随着我国加入世贸组织，世界一体化进程不断加快，超厚大断面球墨铸铁件的应用日益广泛，尤其在轧辊、机床等行业中，提高产品质量势在必行。厚大断面一般是壁厚大于100-200毫米，重量大于10-20吨，特殊的壁厚大于500毫米，重量大于100吨。铸件的铁水量多，热容量大，冷却速度极其缓慢，凝固时间漫长，短则几个小时，长则达几十个小时，容易出现石墨畸变，形成蠕虫状，碎块状（枝晶）石墨，即组织的“三明治”现象，在铸造界称为“灰斑”或“黑斑”宏观缺陷[8]，对熔炼过程，铁水质量提出了较高的要求。

1、钢铁材料的选择

    钢铁材料主要有生铁、废钢，生铁的主要元素、微量元素、气体，石墨、夹杂物等，废钢的气体，合金元素等，直接进入铸造铁水，表现出较强的“遗传性”，所以生铁、废钢是最敏感的原材料。

1.1生铁的选择

    本溪生铁质量极佳，磷、硫、杂质含量极少，在铸造界有“人参铁”的美誉，是铸造厚大断面球墨铸铁的最佳生铁，但是资源少，价格高，运输费用高，增加了铸造成本[1]。其它地方的生铁质量参差不齐，有的硫、磷高，有的锰、铬、钒高，有的气体含量高，大多数钛较高。铬、钒、钛，阻碍石墨化、石墨球化；氧气会附着在石墨晶体的棱面上，降低棱面的界面能，不利于石墨的球化。

1.1.1生铁的主要元素选择原则:：

    主要元素应符合：“一高三低一少”的原则，一高即碳高，有利于石墨化，有利于增加废钢配料量，有利于提高机械性能；三低即锰、磷、硫低，有利于提高机械性能；一少即硅少，有利于球墨铸铁回炉料的使用，降低生产成本。控制原则见表1-1：                                         

 表1-1

1.1.2其它微量干扰元素控制原则:

    ∑T=Ti+Cr+Sn+V+As+Pb+Zn+Sb＜0.10%[2] 越少越好。 我国生铁中钛含量与主要有害干扰元素总和见表1-2                                            

 

 

 

 

    其中钛是主要的干扰元素中含量最高的元素，一般占总量的71-87%[5]，因此钛含量必须小于0.07%。确保总量小于0.10%。1.1.3稳定渗碳体元素的控制原则:

∑Cs=∑Mn+15Cr+20V+30B+10S+7Mo+3Sn+1.5P＜2.0[3]

   其中铁素体球墨铸铁控制在小于0.8，珠光体球墨铸铁小于1.0。

1.2废钢：                                                                                   

1.2.1气体：

    废钢带入的主要气体是氮气，另外，还有氧气和氢气，其中氮气搞高稳定碳化物，降低球墨铸铁的屈服强度和韧性；气体危害严重，含量越少越好。部分钢中含气量见表1-3 [4]   

 表1-3

 

 

 

 

废钢中的气体含量的控制原则见表1-4：                 

 表1-4

 

 

 

1.2.2合金元素：                                                                             

    随着市场需求的变化，废钢中合金钢的比重越来越大，废钢中合金元素越来越高，主要是铬、钛、钒等有害元素，因此废钢的合金元素越少越好，应选择高级优质碳素钢，低硅钢。

2、熔炼过程的控制：

    铁水熔炼过程是生产的基础，随着环保意识提高，铸造反射炉、冲天炉逐渐被环保、经济、实用的工（中）频感应电炉取代，为改进熔炼工艺创造了条件。

2.1炉外脱硫、脱气净化铁水：

2.1.1脱硫

    采用高效、环保的复合脱硫剂，控制合适的温度、合理的加入量，正确的出炉方式，进行炉外脱硫，脱硫效率65-80%，使铁水含硫量降低到0.010%以下。

2.1.2去气

    生产实践证明：合理利用工业纯碱脱硫降硅去气，选择合适温度，使铁水中氧气、氮气、氢气的含量分别降低到15PPm、 20PPm、2 PPm以下。

2.2高温熔炼提高铁水质量

2.2.1高温熔炼的温度选择：

    文献[5]指出：在1455℃以下并且保温30分钟的情况下，改变温度对石墨形态的影响不大；当温度超过1455℃时，随着温度的升高，保温时间的延长，石墨形态的变化呈现如下规律：粗片状石墨（A型）  菊花状（B型）   共晶石墨（D型）   细粒状石墨，促使形成细粒状石墨。实验数据表明，铁水温度不超过1538℃，保温时间不超过20分钟，铸件的相对强度RG，相对硬度RH和质量指标GZ均无变化；当铁水温度超过1538℃，当保温时间大于20分钟后，相对强度RG降低，质量指标GZ下降，所以铁水的临界温度为1538℃，临界保温时间为20分钟[6]。 铸铁的铁水高温温度一般选择在1500-1550℃，因为球墨铸铁的凝固具有过冷倾向，一般选择1520±10℃，保温时间为20分钟。

2.2.2消除有害气体

    生产实验数据表明，在高温熔炼，减少铁水的氧气含量，降低幅度与其含量呈正比，一般在30-70%之间。

3、化学成分的控制：                                                       

    铁水化学成分是生产球墨铸铁的根本，需要进行严格的控制，尤其是碳当量、碳、硅、锰、磷、硫、钛，镁、稀土。

3.1碳当量的设计：                                                                  

    铁水的碳当量高于共晶点时，就会析出初晶石墨，形成较大的石墨颗粒，出现石墨“漂浮”；远低于共晶点时，容易形成铸造疏松和缩孔，另外球墨铸铁“粥（糊）状”凝固特点，加剧了疏松和缩孔缺陷的发生，因此碳当量选择4.1-4.30%。

3.2硅含量的设计：                                                    

    硅是一个石墨化元素，增加硅含量，可以增加石墨球的数量，细化石墨球，但硅固熔于铁素体，超过3.0%时，会增加球铁的脆性，导致塑性和韧性下降。在实际生产中，既要考虑球铁回炉料进硅，又要考虑生铁进硅，过低增加劳动量，提高成本；过高不利于加大孕育剂量，炉前硅1.1-1.5%[3]，成品硅2.30-2.70%。

3.3  锰含量控制

  锰是促进碳化物形成元素，容易在共晶团边界产生偏析，尤其在厚大断面中，偏析非常严重，富集在晶界上，降低厚大断面的机械性能，考虑生产实际状况，一般控制在0.1-0.5%[7]，铁素体取0.1-0.3%，珠光体取0.3-0.50%。

3.4  磷含量控制                                                                    

    磷易产生偏析，形成磷共晶，引起铸件脆性，降低韧性，磷含量小于0.04%[4]时，不会产生冷脆，所以对于厚大断面球墨铸铁最好控制在0.04%[7]以下。

3.5  硫含量的控制                                                                       

    硫与镁、稀土亲和力极强，消耗球化元素，降低球化效率，加速球化衰退，引起夹渣，使力学性能降低，因此含硫量越低越好，但考虑增加形核，炉前控制在0.02%以下，成品小于0.01%[7]；

3.6  碳含量控制

    碳是球墨铸铁的石墨之源，碳高有利于形成较多石墨晶核，有利于提高铁水流动性和石墨化膨胀补缩，改善铸造性能和减少缩松倾向，获得健全铸件，根据CE=C%+0.31Si%+0.33P%-0.42Mn%[3]，计算得到含碳量为3.40-3.50%。

3.7  钛的控制                                                                      

    反石墨化、反石墨球化，促成蠕虫石墨；铁素体、珠光体的钛含量的临界值为0.05%[5]，因此铁水中的钛含量控制在0.05%以下，最好控制在0.04%以

3.8利用稀土镁处理的残留量控制   （见表3-1）[7]                      

 表3-1        

    镁是主要的球化元素，过量出现白口化，一般控制在0.08%以下；稀土净化铁水，细化晶粒，促进石墨球化，过量时引起白口化、形成蠕虫石墨和枝晶状石墨，一般控制在0.03%、0.025%以下。

4、球化剂及球化处理方式的选择                                        

    生产厚大断面球墨铸铁球化剂是关键材料，球化处理是其关键环节。

4.1球化剂的选择

4.1.1纯镁球化剂                                                                    

    纯镁球化剂脱硫效率高，对于纯净铁水球化效果好，一般不适合我国生铁材料生产球墨铸铁铁水。

4.1.2镍镁球化剂                                                                        

    镍镁脱硫效率高，对于纯净铁水球化效果好，生产成本较高，一般选择复合添加，加入0.1-0.8%；推荐Ni-80%，Mg-20%，由电解镍与纯镁复合。

4.1.3轻稀土球化剂（镧铈球化剂）                                          

    其具有较强的脱硫、脱氧、去气、净化铁水能力，球化能力及抗衰退能力，适合我国生铁资源生产的铁水，但是稀土含量高时，容易在晶界富集，形成低温通道，导致石墨畸形生长，形成蠕虫状，碎块状（枝晶状）石墨，形成“灰（黑）斑”宏观缺陷，导致机械性能降低。某稀土含量较高的金相照片如图：

    球化剂的材质选择，要选择低稀土的球化剂，单独使用时应选择1.0-1.6%，复合添加时应选择0.6-1.2%，出炉温度高于1410-1430℃，选择FeSiMg6RE2，出炉温度低时选择  FeSiMg8RE3。      

4.1.4钇基重稀土球化剂                             

    具有脱硫、去气，球化能力，抗球化衰退能力、抗石墨畸变能力，细化基体组织，白口倾向小，提高厚大断面球墨铸铁的本体力学性能，生产实践证明，单独添加时石墨球的圆整度，石墨形状等较差，而且价格较高，一般适合复合添加，复合添加时加入0.6-1.20%[8]；材质选择3-6%（Y）的重稀土球化剂。               

4.1.5推荐复合球化剂：

    各种球化剂的单独添加时，有不可弥补的缺点，在实际生产中，推荐复合球化剂，其中以重稀土球化剂为主，配以轻稀土球化剂，镍镁球化剂，保证充分净化铁水，保证球化效果，保证抗衰退性能，比例见表4-1      

 表4-1

 

 

 

 

4.2、球化处理方式                                                             

4.2.1球化处理方式的选择                                                                     

    目前，炉前处理一般采用冲入法，采用带有堤坝的鸡窝包进行处理，稀土的吸收率为60-70%，镁的吸收率为55-65%，该处理方式投资少，工艺成熟，操作简便，但是污染较严重。最新的喂丝球化方法效率高，环保良好。

4.2.2    球化处理次数：                                                            

    球化剂的加入量大，球化剂的反应剧烈，镁和稀土的逃逸量大，最后浇注铁水的球化效果较差，因此在浇注过程中，须在型内二次补加少量球化剂。

4.2.4球化剂的材质：

炉前复合球化剂，效果好；型内加入镍镁球化剂，渣量少，球化效果显著。

4.3球化剂的管理：                                                             

    球化剂必须保持“新鲜”，即有效期不大于6个月；球化剂在投入使用前必须检测；预防球化衰退过快的球化剂进入；杜绝氧化、潮湿的失效球化剂。

5孕育处理及孕育剂的选择：

    孕育剂选择及孕育处理是生产厚大端面球墨铸铁的保证。

5.1孕育处理的目的：   

5.1.1铁水的过冷度较小，石墨晶核数量少，例如，在300毫米的试块上石墨数量只有10个/平方毫米 [6]，需要突出增加晶核数量，增加石墨球数，细化共晶团，使晶界处脆性夹杂物弥散并相对减少，使塑性、韧性等机械性能明显提高，加入003-0.006%的铋或加入0.010-0.015%的锑。

5.1.2防止球化衰退。孕育衰退较球化衰退要快，造成石墨球数减少，球形变差，球化率下降，多次孕育可以使球化“复苏”。

5.2孕育方法的选择

5.2.1孕育次数的选择：

    最好采用分批多次加入，选择炉前，包内、型内三次加入，

5.2.2孕育方法的选择

    第一次选择在球化处理工序以后，一般随流加孕育剂。最新的方法是喂丝方法（加入量减少）；第二次孕育，包内均匀撒入，并进行搅拌，形成富孕育剂层孕育；第三次型内选择随流冲法或投包法。

5.3孕育剂的选择：                                                             

5.3.1孕育剂材质选择

    孕育剂需要严格筛选，合理搭配，必须具备高效，长效，保证良好的孕育效果，抗衰退性能。炉前选用75FeSi和含有钡、钙、锆、锶的长效孕育剂，延长孕育、球化效果；包内选择熔点低的75FeSi；型内使用含有钡、钙、铋或锑、稀土的硅系长效、高效孕育剂。

5.3.2孕育剂的粒度选择：

    炉前孕育剂选用10-20mm，延长熔解熔化的时间，延长孕育效果，减少球化衰退。包内2-4mm、型内选用1-3mm，缩短熔化熔解时间，便于吸收。

5.3.3孕育剂量的选择

    炉前一般选择0.5-0.8%；包内孕育是炉前孕育的延续，保证孕育的连续性，孕育量0.2-0.4%；型内孕育是强化孕育，孕育量较小时作用较弱，孕育量较大时，渣量较大，影响机械性能，孕育量0.1-0.3%，孕育的总量0.8-1.3%。

6出炉控制

6.1温度控制：

    在满足孕育剂融熔化温度1380-1430℃[7]，满足扒渣降温，尽可能降低出炉温度，保证较低的浇温，增加碳的活度，有利于石墨化，有利于石墨球化；缩短凝固时间，减少孕育、球化衰退，保证球化效果，提高机械性能。否则，凝固时间长，元素再分配，成分严重偏析，形成大量晶间化合物，降低机械性能。

6.2铁水流控制

    在初期使用大流出铁尽快覆盖球化剂，减少镁和稀土的逃逸，在中后期采用中小流出炉，降低温度，减少铁水冲击造成的球化剂损失。

结论：                                                                       

生产厚大断面球墨铸铁的熔炼控制要点：

一、原材料选择最敏感：

    生铁、废钢材料、球化剂、孕育剂材料的选择

二、熔炼控制最基础：

    脱硫、去气，高温熔炼最基础

三、成分控制是根本：

    碳当量、碳、硅、锰、磷、硫、钛、镁、稀土。                     

四、球化处理最关键。

五、孕育处理是保证：

六、出炉控制是保证：                                                                  

 

 

 

参考文献                                                                                   

[1] 北京科技大学.王莜留主编.钢铁冶金学.炼铁部分.冶金工业出版社.1991.

[2] 上海经济区铸造协会.全国可锻铸铁科技情报网.日本现代铸造技术..1990.4.

[3] 葛毓成.稳定铸态球墨铸铁生产的主要要素控制.今日铸造.2006.3

[4] 北京科技大学.陈家祥主编.钢铁冶金学.炼钢部分.冶金工业出版社.1991.

[5] 胡起萱.铁水温度与铸件质量问题的探讨.铸工.1982（6）.

[6] 王春棋.铸铁孕育理论与实践.天津大学出版社.1991 .

[7] 中国机械工程学会铸造专业学会.铸铁手册.第1卷.铸铁.机械工业出版社. 1993.作者简介

[8] 杨青.许瑞高.钇基重稀土镁复合球化剂的成分组成与应用研究.2004.

 

 

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