樊永輝

（安陽鋼鐵集團永通球墨鑄鐵管有限責任公司，安陽 455133）

球墨鑄鐵管做為自來輸水管道的主要材料，與人們日常飲水健康息息相關，如果輸水管道出現質量事故，會對人們的日常生活帶來重大影響。因此，提升球墨鑄鐵管的質量，是每個鑄管人義不容辭的責任。水冷金屬型球墨鑄鐵管除了外形美觀，重要的是內在質量有保證，例如水冷金屬型球墨鑄鐵管延伸率較高（DN1000以上延伸率≥7%，DN1000及以下的管子延伸率≥10%）。水冷金屬型球墨鑄鐵管內在高質量除了可以控制好鐵基體中石墨球化率和大小，更重要的就是能夠解決管中夾雜問題。下面本文就主要探討一下水冷型球墨鑄鐵管中的夾雜分析和控制措施。

1 水冷金屬型球墨鑄鐵管石墨雜質成分分析

1.1 鐵水中含碳量和碳當量的關系

根據各種元素對共晶點含碳量的影響，將這幾種元素含量以碳含量的增減形式表示，稱為“碳當量”，以CE表示，為簡化計算，一般只考慮硅、磷元素的影響，具體如式（1）所示。

將CE值與共晶點碳量（4.26%）相比，就可以判斷出某一具體成分的鑄鐵偏離共晶點的程度，如CE值＞4.26%為過共晶成分；CE＜4.26%為亞共晶成分；CE＝4.26%為共晶成分?！疤籍斄俊钡母叩筒粌H能夠衡量鑄鐵偏離共晶點的程度，還可以間接推斷出鑄造性能以及該鑄鐵產品石墨化能力的大小，是一個很重要的參數。

針對本文研究的離心球墨鑄鐵管，按不同管徑控制碳當量CE值，其最終目的是為了控制鐵管含碳量，若鐵水中的含碳量逐漸降低，也即是減碳量增加，證明該離心球墨鑄鐵管石墨漂浮越嚴重，這時鐵水表面一般都會有一層渾濁的膜，很難清楚干凈，最終使得鐵管內壁形成一層黑渣，這種黑渣這要是由漂浮的石墨和鐵的二次氧化物摻和在一起形成的，會對飲水者造成健康危害。

安陽鋼鐵集團永通球墨鑄鐵管有限責任公司對離心球墨鑄鐵管內部原鐵液和試塊采用鉆屑法進行取樣化驗，具體數值如下表1所示。

表1 鉆屑法取樣化驗數據

從表1可以看出，鐵水的含碳量越高，減碳量越多，當鐵水的含碳量降低到3.56%時，幾乎很少發(fā)生減碳。從試塊的平均碳量來看，原鐵水含碳高的降到3.42～3.46%時將會趨于穩(wěn)定，如果這時在原鐵水中加入適當的含硅物，使原鐵水達到要求的碳當量，就可以避免碳和石墨漂浮現象的發(fā)生，減少管子內壁的雜質。

1.2 碳含量降低發(fā)生的原因

1.2.1 共精度改變

一般來說都是鐵液自身發(fā)生改變，造成鐵液中CE值變大，使得整體共晶度提升，鐵液的碳濃度增大，碳含量降低。

1.2.2 鐵水溫度下降

在球化處理和澆注成型過程中，由于鐵水溫度下降造成，根據相關數據顯示，碳在鐵水中的溶解度與鐵水溫度有關，一般是隨溫度升高而增加、隨溫度下降而減少，鐵液受溫度下降影響，自然為碳自行成核析出創(chuàng)造了條件。此外，鐵液通過球化孕育處理后具有良好的形核能力，在鐵水溫度下降的情況下，很容易自行成核，到達一定尺寸，漂浮到鐵液表面，形成一層渾濁的膜脫離鐵液，這就是減碳的根本原因。

1.2.3 原鐵水的石墨化能力

原鐵水經球化孕育處理后，具有很強的石墨化能力。當溫度下降到一定程度，導致鐵水內部CE值當達到共晶點，有一部分碳形成的石墨漂浮到鐵液表面。

2 鐵水中雜質來源類型

2.1 鐵水各種元素被氧化

鐵水中硅含量對鐵水雜質形成具有很大的影響。當硅含量升高時，雜質就容易產生，比如硅的氧化物可與鐵液中的各種氧化物發(fā)生反應，生成硅酸鹽，并且有些碳酸鹽不易溶于鐵水，就會上浮到鐵水表面。再比如，硅的氧化物與氧化鎂會形成鎂橄欖石和頑輝石，其中鎂橄欖石是主要的雜質，但這些雜質可以通過相關技術手段去除。但如果硅含量太低時，氧化物就不容易排除。由此可見，含硅量過高有助于夾渣的產生，從而進一步清理。

在鐵液中，鐵的氧化物等微粒在高溫下是較強的還原劑。因此，在鐵液中存在相關反應，如式（1）～式（3）所示。

上述反應是鐵液碳含量隨著熔煉時間延長而下降的主要原因。僅僅從反應（3）來看，鐵液中的硅含量不會隨熔煉的時間延長而下降，而應該升高；但是硅也是脫氧的元素，根據熱力學定律，鐵液中的硅與鐵的氧化物存在相關反應，如式（4）、式（5）所示。

鐵液表面的硅與空氣中的氧會發(fā)生氧化反應，如式（6）所示。

根據反應（3）～（5），可以發(fā)現，Si02變成鐵液表面的爐渣，鐵液中硅的含量會隨熔煉時間的延長而下降。同樣道理，鐵液中的其它元素，如錳、鉻、鎳、銅在與空氣接觸的表面也會發(fā)生類似的氧化反應。

硫元素是鐵水中的有害元素，當鐵液中含硫量過高時，鐵水中爐渣明顯增加，爐渣成分主要有硫化錳、硫化鎂、硫化亞鐵以及稀土硫化物，這些硫化物是球鐵件形成夾渣的主要原因。另外，當硫含量過高時，就會增加鐵水的粘度，造成其他熔渣和金屬氧化物上浮到鐵水表面，在澆鑄過程中會殘留在鑄件中形成夾渣。因此，降低鐵水中的硫含量會減小夾渣的產生，如中頻電爐中熔煉的鐵水，硫含量少，很少見到夾渣。而沖天爐熔煉的鐵水含硫量高，就容易出現夾渣缺陷。因此鐵水中含硫量應小于0.025%，避免夾渣的產生。

2.2 其他因素

第一，鐵液在通過球化劑球化處理過程中，容易產生的夾渣，夾渣成分多為氧化鎂，硫化鎂等化合物，懸浮、散落在鐵液中。

第二，熔煉過程中，爐襯、包襯材料等非金屬夾雜物散落在鐵液中。

第三，鐵液在轉運、扒渣、清理過程中，產生的二次夾渣，主要成分是鐵液表面氧化膜破碎形成的殘留物，懸浮或包裹在鐵液中。

3 澆注溫度對夾雜的影響

鐵水澆注溫度的高低對夾渣的影響非常大，無論鐵水澆注溫度過高或者過低，都會使鐵鑄管產生缺陷。例如澆注溫度過低時，會導致液體金屬粘度高，造成各種氧化物、硫化物不易上浮至鐵水表面，且液體金屬凝固較快，熔煉過程中的渣很容易殘留在鑄件中形成夾渣。但隨著鐵液溫度的升高，夾渣物隨著時間增加，會浮到鐵水表面，便于清除。如果鐵液溫度過高，會導致鐵水中再次出現夾渣，這種現象主要是由于液體金屬表面的劇烈氧化，導致爐渣變得太稀薄，不利于浮到鐵水表面而不易去除造成的，最后夾渣會隨液體金屬流入型腔。

另外，如果澆注溫度過低，模粉和隨流孕育劑會出現未完全融化情況，從而進入鐵液內，在離心力作用下積聚到管子內壁，形成夾雜。其次，刷流槽時，流槽上涂料未清理干凈，隨著鐵水進入管模，在離心力作用下積聚到管子內壁，形成夾雜，這是目前鑄鐵管內壁形成夾雜的一個主要原因。

4 控制措施

4.1 加強中頻爐中鐵液含碳量的控制

生產時，通過在電爐中加入廢鋼（約6～10%），將原鐵液中含碳量降至工藝要求范圍內，調至合適的碳當量。

4.2 在中頻電爐中對鐵液進行過熱處理

首先，在一定范圍內提高鐵水的溫度，延長鐵水高溫靜置時間，使鐵水中雜質能夠浮到鐵水表面，然后去除。同時，將鑄鐵中石墨及基體細化，提高鑄鐵一些性能。

其次.提高過熱溫度，延長高溫靜置時間，使鐵液趨向于熱力學平衡狀態(tài)，以減少爐料遺傳性。通過上述工藝，可以明顯減少鐵液中C形石墨數量及其尺寸。

4.3 提升鐵水過熱度

通過該工藝，鐵液中氮含量、氧含量會略有上升，但過熱溫度達到1450℃以后，氧的含量會大幅度下降，鐵液純凈度會有很大幅度的提高。在實際生產中，一般將鐵液的過熱溫度設定在1500℃以上。

4.4 其他控制措施

較高的過熱溫度，或延長高溫靜置時間，都可以使懸浮在鐵液中的夾渣上浮，從而提高鐵液的純凈度。但對于較大管徑的鑄管來說，出鐵溫度一般較低（1480～1460℃），可采用短時將鐵液溫度至1500～1530℃，然后進行高溫靜置3～5min，也可達到提升鐵液純凈度的目的。鐵液的純凈度的提高，既可減少因夾渣引起的鑄造缺陷，又可提高球化后的孕育處理效果，使組織和性能更加穩(wěn)定、可靠。

5 結語

鐵水中的雜質是影響水冷金屬型球墨鑄鐵管的質量的最主要的原因，在生產中必須減少或去除鐵水中的雜質，這樣才可以提升球墨鑄鐵管的質量，保證城市供水的安全。