污染，一料到位；

⑦通用于球鐵和灰鐵，通用于非全廢鋼的常規(guī)球鐵灰鐵的爐前孕育變質(zhì)處理，加入量原則上同等。

2.2 專用孕育變質(zhì)劑的使用方法

1）置于鐵水包內(nèi)，覆蓋于球化劑之上；

2）加入（覆蓋）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為≥鐵水量的1%；

3）變質(zhì)劑壓蓋后，宜在上方再覆蓋一層硅鋁酸棉（亦稱保溫聚渣棉），防止出鐵水時(shí)把球化劑和變質(zhì)劑瞬時(shí)沖浮而影響吸收效果；

4）球化劑的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%～1.2%（由于廢鋼熔煉的鐵水含S量較低，球化劑的加入量也較低）；

5）出鐵水時(shí)在包內(nèi)添加75%S i F e孕育劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%左右，粒度3mm～6mm；

6）球鐵出水溫度1 520℃～1 555℃為佳，灰鐵出水溫度宜＞1 480℃.

3 100%廢鋼生產(chǎn)球鐵的實(shí)際效果

2017年以來，中南鑄冶基地采用100%廢鋼生產(chǎn)的出口球鐵（Q T500-10，出口德國，橡膠機(jī)械重要機(jī)件），質(zhì)量穩(wěn)定，符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求。所生產(chǎn)的Q T500-10化學(xué)成分控制范圍為：w（C）（3.0～3.4%），w（M n）（0.6～0.7%），w（S i）（3.0～3.3%），w（S）（0.005～0.006%），w（P）（0.03～0.035%）；實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)率15%～20%，抗拉強(qiáng)度53 N/m2～58 N/m2，原材料成本大大降低。在熔煉后期可用冒口材料來調(diào)整鐵液中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，所用冒口鐵屑的化學(xué)成分為：w（C）3.12%、w（M n）0.63%、w（S i）3.31%、w（S）0.005%、w（P）0.03%.圖2為專用變質(zhì)劑。

圖1 作后期C含量調(diào)整所用冒口材料

圖2 100%廢鋼熔煉專用變質(zhì)劑

3.1 技術(shù)效果

1）中南鑄冶基地自2017第一爐試生產(chǎn)以來，球化處理工藝穩(wěn)定可靠，從未出現(xiàn)過球化不良的現(xiàn)象，石墨球細(xì)小圓整，球化級(jí)別1～2級(jí)良好；

2）經(jīng)力學(xué)性能檢測(cè)：抗拉強(qiáng)度σb＞530 N/mm2，延伸率δ＞15%；

3）加工性能：鑄態(tài)和退火態(tài)加工性能良好，滲C體和磷共晶量極微；

4）中南鑄冶生產(chǎn)的Q T500-10化學(xué)成分控制范圍：w（C）3.0%～3.4%，w（M n）0.6%～0.7%，w（S i）3.0%～3.3%，w（S）0.005%～0.006%，w（P）0.03%～0.035%；

5）全廢鋼生產(chǎn)球鐵的技術(shù)劣勢(shì)是含C量過低，其優(yōu)勢(shì)則是含S和P較低；

6）如采用全廢鋼生產(chǎn)珠光體或貝氏體球鐵，只需根據(jù)球鐵生產(chǎn)的傳統(tǒng)通用理論添加相關(guān)C u、C r、M o、V、S n等合金元素即可調(diào)節(jié)。

3.2 經(jīng)濟(jì)效果

1）按每t生產(chǎn)球鐵用的優(yōu)質(zhì)原生鐵4 500元/t、加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%計(jì)算，平均每生產(chǎn)1 t優(yōu)質(zhì)球鐵鑄件原材料成本降低1 000元左右；

2）球化劑+孕育劑的使用成本與傳統(tǒng)的處理技術(shù)相比幾乎不變，無增減。

4 技術(shù)前景與應(yīng)用

1）100%廢鋼生產(chǎn)球鐵或灰鐵工藝穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，解決了優(yōu)質(zhì)生鐵資源枯竭和成本高漲的重大難題。

2）采用全廢鋼生產(chǎn)球鐵時(shí)，球鐵生產(chǎn)的某些傳統(tǒng)理論需修正和補(bǔ)充，比如國內(nèi)外多數(shù)文獻(xiàn)都強(qiáng)調(diào)含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%～3.9%，其實(shí)不然，無需那么高的C，許多文獻(xiàn)推薦配料中的原生鐵比例50%～65%也是片面的，或者說只適用于傳統(tǒng)的工藝與理論。同樣，在傳統(tǒng)文獻(xiàn)和傳統(tǒng)技術(shù)中，原鐵水含M n質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.5%的限制范圍也應(yīng)修正，高韌性球鐵（δ＞10%）的含M n質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.6%～0.8%之間的伸長(zhǎng)率同樣穩(wěn)定在15%左右。

3）100%廢鋼生產(chǎn)球鐵或灰鐵前景廣闊，專用變質(zhì)劑已申報(bào)登記國家發(fā)明專利。

4）此項(xiàng)技術(shù)對(duì)球鐵和灰鐵生產(chǎn)均可適用，且爐前處理工藝與操作方法及變質(zhì)劑的使用量相同，大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)技術(shù)的管理。

TG23

A

1674-6694（2017）03-0054-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.018

2017-03-02

劉玉滿（1944-），男，高級(jí)工程師。