感應電爐熔煉高強度灰鑄鐵的生產實踐

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和生產實踐經驗，感應電爐只生產球鐵件和外商要求電爐生產的少量灰鐵件，大量高強度灰鐵件使用冷風沖天爐生產。

隨著企業的發展，高強度、壁厚不均、結構復雜的中高速船用柴油機機體、汽車用鑄件和高端機床件對產品質量和熔煉技術提出了更高的要求：具有較高的共晶度（Sc）和成熟度（RG）、冶金質量良好，斷面敏感性小，即較高的材料強度、較小的收縮率，良好的切削加工性能。

傳統的沖天爐和電爐熔煉工藝己無法滿足高質量產品的要求。

1 高強度灰鑄鐵熔煉工藝

爐料配比、化學成分和材料性能（表1）。

我廠沖天爐和電爐生產HT300 高強度灰鑄鐵，配料工藝單一，大量使用生鐵，通過降低碳當量、調整錳硫含量、強化孕育、提高鐵液的過熱溫度、低合金化處理等傳統的工藝措施來提高材料的性能，綜合質量難以保證。

強化孕育的工藝并不能使材料達到較高的強度,碳當量的降低使鐵液的石墨形態惡化，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、化學成分和材料性能

2 提高灰鐵材料強度的途徑

生產高強度的灰鐵，必須轉變思路，通過非傳統的思維方式改進熔煉工藝技術。隨著感應電爐的普及，感應電爐應用增碳技術生產合成鑄鐵,被證明是生產高強度灰鑄鐵最佳的創新工藝，顛覆了傳統概念中認為電爐冶金條件效果差、鐵液過熱度低、結晶核心少、材料性能低的誤區。相反，感應電爐通過增碳技術熔煉，鐵液中碳的飽和度越高，非自發結晶核心越多，石墨結晶的形核能力越強；爐內無氧化性氣氛、氣體含量低，鐵液的純凈度高，提高了灰鐵材料的強度和性能，可以根據產品質量、生產成本、爐料狀況不斷優化和調整爐料配比。

3 優質碳素廢鋼對鐵液成分的影響

隨著電弧爐煉鋼使用氧氣集束射流技術的普及，開創了電弧爐大比例使用鐵液的時代，使電弧爐的冶金工藝條件趨向轉爐化。轉爐和電弧爐冶煉普通碳素鋼，生產過程是強氧化性氣氛，爐內氧化性氣氛比沖天爐強烈，冶金反應條件更加優越。普通碳素鋼中的微量元素在冶煉中被氧化到平衡狀態，相當于優質生鐵的微量元素含量。在感應電爐熔煉灰鐵時，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，其來源于鐵礦石，與礦石的產地、脈礦品質有關。

優質碳素廢鋼和優質生鐵的微量元素比較（表2）。

表2 優質碳素廢鋼和優質生鐵的微量元素比較

4 感應電爐生產高強度灰鑄鐵的工藝技術

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

5 增碳工藝是感應電爐生產高強度灰鑄鐵的關鍵

隨著對合成鑄鐵的理論學習以及生產實踐的經驗積累，逐步掌握了合成鑄鐵的熔煉工藝技術，我們淘汰了沖天爐，使用感應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結晶核心，提高了鐵液的石墨化能力，促進石墨晶核形核，減少白口傾向，提高灰鑄鐵的性能。

晶型石墨化增碳劑化學成分見表3，合成鑄鐵化學成分和性能見表4。

采用優質碳素廢鋼和增碳工藝熔煉高強度灰鑄鐵，當廢鋼用量超過50%時，在同樣的工藝條件下，可以穩定生產HT300 以上的牌號；當w（C）量在3.2%～3.3%時，σb≥350N/mm2。

表3 晶型石墨化增碳劑

表4 合成鑄鐵化學成分和性能

6 增碳工藝是解決電爐鐵液凝固收縮的關鍵

感應電爐生產高強度鑄鐵，必須使用大量的廢鋼，增碳劑的加入量也隨之增加，增碳技術的核心是使用優質晶型石墨增碳劑，優質增碳劑使鐵液獲得良好的石墨化效果，石墨形態良好，石墨數量增加，石墨分布均勻，鐵液在凝固過程中析出的石墨產生膨脹作用，鐵液的收縮傾向比用生鐵熔煉的鐵液更小，增碳劑的質量決定了高強度鑄鐵的質量，是高強度鑄鐵中增加廢鋼使用量的關鍵，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的應用，起到了增加鐵液非均質晶核的預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生[C]-[O]反應，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。

在生產過程中，我們經常發現，電爐熔煉灰鐵時，在配料、化學成分及孕育工藝不變的情況下，從HT200 到HT300，?30mm 的單鑄試棒σb能夠達到350N/mm2～430N/mm2之間，HT350 的?30mm 的單鑄試棒σb超過400N/mm2，鑄件并無氣孔缺陷，金相分析顯示，該處石墨呈蠕化狀，石墨短而厚。分析認為，與使用的增碳劑氮含量有關。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生畸變，細化了共晶團，增加珠光體數量，使鐵液的共析轉變溫度降低，對基體組織產生顯著的強化作用。由于無法在生產現場對鐵液中w（N）作快速量化分析，我們根據使用不同類型增碳劑積累的經驗，在生產高碳當量、高強度復雜件時，適量使用氮含量較高的增碳劑，以不發生氮氣孔為限，代替傳統的低合金化工藝，取得了較好的效果。

7 鐵液預處理技術

預處理是使用石墨性孕育介質對原鐵液進行工藝處理，在鐵液熔煉后期加入晶型石墨增碳劑微調碳，范圍在0.05%～0.10%時，在鐵液中形成大量彌散分布的非均質結晶核心，提高形核能力，減少異形石墨，降低鐵液的過冷度。在預處理結束后，鐵液保持5 分鐘，然后快速出鐵。

8 結論

（1）感應電爐熔煉高強度灰鑄鐵，要采用廢鋼增碳熔煉和爐內預處理工藝，不用生鐵，提高碳當量，尤其是w（C）量，使鐵液在凝固過程中析出大量石墨產生膨脹作用，是減少鐵液凝固收縮的關鍵。

（2）增碳劑的質量決定了高強度鑄鐵的質量，是高強度鑄鐵中增加廢鋼使用量的關鍵。

[1]優質生鐵微量元素的控制標準是什么[J].現代鑄鐵，2012（6）：101.

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