球墨鑄鐵件在我國水泥裝備制造中的應用

彭玉蓉，申占民

1 球墨鑄鐵的發展使用情況

1947年，英國鑄鐵研究所Morrogh發現，在過共晶鐵液中加入Ce并用硅錳鋯合金孕育，可獲得球狀石墨的鑄鐵，并于1949年申請了含Ce球墨鑄鐵的專利。同時，美國國際鎳公司發明了在鐵液中加入Mg制取球墨鑄鐵的工藝并取得專利，使球墨鑄鐵在1948年實現了工業化生產。

我國也是最早制造出球墨鑄鐵的國家之一，1949年我國清華大學教授王遵明在國內用Mg成功制成了球墨鑄鐵。1965年無錫柴油機研制的沖入法取得成功并迅速在全國范圍內推廣。

由于球墨鑄鐵成本低廉，綜合力學性能優異，接近于鋼，在我國，通過科研和應用人員幾十年的研究，球墨鑄鐵已成功地用于鑄造一些受力復雜，強度、韌性、耐磨性要求較高的零件。球墨鑄鐵已迅速發展為僅次于灰鑄鐵且應用十分廣泛的鑄鐵材料。球墨鑄鐵工業化生產60多年來性能不斷提高，同時其制作工藝簡單，價格便宜，產量不斷提升。

目前中國是世界上球墨鑄鐵產量最大的國家，2015年我國鑄件產量4 560萬噸，其中球墨鑄鐵件1 295萬噸，占比28.4%，球墨鑄鐵的性能和質量水平逐年提高。2009年我國對1988年版的球墨鑄鐵件國家標準進行了修訂，發布了GB/T 1348-2009《球墨鑄鐵件》、GB/T 9441-2009《球墨鑄鐵金相檢驗》標準。中國鑄造協會也于2015年發布了ZXB/T 0102.01-2015《固溶強化鐵素體球墨鑄鐵件》標準。球墨鑄鐵件已經應用于國民經濟的各個領域，特別是球墨鑄鐵管，汽車、發動機曲軸等廣泛采用球墨鑄鐵。隨著我國裝備制造業的發展，近年來大斷面（壁厚＞100mm）的球墨鑄鐵件也增長較快，在大型機床件、大型注塑機模板、船用件、燃氣輪機鑄件、風電鑄件等都廣泛采用球墨鑄鐵。

球墨鑄鐵在鑄件中的比例在很大程度上代表了一個國家的鑄造技術和生產水平。從表1可以看出，盡管我國球墨鑄鐵件的產量和應用范圍增長較快，但球墨鑄鐵在鑄件中的比例仍低于英美等發達國家，還有很大的發展空間。由于球墨鑄鐵的成本低廉，綜合性能優異，產量和其在鑄件總產量中所占比例逐年增高。由表2可以看出，經過多年的發展，我國球墨鑄鐵占鑄件總產量比例已經達到世界平均水平。

2 球墨鑄鐵的類型、特點

由于基體組織的差異，球墨鑄鐵常被分為鐵素體球墨鑄鐵、珠光體球墨鑄鐵、鐵素體-珠光體混合基體球墨鑄鐵。鐵素體球墨鑄鐵產量約占球墨鑄鐵件總產量的60%，在目前風電和水泥設備的球墨鑄鐵件中，多數采用鐵素體球墨鑄鐵。鐵素體球墨鑄鐵按照生產工藝可分為熱處理態鐵素體球墨鑄鐵、鑄態鐵素體球墨鑄鐵、熱硅固溶強化鐵素體球墨鑄鐵。

熱處理球墨鑄鐵是通過對材料加熱溫度及速率、保溫時間、冷卻速率等條件加以控制，以便達到預期組織及性能的金屬材料處理方法。實際生產中的熱處理工藝包含退火、正火、淬火等工序。在熱處理態鐵素體球墨鑄鐵中最具代表性的是風電用低溫高韌性球墨鑄鐵。

表1 2008年各國球墨鑄鐵與鑄鋼、灰鐵以及全部鑄鐵的比例[1]

表2 2008～2013年我國球墨鑄鐵產量、鑄件總產量、球墨鑄鐵占比統計[2]

鑄態鐵素體球墨鑄鐵因無需熱處理，既能簡化生產工藝、縮短生產周期，又能避免熱處理引起的鑄件氧化及變形，可提高成品率和生產率，為企業節省人工及設備成本。采用鑄態球墨鑄鐵代替低溫退火球墨鑄鐵，生產每噸鑄件可節電300～400kWh，鑄件的成品率可提高10%，鑄件抗拉強度及耐疲勞性能分別可提高16%及76%。

硅固溶強化鐵素體球墨鑄鐵是利用硅元素的石墨化、鐵素體化及固溶強化作用生產的一種鑄態全鐵素體球墨鑄鐵。與傳統的混合基體球墨鑄鐵相比，硅固溶強化鐵素體球墨鑄鐵擁有以下優點：

（1）硅固溶強化鐵素體球墨鑄鐵綜合力學性能較好，屈強比高，疲勞性能稍優，在產品設計時可減小鑄件壁厚，減輕鑄件質量。

（2）基體組織為單一鐵素體，鑄件的硬度波動范圍較窄，切削加工性能好，刀具使用壽命長，機械加工成本較低。

（3）可大量使用含有珠光體穩定元素和碳化物形成元素的廢鋼作為合成鑄鐵的原料，從而降低生產成本。

因此，對于抗拉強度500MPa級別的球墨鑄鐵而言，硅固溶強化鐵素體球墨鑄鐵的伸長率是常規混合基體球墨鑄鐵的2倍，屈強比也由0.6增加至0.8，沖擊韌性與混合基體球墨鑄鐵大致相同，疲勞性能較混合基體球墨鑄鐵優異。

3 球墨鑄鐵在水泥裝備上的應用

自2000年以來，水泥產能擴張的強勁需求帶動中國水泥裝備行業規模的快速擴張，2014年水泥專用裝備產量達到94.6萬噸。目前國內水泥裝備行業在加工能力方面整體上已經適應了水泥裝備大型化的需要，具備了大型水泥生產線成套設備的生產制造能力，但在裝備設計及加工制造水平上與發達國家相比還有一些差距。單就鑄件而言，水泥主機裝備中鑄件占整機設備重量的20%～30%，但水泥裝備中鑄件絕大部分是鑄鋼件，幾乎很少采用球墨鑄鐵件，這一方面是由于目前的水泥裝備均為上世紀設計，當時我國的球墨鑄鐵件特別是大斷面球墨鑄鐵件的制造還比較少；另一方面，在本世紀前十年水泥裝備的大發展時期，由于水泥裝備需求旺盛，其產品設計未能及時更新，同時，未能與國內鑄造業的發展同步。

隨著近年來裝備“走出去”戰略的發展，在與國外同類產品的對標中我們發現，國外同類水泥設備（如輥磨的磨盤、搖臂、輪轂，回轉窯的輪帶、托輪等鑄件）已經大部分采用球墨鑄鐵件，甚至在一些耐磨產品中，如輥磨的輥套，其基體材料也采用了球墨鑄鐵件。國外發達國家在生產大斷面球墨鑄鐵方面具有較高的水平，1991年國外已生產出195t的水泥輥磨磨盤。德國siempelkamp公司1983年生產了最大壁厚630mm、重量160t的沖壓機支架。我國大斷面球墨鑄鐵的研究起步于20世紀70年代，但是由于我國鑄造業整體水平不高，鑄造超大斷面球墨鑄鐵件一直很困難，直到本世紀初，超大斷面球墨鑄鐵的制造才有了突破。

在水泥主機設備中，除了結構件外，鑄件占有很大的比重。比如在輥磨的鑄件中，主要集中在磨盤、搖臂及磨輥中，分別占總鑄件的比例約為60%、25%、15%。一些國外輥磨制造企業（F.L.smidth，Loesche等）不僅在磨盤鑄造中使用球墨鑄鐵，而且在磨輥輪轂、搖臂等重要鑄件中也用球墨鑄鐵代替鑄鋼，在實際應用中取得非常理想的效果。

4 球墨鑄鐵鑄件和鑄鋼鑄件的區別

我們就分別采用球墨鑄鐵和鑄鋼工藝鑄造的輥磨磨盤作一比較，以說明其區別。

磨盤是輥磨的重要部件，不僅電機的扭矩由磨盤來傳遞，而且磨輥加壓產生的粉磨力也通過磨盤傳遞到基礎，因此磨盤鑄造的質量對于整臺輥磨具有至關重要的作用。國內多數輥磨制造廠家磨盤材料采用的是鑄鋼件。

4.1 輥磨磨盤采用鑄鋼ZG 270-500鑄造工藝

某公司φ3.2m磨盤盤體材質為ZG 270-500，最大外徑尺寸3 520mm，最大高度1 820mm，最大熱節355mm，單件重量37t，澆注鋼液65t，澆注鋼液是成品重量的1.75倍。要求盤體上下表面超聲波探傷標準滿足GB 7233中的Ⅲ級要求；磨盤R區要求磁粉探傷達到GB 9444的Ⅲ級。澆注溫度1 540～1 560℃。鑄造后需要進行正火處理。

ZG270-500鑄鋼鑄造收縮率一般為2%。該鑄件上平面加工余量一般留23mm，下平面和側面加工余量18mm，鑄件截面最大處分型，手工樹脂砂組芯造型，一箱一型。該鑄鋼件凝固方式為順序凝固，在熱節處容易出現縮孔、縮松的缺陷。按模數法設計出磨盤大平面冒口尺寸,冒口尺寸為φ 800mm×1 200mm，發熱冒口共4個，中間腰帶和小平面熱節位置擺滿外冷鐵，鑄件工藝出品率66.5%，如圖1所示。

生產中，外模和砂芯均采用堿性酚醛樹脂砂，手工組芯造型，刷涂醇基鋯英粉涂料，合箱后熱風機烘干；按照熔煉工藝煉制合格鋼液65 000kg，用精煉鋼包澆注；澆注成功的鑄件落砂后，經正火+回火熱處理后粗加工。該鑄件最終強度檢驗，屈服強度300MPa，抗拉強度542MPa，屈強比0.55。

4.2 輥磨磨盤采用球墨鑄鐵鑄造工藝

某公司φ3.4m磨盤盤體材質采用QT400-18A球墨鑄鐵，磨盤鑄件凈重28t，鐵水37t，澆注溫度1 310～1 330℃，澆注鋼液是成品重量的1.32倍。采用底注式澆注，利用冷鐵加快熱節部位的收縮。由于石墨球析出和生長過程中的石墨化膨脹抵消一部分收縮，球墨鑄鐵的收縮率較小，僅為0.7%～1%。但也正是因為石墨化膨脹導致向鑄型傳遞的膨脹壓力較大，若鑄型剛度低，石墨化膨脹時將造成型壁外移，增大縮松傾向。若要獲得滿意的球墨鑄鐵鑄件，首先需要保證鐵水質量和鑄型剛度。鑄件上平面加工余量15mm，其他10mm，毛坯面4～5mm，具體工藝如圖2所示，成品檢驗具體金相組織見圖3。

生產中，在嚴格執行工藝參數的基礎上，只需要注意冷鐵的擺放和砂型強度即可獲得滿意的鑄件。該鑄件最終檢驗屈服強度270MPa，抗拉強度395MPa，屈強比0.68。

通過對比分析（表3）鑄鋼和球墨鑄鐵的鑄造工藝我們可以看出：

（1）球墨鑄鐵密度低，屈強比高，有助于鑄件減重。

表3 鑄鋼和球墨鑄鐵的鑄造工藝對比分析

圖1 鑄鋼磨盤鑄造工藝

圖2 鑄鐵磨盤鑄造工藝圖

圖3 球墨鑄鐵金相組織照片

圖4 鑄鋼件熱處理工藝

（2）球墨鑄鐵收縮傾向小不需要補縮冒口，可提高工藝出品率。

（3）球墨鑄鐵的鑄造性能好，更易獲得成品鑄件，產品質量高，一般都能達到UT探傷二級水平。

（4）球墨鑄鐵可通過型內保溫代替熱處理，不需要再進行正火處理；澆注鐵水溫度比鑄鋼低200℃左右。因此，球墨鑄鐵綜合能耗低，綠色節能。

根據材料[3]顯示，球墨鑄鐵QT400-18在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃時的比熱容分別為：473J/kg·K、502J/kg·K、523J/kg·K、548J/kg·K、569J/kg·K；鑄鋼ZG230-450的比熱容在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃時分別為：494J/kg·K、510J/kg·K、507J/kg·K、540J/kg·K、557J/kg·K。如果都按照500℃-560J/kg·K比熱容計算，鑄鋼加熱溫度高1 560-1 330=230℃，鐵水多1.75-1.32=0.43倍，相同體積鑄鋼是球墨鑄鐵重量的1.1倍。不考慮熱損耗，據此計算相同規格的球墨鑄鐵件熔化鐵水消耗的熱能為：

Q=560×1 000×230×1.1×1.43=202 602kJ/t

折合電能為56kWh/t鐵水，則一個37t重的磨盤需要多耗電2 072kWh。

鑄鋼磨盤一般都需要正火+回火處理。如果按照圖4進行熱處理，比熱容按照557J/kg·K計算，則鑄鋼熱處理需要消耗的能量為：

正火：Q1=557×1 000×（920-20）=501 300kJ/t

退火：Q2=557×1 000×（580-300）=155 960kJ/t

熱處理總需要能量Q1+Q2=657 260kJ/t，折合電能183kWh/t，一件37t重的磨盤需要耗能6 71kWh。

因此，一件相同規格的37t磨盤采用鑄鋼制造比采用球墨鑄鐵制造多用電8 843kWh。

5 結語

國家在《中國制造2025》中指出：“制造業是國民經濟主體，是立國之本、興國之器、強國之基。沒有強大的制造業，就沒有國家和民族的強盛。打造具有國際競爭力的制造業，是我國提升綜合國力、保障國家安全、建設世界強國的必由之路”。制造業的基礎在于材料，作為設備制造商和供應商，必須了解和掌握國內和國外適用于制造業的新材料。球墨鑄鐵材料作為鑄件材料已經在國內外得到廣泛應用，用球墨鑄鐵件代替鑄鋼件不但可以大幅降低生產成本，而且易于得到批量優質的鑄件，且工期穩定。球墨鑄鐵件剛度好，不易變形，石墨還具有潤滑作用，減磨性好，能延長磨盤等鑄件的使用壽命。

[1]盛達.球墨鑄鐵工業生產60年的發展[J].現代鑄造，2009，（2）：56-60.

[2]王謙謙.硅固溶強化鐵素體球墨鑄鐵組織及性能研究[D].鄭州大學碩士學位論文，2016.

[3]魯惠民，陳運運，等.機械工程材料性能數據手冊[M].北京：機械工業出版社，1995：755-776.■