探讨高品质球墨铸铁的熔炼技术

潘宝友

【摘  要】高品质球墨铸铁的熔炼技术是提高球墨铸铁综合性能的重要技术手段，通过高品质球墨铸铁的熔炼技术可获得高的强度、塑性、韧性、耐磨性和机械冲击、耐高温或低温、耐腐蚀等。本文就重点针对高品质球墨铸铁熔炼技术要点进行了简要的分析和探讨。

【关键词】高品质;球墨铸铁;生产;熔炼技术

当今，我国是全球生产铸铁的第一大国，铸件产量是全球总产量的25%。近些年以来，一直保持着迅速增长的态势。然而，我国球墨铸铁的应用比重跟发达国家还面临着一些差距，应用高品质的球墨铸铁还具备比较大的空间。高品质球墨铸铁的优势是化学成分稳定、石墨形态良好、力学性能优异、基体组织适宜。球墨铸铁的熔炼水平会严重地影响到其性能，从一定程度上来讲，球墨铸铁的熔炼技术是球墨铸件生产能力的体现。

1 高品质球墨铸铁的熔炼工艺技术

球墨铸铁铁液的基本要求是高温低硫，国内外一般是借助冲天炉、中频炉、感应炉的联合来熔炼铁液。应用热风除尘冲天炉能够使熔炼铁液的效率大大提高，而应用感应电炉能够有效地控制合金的成分，从而确保稳定的球化。

在国内的大型铸造企业当中，经常应用双联熔炼工艺。然而，在多样性浇注的铸件牌号上，规模较大的冲天炉对铁液成分缺少较强的调整能力。并且，我国的冲天炉在熔炼的过程当中，由于熔炼温度比较低以及焦铁比间存在比较大的差异性，这会制约铁液的质量以及成分构成。通过采用中频感应炉的工艺技术可以使熔炼操作简便，工艺灵活调整，且铁液的质量较高，熔化效率也优于冲天炉，故在中小规模的铸造企业中广泛应用。

在球墨铸铁生产当中，一个关键的生产指标是石墨的形态，石墨的形态跟铸件的抗冲击性和强度性能存在非常紧密的关系。而熔炼球墨铸铁中一个重要的技术是球化处理，选用的球化剂和球化方式会严重地制约到处理的结果。当今，我国大都应用稀土镁硅铁复合剂作为球化剂，其中镁的功能是主导球化。在我国铸造企业日益提升脱硫能力的影响下，球化剂的发展方向是低稀土。另外，结合铸件形态的组织要求，能够选用含有锑、钙、钡的球化剂。在选用球化工艺的过程中，主要的兼顾要素是反应平稳性和吸收率。国外企业大都应用盖包冲入法，该方法的特点是适用面广、吸收率高、烟尘少。我国大都应用冲入法球化处理技术。另外还有喂丝法球化工艺，这种工艺损失的温度少，反应十分稳定，且逐步地获得了应用与推广。

2 原材料对球墨铸件性能产生的影响

我国常用的铸铁件原材料是铸造生铁。其中，生铁中的石墨形态、微量元素、气孔等要素会直接地影响到铸件的性能，同时，针对球墨铸铁的性能来讲，也造成1～2个牌号的不同，因此各个铸造企业在生铁更换的过程中需要尤为关注此问题。

当今，相比发达国家，我国应用的铸造生铁当中含有的微量元素比较少。因为有限的资源，在生产铸件的时候一般会将其他的一些矿石加入，这会显著地提高一部分微量元素的含量，从而会严重地影响到球墨铸铁的生产。

球墨铸件性能不但受到生铁当中微量元素的制约，而且也会受到生铁内部物质（气体、夹渣物、熔渣等）的制约。导致如此情况的原因是生铁受到铁矿石熔炼技术的制约以及铁矿石的品质存在不同之处。

为了获取高品质，特别是高韧性与高强度球墨铸件，应当确保铸造生鐵的质量，借助优质的原料（增碳剂加废钢）进行熔炼。在废钢当中，含有非常少的杂质元素，成分非常稳定，且在高温熔炼的过程中消除了生铁的遗传效应，从而能够熔炼的铁液的品质较高。在借助废钢增碳工艺熔炼铁液的过程中，需要重视下面的两个问题：一是废钢的类型。一般情况下需要选用的原料是型号相同和来源固定的优质碳素构造的废钢，进而使废钢当中合金元素导致的不利影响降低。二是增碳剂的品质。增碳剂这种晶体形态有着较高的化学纯度，要求借助不间断的高温处理，从而对挥发物、气体杂质、硫、水分进行分离。倘若增碳剂的品质较高，那么含硫量会非常低，且稳定和增碳率高，还可以推动石墨化和孕育功能。

在球墨铸件的生产过程中，应用增碳剂不但能够实现铸件韧性与强度的提升，而且也不会使铸件的收缩加重，废钢增碳工艺的有效应用可以实现铸件收缩性的大大降低，应当明确的是，需要在感应电炉中应用废钢熔炼技术。

3 对球墨铸铁一系列成分的有效控制

对基体是铁素体的球墨铸件进行生产的过程中，不要求实现合金化。在对混合基体和珠光基体的球墨铸件进行生产的过程中，为了确保铸件的性能，一般要求实施合金化的处理。

锰的功能在于实现铸件珠光体含量的提升，进而大大地提升抗拉强度。可是，锰的含量太高比较容易造成偏析，这不利于球墨铸铁的石墨化。为此，在珠光体球墨铸件当中，锰的含量不能够超出0.6%。通过比较大的锰含量提升铸件性能是因为锰有着十分显著的力学提升性能以及成本低。

在球墨铸铁当中，十分关键的组成元素是碳，通常控制在一定比例的碳含量，在碳含量太高的情况下，会导致石墨的漂浮，进而使不规则形状的石墨球形成，在含碳量太低的情况下，不利于球墨铸铁的补缩与石墨化。

在生产高牌号球墨铸件的过程中，铜是经常见到的元素。铜的性能温和，可以推动形成铸件珠光体，以及共晶时期的石墨化和细化。铜能够实现石墨球的圆整，然而不能够推动形成碳化物，进而不能够提高球墨铸件的强度。

在球墨铸件中，不可缺少的是硅，这并非由于硅可以推动石墨化和提高铸件的孕育功能，尤为关键的是硅能够使铸件实现理想的力学性能。在种类是铁素体的球墨铸件当中，硅的含量一般较高，其能够促使球铁的形成，在韧性提升的过程中，因为具备强化固溶的特点，能够使铸件抗拉强度提升。在生产较大断面和较高韧性的球墨铸铁的过程中，需要对硅的含量进行有效控制，避免太高的含量。另外，在混合机体或者是球光体基体的球墨铸件的生产过程中，因为硅不存在强化的功能，所以应当确保硅的含量在适宜的范围之内。

在生产球墨铸铁中，磷元素和硫元素一般都是有害的，会制约到铸件的性能，因此需要使磷的含量在0.05%以下、硫的含量在0.02%以下。尤其是生产韧性较高的球墨铸件的过程中，还会降低磷和硫的含量，进而实现铸件性能的提升。

4 球墨铸铁孕育衰退预防措施

研究表明，用75硅铁进行孕育处理，孕育效果会很快地随时间的推移而衰退，按常规经验，球墨铸铁的孕育作用时间为12～15min。超过15min以后，孕育作用将大部分或全部消失。为了保证铸件质量，通常要在孕育后10min以内浇注完毕，最好在铁水自注入型腔时进行再次孕育。

到目前为止，提高孕育效果和防止衰退的措施概略如下。

（1）选择强效孕育剂。以硅铁为基础的孕育剂中最好含少量的Ca、Ce、Zr、Ba等元素。

（2）保证球化后铁液必要的硫含量，过低的硫量不利于提高球数，对球化后含硫（S）0.005%的鐵液，用FeS2进行后孕育使硫提高到0.012%，发现石墨形状不受影响，但石墨球数由528个/mm2增加到585个/mm2。

（3）改善处理方法。尽量缩短孕育到浇注的时间，因为所有的孕育剂的孕育效果都在刚加入的瞬间最大，之后立即发生衰退，不存在衰退的酝酿期。

（4）适当降低铁水浇注温度，随过冷度增大异质核心的成核有效性中可以接受的失配度数值变大，换句话说，提高冷却速度，增大过冷度，可以使更多的颗粒激活，作为石墨的成核剂。

5 结语

总而言之，在工业生产的各个方面都非常普遍地应用球墨铸铁。为了获得品质较高的球墨铸铁，需要优化球墨铸铁的熔炼技术，兼顾原材料对球墨铸件性能产生的影响，合理的选择球墨铸铁的化学成分，只有如此，最终才能够提升其应有的性能。

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（作者单位：中国第一重型机械股份公司）