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3.1 增碳率的控制和增碳剂的使用
对于中频炉熔炼灰铁，许多人都以为只要炉前控制住铁水的化学成分和温度，就能熔炼出优质 铁水，但事实并非如此简单。中频炉熔炼灰铁的重中之重是控制增碳剂的核心作用，核心技术是铁 水增碳。增碳率越高，铁水的冶金性能越好。这里所说的增碳率，是铁水中以增碳剂形式加入的碳， 而不是炉料中带入的碳。生产实践表明，在炉料配比中生铁比例高，白口倾向大；增碳剂比例增大， 白口倾向减小。这就要求在配料中要多用廉价的废钢和回炉料，少用或不用新生铁，这种采用废钢 增碳工艺的铁水中存在大量细小的弥散分布的非均质晶核，降低了铁水的过冷度，促使了以 A 型石 墨为主的石墨组织的形成。同时，生铁用量的减少，也减小了生铁粗大石墨的不良遗传作用，而且 灰铁的性能也随着废钢用量的增加而提高。在实际生产中就曾发现，在废钢用量约为 30%的情况下， 同样用废钢、回炉料、新生铁做炉料，在化学成分基本相同时，中频炉熔炼的灰铁比冲天炉熔炼的 性能低，强化孕育效果也不明显，这就是废钢用量少、增碳率低的缘故。由此足见增碳对于保证灰 铁的熔炼质量、改善铸铁的组织与性能的重要性。 灰铁的性能是由基体组织和石墨的形态、大小、数量及分布决定的，改变石墨形态是改变铸铁 性能的重要途径。相比而言，基体组织较容易控制，它主要取决于铁水的化学成分和冷却速度。但 石墨形态却不容易控制，它要求铁水的石墨化程度要好。而奇怪的是只有新增碳才参与石墨化，炉 料中的原始碳并不参与石墨化。如果不用增碳剂，熔炼出的铁水虽然化学成分合格，温度也合适， 孕育也合理，但铁水却表现不佳：看似温度较高，流动性却不太好，缩孔、缩松倾向大，易吸气， 易产生白口，截面敏感性大，铁水夹杂物多。这些都是铁水增碳率和石墨化程度低造成的。 碳在原铁水中的存在形式主要为细小的石墨和碳原子，从细化石墨的角度考虑，原铁水中不希 望有过多的碳原子，其势必会减少石墨的核心数，并且碳原子在冷却过程中更易形成渗碳体，而细 小的石墨可以直接作为非均质形核核心。细化石墨、增加核心是实现铸铁高性能的关键，增大增碳 剂用量可以增加形核核心数量，进而为细化石墨打下坚实的基础。因此，在实际生产中应强调增碳 剂的使用和增碳效果：①增碳剂的吸收率与其 C 含量直接相关，C 含量越高，则吸收率越高。②增 碳剂的粒度是影响其溶入铁水的主要因素，实践证明，增碳剂的粒度应以 1~4mm 为好，有微粉和粗 粒增碳效果都不好。③硅对增碳效果有较大影响，高硅铁水增碳性差，增碳速度慢，故硅铁应在增 碳到位后加入，要遵循先增碳后增硅的原则。④硫能阻碍碳的吸收，高硫铁水比低硫铁水的增碳速 度迟缓很多。⑤石墨增碳剂能提高铁水的形核能力，吸收率也比非石墨增碳剂高 10%以上，故应选 用低氮石墨增碳剂。⑥增碳剂的使用方法推荐使用随炉装入法，即先在炉底加入一定量的小块回炉 料和废钢，然后把增碳剂按配料量需要全部加入，上面再压一层小块废钢和生铁，之后再边熔化边 加炉料。此法简便易行，生产效率高，吸收率可达 90%。如果增碳剂的加入量很大，可以分两批加 入，先加 60%~70%于炉底废钢垫层上，剩下的在继续加废钢的过程中加入。在铁水温度 1400~1430 ℃时也可加增碳剂，目标是要把铁水 C 含量增至达到牌号要求上限。⑦增碳剂的加入时间不可过迟， 在熔炼后期加入增碳剂有两方面不利：其一，增碳剂易烧损，碳吸收率很低。其二，后期加入的增 碳剂需要额外的熔化、吸收时间，迟缓了化学成分调整和升温时间，降低了生产效率，增加了电耗， 而且有可能带来由于过度升温而造成的危害。⑧铁水的搅拌可以促进增碳，特别是附着在炉壁的石 墨团，如果不用过度升温和一定时间的铁水保温，不易溶于铁水，中频炉较强的电磁搅拌对增碳有利。 3.2 温度的控制 灰铁熔化期的温度不宜过高，一般控制在 1400℃以下。如果熔化温度过高，合金的烧损或还原会影响熔炼后期的成分调整。在炉料熔清炉温达 1460℃后，取样快速检验，然后扒净渣，再加入铁 合金等剩余的炉料。扒渣温度对铁水质量的影响很大，它与稳定的化学成分、孕育效果密切相关， 并直接影响到出炉温度的控制。扒渣温度过高，会加剧铁水石墨晶核的烧损和硅的还原、偏高（酸 性炉衬中），并产生排碳作用，影响按稳定系结晶；若扒渣温度过低，铁水长时间裸露，C、Si 烧损 严重，需再次调整成分，延长了冶炼时间，并使铁水过热，增大过冷度，易使成分失控，破坏正常 结晶。 出炉温度的控制须保证孕育处理和浇注的最佳温度，一般应根据实际情况控制出炉温度为 1460～1500℃，过热温度可控制在 1510～1530℃，并静置 5～8min。在 1500～1550℃范围内，提高 铁水的过热温度，延长高温静置时间，会细化石墨和基体组织，提高铸铁的强度，有利于孕育处理， 消除气孔、夹杂缺陷和炉料遗传性给铸铁的组织和性能带来的不良影响。如果静置温度过低、时间 过短，增碳剂不能完全溶入铁水中，也不利于铁水的杂质上浮被挑渣除去。但过热温度过高或高温 静置时间过长，反而会恶化石墨形态、粗化基体、增大过冷度、加大白口倾向，使铁水已有的异质 核心消失，氧化严重，降低铸铁的性能，并影响出炉温度的控制。如果出炉温度过高，尽管 C、Si 含量适中，浇注三角试块的白口深度会过大或中心部位出现麻口。如果出现这种情况，需调低中频 功率，向炉内补加生铁降温增碳。 浇注温度也不宜高，否则会使铸件产生严重的粘砂缺陷，有的甚至难以清理而使铸件报废，而 且浇注温度高，过冷度大，不利于 A 型石墨的形成。浇注温度如果过低，则不利于除气，还会造成 铸件偏硬和出现冷隔、轮廓不清等问题。适当稍低的浇注温度，铁水液态收缩量较小，有助于减少 缩孔，获得致密的铸件。不同壁厚，不同重量的铸件有着不同的理想浇注温度，在日常生产中一般 控制浇注温度在 1450～1380℃。对于厚大铸件必须要确保“高温出炉，低温快浇”。为了缩短等待 铁水温度降至浇注温度的时间，防止孕育衰退，可以通过倒包加静置的方法使铁水快速降温，以防 止发生缩松，提高生产效率。 3.3 硫和氮的控制 中频炉熔炼铸铁没有增硫源，铁水的 S 含量较低，这一点对于生产球铁有很大的优势。但对于 灰铁，低硫而较高的锰会增大铸造应力，使裂纹出现几率大大增加，而且铁水中适量的硫可以改善 孕育效果。过去冲天炉生产灰铁，由于焦炭会对铁水增硫，不用担心硫低。而中频炉生产灰铁，不 但不增硫，而且还因大量使用废钢，使 S 含量更低了（约 0.04％左右）。灰铁中 w(S)≤0.06％，将 会导致石墨形态不好、难以孕育、缩松和白口倾向大。在以往的生产中就发现，凡是有裂纹和白口 缺陷的铸件，其石墨形态大都以 D、E 型石墨为主。电炉铁水要得到正常的石墨形态，必须要有合 适的 S 含量，硫及硫化物含量低，晶核数量会减少，石墨形核能力降低，白口增大，A 型石墨减少， D、E 型过冷石墨和铁素体增加，晶粒粗大，强度降低。而且随着高温铁水保温时间的延长，过冷度 继续增大，越是高牌号灰铁，保温温度和时间对过冷度的影响越显著。有资料指出，铁水含量低， 共晶团数少，随着 S 含量的增加，共晶团数急剧增加，而共晶团数目越多，尺寸越细小，铸铁的力 学性能越好。因此，中频炉熔炼灰铁一般要把 S 含量提高到 0.06％～0.1％之间，以充分发挥硫的 有益作用，改善孕育效果，使铁水的形核数量增加，铸件的金相组织以 A 型石墨为主，基体组织的 珠光体含量增加，从而改善铸铁的强度和切削加工性能。具体做法是，在熔炼后期调整成分后加 FeS 增硫，也有采用焦炭作增碳剂，在增碳的同时，也把 S 含量增至大于 0.06％。但 S 含量也不可过高， 因硫是阻碍石墨化元素，过高会增加白口，而且在 S 含量高时，随着 Mn 含量的增加，生成的 MnS 充分起到了异质形核作用，为良好的孕育创造了条件。但当 Mn 含量大于 1％后，生成了过多的 MnS 偏聚在晶界，弱化了晶界，甚至产生夹渣，降低铸铁的强度。从减少 MnS 夹渣的角度，应控制 S 含 量小于 0.1％，这样允许存在的锰量高一些，对提高灰铁的性能有利。 由于中频炉熔炼灰铁大量使用废钢，并随着废钢配比的增加，增碳剂的用量也随之增大，加之 增碳剂含氮较高，所以中频炉铁水的 N 含量较高。当铁水中 N 含量大于 100×10-6时，铸件易出现龟 裂、缩松和裂隙状皮下气孔缺陷。控制铁水中 N 含量的最有效的方法是将铁水在高温下保温，在保 温时随时间的延长，N 含量将逐渐下降。但高温铁水长时间保温会增大过冷度和白口倾向，所以日 常生产中应选用 N 含量低的石墨增碳剂。在必要情况下，可在涂料中加入 10％的氧化铁粉，以消除 高氮的影响。但灰铁中的氮和硫一样属于限制元素，铁水中微量的氮能使灰铁的晶粒和共晶团细化， 基体中珠光体量增加，力学性能提高，对改善灰铁的石墨形态，促进基体组织珠光体化能发挥积极 作用，氮化合物也能作为晶核，为石墨形核创造成长条件。在实际生产中，一般应控制 N 含量在 0.008 ％以下。 3.4 强化孕育处理 孕育处理时，加入大量人工结晶核心，迫使铸铁在受控的条件下进行共晶凝固，其目的是促进 石墨化，降低白口倾向和断面敏感性，控制石墨形态，减少过冷石墨和共生铁素体，适当增加共晶 团数，促进形成珠光体，从而改善铸铁的强度和机加工性能。实际生产中的强化孕育处理，是选择 合适的孕育剂和孕育方法，对 CE 在 3.9％～4.1％之间，温度在 1480℃左右的高温铁水用高效孕育 剂强化孕育，以得到铸造性能好，力学性能高的灰铁铸件，并非是指加大孕育量。不同的孕育剂有 不同的特点，必须根据孕育剂的特性，结合自身生产条件合理选择孕育剂和孕育方法。通过试验选 定并确立最适合本企业特点的处理方法后，应严格控制工艺过程，以确保铸件质量的稳定。 除随流加入孕育剂，控制加入量和随流时间外，防止孕育衰退、提高孕育效果还要注意以下方 面： ①因熔炼温度和保温时间的限制，生铁中粗大的石墨片不可能完全消溶，未溶尽的粗大石墨性 状会遗传给铸铁，大大抵消孕育的作用，所以在实际生产中应尽量减少生铁的用量，以消除生铁的 遗传性，改善孕育效果，提高灰铁的性能。 ②应选用含钙、铝、有较多难熔非均质形核核心的孕育 剂，并控制孕育剂有合适的粒度，因孕育剂的粒度对孕育效果的影响非常大。粒度过细，易被氧化 进入熔渣而失去作用；粒度太大，孕育剂熔解不尽，不但不能充分发挥孕育作用，而且还会造成偏 析、硬点、过冷石墨等缺陷。孕育剂的粒度一般控制在 3～8mm（1 吨以下的铁水量），孕育量控制 在约为铁水重量的 0.3％～0.5％。过大的孕育量会使铸铁的收缩和夹渣倾向增大。 ③多次孕育能有 效防止孕育衰退，改善铸铁内部石墨分布均匀程度，降低铁水过冷倾向，使 A 型石墨占有率高，长 度适中，并促使非自发晶核数量增多，细化晶粒，强化基体，提高铸铁的强度和性能。例如二次孕 育选用具有很强促进石墨化能力的硅钡长效孕育剂，可改善薄壁铸件中石墨的形态和分布状况，增 加共晶团，促进形成 A 型石墨，消除过冷石墨，抑制产生游离渗碳体，且可减缓孕育衰退。 ④铁水 温度对孕育的影响，是在一定范围内提高铁水的过热温度，并保持适当的时间，可使铁水中残存的 未溶石墨完全溶入铁水，消除遗传因素影响，充分发挥孕育剂的作用，提高铁水的受孕能力。过热 温度以提高到约 1520℃为宜，孕育处理温度控制在 1460～1420℃较佳。 3.5 工艺技术的调整与改进 （1）中频炉熔炼灰铁的工艺操作顺序：小块回炉料和废钢＋石墨增碳剂＋废钢和新生铁＋回炉 料＋铁合金＋合适的孕育。为了改善铁水在高温长时间保温带来的不良影响，基于中频炉温度易于 提高、可快速熔炼的优势，制定“快熔快出”的工艺操作方法，尽量缩短熔化时间，加快熔化速度， 使铁水在炉内经化学成分调整、升温后尽快出炉，并加快浇注速度，力争 5min 左右完成浇注，最 大限度地缩短铁水在炉内和包内的保温时间。 （2）夹渣对铸件质量的影响很大，轻则细小夹渣割裂基体，降低抗拉强度，严重的夹渣缺陷能 直接导致铸件报废。存在较多夹渣的炉料熔化后，附着于炉壁和存在于铁水中的夹渣受电炉电磁搅 拌和铁水浮力作用而陆续上浮，在熔炼后期需频繁、高效地挑渣，特别是高温静置时杂质上浮，应 及时挑渣，直至铁水表面干净，无新增浮渣，这对去除夹渣、消除渣孔缺陷、减少夹渣对基体的破 坏作用非常大。 （3）因中频炉熔炼灰铁使用了大量废钢和回炉铁，一方面会促成铸铁枝晶石墨的产生和白口倾 向的增大、硬度升高，加工性能变差。因而应比冲天炉铁水更加注重孕育，以促进石墨化，细化共 晶团，改变石墨形态，减少白口倾向，使白口或麻口组织变为细珠光体组织，D、E 型石墨变为均匀 分布的 A 型石墨，提高铸件不同壁厚处组织的均匀性，达到提高铸铁性能的目的。另一方面，废钢 用量的增大，使铁水 S 含量变低，在 w(S)≤0.06％时，易导致孕育困难，一般用 FeSi75 孕育处理 作用不明显，应采取增硫措施。 （4）薄壁铸件的白口缺陷严重，机加工困难，废品率高。解决这一突出问题首先要杜绝使用合 金钢废钢，适当提高 CE，并控制处理前铁水的 Si 含量在 1.6％以上，S 含量大于 0.06％，加大孕 育量至 0.5％，使铁水形核数量增加，石墨形核能力提高，促进 A 型石墨的形成，抑制 D、E 型石墨 的产生，基体组织中珠光体量增加，铸铁的过冷度和白口倾向减小，强度和切削加工性能改善。合 理地控制灰铁的微观组织是改善灰铁加工性能的关键所在，在必要情况下，可在出铁前向包中加入 2％的干净无锈小块生铁，有效增加石墨质点，消除白口。 4．关于提高灰铁铸件质量和性能的一点看法 业内人士都知道：化学成分基本相同、金相分析基本一致的国产铸件与进口铸件的使用性能和 光洁度相差很大；相同碳当量的进口铸件较国产铸件高 1～2 个牌号；硬度高于国产铸件的进口铸 件，切削加工性能反而优于国产铸件。造成这些现象的原因是进口铸件的材质纯净度和碳当量高， 夹杂物和游离碳化物少，组织均匀性好。 铸铁件的内在质量、外观质量以及是否会形成铸造缺陷与铁水的各方面因素密切相关，高品质 的铁水是获得优质铸件的最基本最重要的先决条件。而铁水品质又由铁水温度、化学成分、纯净度 这些因素所决定。中频炉熔炼灰铁获得高于 1500℃高温和精确化学成分的铁水非常容易，铁水中的 每个元素对铸铁的凝固结晶、组织和性能都有一定的影响和作用；铁水过热温度的高低直接影响到 铁水成分和纯净度，其在一定范围内提高，能使石墨细化、基体组织致密、抗拉强度提高、铸造性 能改善，铁水中的杂质也更易于上浮被清渣除去。只有铁水的纯净度，至今仍停留在高温熔炼、聚 渣剂、过滤网这些层面上。其实业内专家都明白，通过这几种措施是难以获的高洁净的铁水的，只 能使情况改善，而对于铁水的深度净化、铸造缺陷的发生机理分析及预防却少有研究，鲜见对策。 存在于铁水中的各种有害气体和非金属夹杂物，在铁水凝固后留存于铸件中，造成种种铸造缺陷， 影响了铸件的使用性能；由非金属夹杂物形成的硬质质点，导致铸件切削加工困难；而铁水中含有 的杂质有害元素，更是直接影响了铸件的组织和性能。正是这些因素造成了国产铸件的综合质量长 期低于进口铸件。因此，我们应大力提高铁水的冶金质量，努力以获取有害元素和气体含量低、夹 杂物少的高洁净铁水为目的，在目前的灰铁中频炉熔炼工艺基础上，进一步完善现代铁水净化技术 和工艺流程，确保用于浇注的铁水必须是高纯净度铁水，进而才能确保铸件的高质量和高性能。 5．结语 （1）中频炉熔炼灰铁，废钢要有一定的配比，一般应占炉料的 50%以上。应选用低氮石墨增碳 剂，并保证高增碳率，以利于获得石墨化程度好、白口和缩松倾向小的优质铁水。同时，大量使用 废钢和回炉铁，少用或不用新生铁，消除粗大石墨的遗传影响。并利用生铁与废钢的价差及夜间电 价低谷熔炼，可使生产成本大幅降低。 （2）中频炉铁水的 S 含量一般较低，应采取增硫措施把铁水 S 含量提高到 0.06%~0.1%之间， 增大形核能力，增加晶核数量和珠光体含量，改善石墨形态，并细化石墨，促使形成 A 型石墨，改 善孕育效果和切削加工性能，提高强度。 （3）通过采用废钢增碳工艺+适当提高 CE 和 Si／C 比+快熔快出的操作方法+强化孕育处理等 生产技术，控制铁水过热温度在 1510~1530℃，出炉温度在 1480~1500℃，达到减少铸造缺陷、增 强灰铁性能、提高铁水品质和铸件质量、降低废品率的目的。 （4）铁水品质是影响铸铁件质量的重要因素，没有高品质的铁水就不可能有高质量的铸件。 应在目前中频炉熔炼灰铁的工艺基础上，着力提高铁水的纯净度，进一步完善现代铁水净化技术和 工艺流程，以确保灰铁铸件的高品质和高性能。 参考文献 [1]陆文华,李隆盛,黄良余.铸造合金及其熔炼【M】.北京：机械工业出版社，2008．3 [2]童军,章舟,连炜.铸铁感应电炉熔炼及应用实例【M】.北京：化学工业出版社，2008．5 [3]邹荣剑,谢寨川.全废钢技术在铸铁生产的应用【J】铸造技术，2008（12）： 1747~1748 [4]岳海,赵超云.中频炉熔炼高强度灰铸铁型石墨的控制【J】铸造设备与工艺，2013（4）： 42~44 [5]沈中仁,施永德,刘党库.中频炉熔炼铁液易产生的铸造缺陷及预防对策[J]铸造技术，2012（6）： 744~746 [6]殷作虎.硫对灰铸铁组织和性能的影响【J】铸造，2004，53（10）： 805~809 [7]林艳茹,李艳琴.碳当量对铸铁加工性能的影响及控制【J】金属加工-热加工，2014（13）： 46~48 作者简介：段平昌（1967-）男，安徽淮南人，工程师，主要从事钢铁及铸造原辅材料的分析检测、 实验室的管理和钢铁的熔炼工艺技术工作。手机13395545112 黄涛（1983-），男，安徽利辛人，工程硕士，工程师，凯盛重工有限公司质保部部长， 主要从事工程技术与企业质量管理工作。手机 13866323731 | 
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