用废钢加增碳剂生产球墨铸铁

本文为杨群收老师原创文章受焦炭价格不断上升、环保以及用户对铸件质量要求越来越高等因素的影响，电炉在很多地方已经取代了冲天炉。又由于生铁价格的不断上升，废钢在社会上沉淀存留量较多而价格较低，所以这几年广泛的用废钢加增碳剂的方法生产球铁及灰铁。如果工艺操作正确，不但可以提高铸件的综合物理性能质量，同时也降低了生产成本。用电炉冶炼废钢加增碳剂生产铸铁件，尽管电炉便于化学元素含量的调整，而且主要元素可以调整到材质要求的范围之内，但是如果不采取有效的处理手段，生产出铸件的质量，却与用冲天炉生产出的铸件质量有较大差异。最主要的不同之处就是：用电炉熔化的铁液，无论是废钢加增碳剂或者是用铁屑作炉料，生产出的铸件白口倾向大，硬度高而精加工困难。本文就此谈谈自己的实践体会和认识。杨群收老师和铸造厂熔炼培训学员的合影！

一． 冲天炉和电炉熔炼出铁液质量的不同之处1.冲天炉熔炼的铁液冲天炉是用焦炭作燃料，将固体的铁块和其它炉料，经过预热、熔化、过热、还原，最后铁液经炉底流入前炉缸，所经历的时间很短，大约10min左右，铁液往往要在前炉缸中停留一段时间，在这段停留时间里，对金属液的增核是有利的。虽然冲天炉的出炉温度一般在1450℃左右，但是铁液经过过热区的瞬间，炉温约1700℃，尽管铁液通过过热区的时间很短，却是以细小液滴通过的，能得到高温过热，有助于石墨溶于铁液，消除新生铁中粗大石墨片的遗传性。铸铁中的主要元素碳，在熔炼过程中有一个烧损和吸收的减增过程，由于铁液滴在灼热的焦炭上，铁液就吸收了焦炭中的碳原子，所以在整个熔化过程中，碳的吸收大于烧损，最终含碳量是增。同样铁液也会从焦炭中吸收部分硫。在压球化剂作球化处理之前，都要先烫包。由于冲天炉的熔化速度快，当第一包球铁浇注完毕后，再处理下一包时，包内温度还很高，冲天炉内铁水倒入浇包内降温少，所以再进行球化处理时，出炉温度与电炉相比较可以稍低些，对球化处理质量（球化剂的熔化及吸收、浇注温度），影响不大或没有影响。用电炉熔化铁液，每炉熔化间隔时间约50－60分钟，有时间隔的时间可能会更长些，浇包散热时间长，包内温度低，经球化处理后，包内铁水温度约下降80℃，冬天温度下降的可能会更多，所以用电炉熔化铁液处理球铁时，出炉温度要比冲天炉的温度高些。2.用电炉熔炼铁液对材质性能的影响我们知道用电炉熔炼炉料，是由感应圈经导电产生磁场，在炉料中产生电涡流，由电涡流发热藉以熔化炉料。杨群收老师和李传栻老师合影！

（1）、对“自发晶核”的影响废钢的熔点比铸铁高，增碳剂的熔点更高，当废钢在熔化过程中以及熔化之后，增碳剂被加热缓慢的溶解和扩散，增碳剂中的碳才能被钢液侵蚀吸收。钢液逐渐的变成铁液，即常称之为“合成铸铁”。由于废钢熔化温度高，钢液从增碳剂中吸收碳原子之后，在变成铁液的过程中，有短暂时间过热温度往往很高。在高温下，铁液中的碳易于被氧化成CO，因此有人认为铁液中的碳也是一种“气体形成元素”。CO在铁液中的溶解度很少，形成后即释放于邻近液面的大气中。在生产实践中我们会发现，当高温钢液倒入抬包后，抬包中有放射状火花飞出（俗称贼花），即可能是高温氧化的释碳现象。这些现象都会影响到材质的质量。电炉在熔炼铁液过程中，具有电磁搅拌摩擦的特性。铁液过热温度高、过热时间长、且又有感应电流的搅拌摩擦，铁液中微细的晶态石墨即自发晶核和外来结晶核心，都会逐渐溶于铁液而消失；或浮经液面与集渣剂粘裹在一起被挑出炉外。这样，使铁液中可在共晶结晶时作为石墨外来晶核的物质大幅度减少。硫在铸铁中，尤其是在球墨铸铁中是有害元素。但有资料介绍说①：在灰铸铁中当含硫量小于0.06﹪时，硫的一些有益作用就无法得到发挥。在铸铁中存在有细小而分散的硫化物夹杂，能在石墨的生核和成长中起积极而有益的作用。用感应电炉熔炼废钢加增碳剂的合成铸铁，其最终含硫量一般不会超过0.03％的。如果原铁水的含硫量过低，球化剂中的镁就无从与硫化合，过多的残余镁量不但阻碍石墨化，而且还会使铸件产生缩孔、气孔等铸造缺陷。如果减少球化剂的加入量，综合考虑又恐会影响到球化率。所以在原铁水含硫量很低的情况下，要从球化剂的选择、球化剂的加入量、球化处理操作工艺上采取措施，以保证球铁的球化质量。合成铸铁在感应电炉中，因含硫量过低、过热温度高、电流的搅拌摩擦等因素影响，铁液中石墨化的核心大幅度减少。②这种缺乏石墨化结晶核心的铁液，过冷度很大，对孕育处理的回应能力极差，很难通过常规孕育处理措施，使铸铁具有符合要求的微观组织。因而即使化学成分含量完全符合要求，往往浇注出的铸件硬度高，不便于机械加工。有资料介绍：硫从0.02％增加到0.06％，抗拉强度增加50MPa以上，即可提高一个牌号以上，硬度值即可增加HB20。进一步增加硫到0.1％，强度值和硬度值变化不大，有此可见在灰铸铁中，硫控制在0.06-0.1％为宜（我厂生产的汽车制动鼓，材质是HT250，硫控制在0.07-0.09％）.顺便也谈谈用电炉熔炼“铸铁屑”，即便熔炼的铁屑干净无锈蚀，不需要高温，过热温度并不是很高，但是由于电磁搅拌的摩擦作用以及碳、硅的烧损，如果浇注前不进行元素调配和采取有效的孕育措施，生产出的铸件同样是硬度高。（2） 用感应电炉熔炼对提高材感质质量的影响感应电炉熔炼，铁水温度可升以提到1570℃以上，并可以在高温状态下长时间的保温，在该温度下，可以使原材料带入的夹杂物，以及在熔炼过程形成的夹渣及夹杂物上浮至铁液表面。对于废钢＋增碳剂、尤其是粒子钢＋废钢＋增碳剂＋回炉料，这些炉料无论是废钢、粒子钢或者是粒子铁，大都是白口组织，白口组织具有较强的遗传性，要消除遗传性就需要适当的提高熔化温度，增加保温时间，才能够比较好的净化铁液，减少铸件缺陷。合金元素烧损量低，铁水中锰、硅的烧损低于冲天炉熔炼。便于各元素的调控，能够稳定化学成分含量。生产球墨铸铁时，含硫量过高将会直接影响到球铁的质量。如球化级别低下、材质强韧性差、铸件有夹渣等铸造缺陷。用电炉熔炼铸铁时不存在有增硫反应。用废钢＋增碳剂生产合成铸铁，由于废钢的夹杂物含量低，成分稳定，加增碳剂经高温熔炼之后，消除了炉料的遗传性，铁液的纯净度得到提高，同时增碳剂具有孕育作用，促使石墨化的效果更加稳定突出，铸件的基体组织晶粒会更加均匀、细化，所以生产出铸件材质的韧性和强度均得到提高。(二)、扬长补短、优化操作程序用废钢生产球墨铸铁的优点前面已谈，就不再赘述。用电炉熔炼废钢（铁屑）＋增碳剂生产球墨铸铁，欲想稳定产品质量，需要补的“短”，主要是解决金属液在凝固结晶时，自发晶核少、铁液过冷度大、石墨化能力差、铸件硬度高而不便于机械加工的问题。具体的“补短”操作方法是：①在冶炼后期要注意“自发晶核”的培养。加入适量的废钢使铁液激冷，同时适量的加入硅铁以及细颗粒的增碳剂，上面覆盖保温剂，降低功率或停电保温一段时间，以促使析出微细的晶态石墨。②在出炉或浇注过程中，进行充分的多次孕育处理，以补充“外来晶核”，可以添加小颗粒的增碳剂、碎硅铁粉粒以及复合孕育剂，虽然加入量很少，但是促进生核的效果很好。③如果含硫量过低（特别是生产HT时）可适量加入些硫铁，但必须控制在要求的范围内。总之优化操作程序指的就是：炉料入炉的先后顺序、熔炼中的温度和出炉温度的控制、化学成分的选控、以及强化孕育和复合孕育。（三）、化学成分的选择我们的产品是汽车轮毂，造型采用的是铁模覆砂工艺，材质是QT450－10，其硬度是HB160－210，属于铁素体基体球铁。但是用户为了便于机械加工提高生产速度，除要求材质的抗拉强度及延长率合格之外，还要求铸件的硬度≦HB200。所以在化学成分含量的选择上，进行了大量的试验和研究：碳（C）碳之所以能促进石墨化，是由于碳本身就是构成石墨的元素（是石墨化膨胀的内部因素），所以，碳高则析出的石墨数量多，提高含碳量石墨化膨胀量大，可以减少缩孔体积，使铸件组织致密。但是碳量过高，铸件易出现石墨漂浮,还可能产生开花状石墨，降低力学性能。根据铸件的大小和厚薄，控制在3.6―3.9％硅(Sī) 硅是促进石墨化元素（是石墨化膨胀的外部因素），尚若以孕育剂方式加入，则其石墨化能力更强烈。硅之所以能促进石墨化，是因为硅能降低碳在液相和固相中的溶解（排碳现象）度①，阻碍Fe原子和C原子的化合，从而增加了碳的活度，能够使碳充分的以游离状结晶碳，即以石墨的形态析出；硅能够提高共晶和共析转变温度，有利于石墨核心的成长和延长成长时间②；硅具有使液相线下降的特性，在碳当量一定时，提高硅的含量，在相同的浇注温度下，相对提高了铁液的过热度，增加了铁水的流动性，便于铸件成型。以上这些，都是硅在促进石墨化过程中起到的诸多作用。近十几年来，国内外铸造科技工作者，对硅在球墨铸铁中作用的研究更加广泛和深入，并取得了较大的成果。利用硅在一定条件下对铁素体的固溶强化作用，提高硅的含量，不仅可以使球墨铸铁的抗拉强度、屈服强度和硬度得到提高，同时也使延伸率得到提高。1998年瑞典就规定用Si3.2％来生产QT450，用Si3.7％来生产QT500。2012年3 月，德国和欧洲的球墨铸铁标准DIN EN1563在修改时，又增加了三个牌号（见附表），大幅度地提高了铁素体—珠光体混合基体球墨铸铁的屈服强度和延长率。DIN EN 1563的新牌号 （附表）材料牌号抗拉强度／MPa屈服强度／MPa延长率／（％）EN-GJS 450-18450350（310）18（10）EN-GJS 500-14500400（320）14（7）EN-GJS 600-10600470（370）10（3）注：括号中的数字是原牌号的性能要求。关于硅固溶强化铁素体，提高球铁综合物理性能的论述，中国农业机械化科学研究院的张伯明、王继祥等老师，在很多文章中有较详细的讲解，此处不再赘述。我们在生产过程中仍然是：原铁水硅控制在1.2—1.4％(原)、2.6—2.8％（终）。锰（Mn） 锰在球墨铸铁中的作用于硅相反，锰是阻止石墨化元素。锰可以提高碳在铁水中的溶解度，促进白口及珠光体的生成，提高铸件的强度和硬度，随着含锰量的增加，铸件缩孔、缩松的倾向增大。生产实践证明：在其它条件（成分含量、浇温、铸型）相同的情况下，锰含量从0.20％提高到0.45％，铸件硬度就有可能由HB180，上升到HB210-220,珠光体含量就有可能在5～25％之间波动。锰含量控制在0.2—0.4％之间是理想的。磷（P） 磷是随金属炉料，如炼钢生铁、回炉料进入球墨铸铁的，磷虽不影响球化率，但确是有害元素。磷在铁中有一定的溶解度，但是当金属材料中磷的含量达到一定量时，在铸铁中就易形成磷共晶，含磷量越多磷共晶数量越多，有资料介绍：铸铁中含磷量每增加1％，反应到金相上，磷共晶就增加20％。由于磷共晶的熔点低，在球墨铸铁凝固过程中，其较长时间的保持液态，不断被共晶团排挤，最后被“驱逐”到共晶团边界，在那里凝固，因此磷共晶呈多角状（像做衣服剪下代尖的布头）分布在共晶团边界上，破坏了晶界间的结合能力；另外由于磷共晶尖锐角对金属基体具有一定的切割作用，所以降低了材质的强度、朔性及韧性，使铸件易脆裂。球铁的含磷量越低越好。我们控制磷含量≤0.07％硫（S） S与Mg、Re具有很强的亲和能力。含硫量高消耗球化剂量多，使铸件材质球化不良和球化衰退，而且产生的硫化物是球墨铸铁形成夹杂（渣）缺陷的主要原因之一，所以硫是球墨铸铁中的反球化元素，属于有害杂质。原铁水含硫量尽可能控制在0.025％以下。镁（Mg残）镁是主要的球化元素，其作用有：球化石墨：少量的镁残存在铁水中，可使石墨在结晶时呈球状；同时使铁水过冷度增加，并强烈阻止一次结晶的石墨化，使碳化物稳定，所以球墨铸铁有较大的白口倾向。脱硫：镁非常容易与铁水中的硫化合，进行硫化反应生成硫化镁 FeS﹢Mg﹦Fe+MgS MgS的比重比铁水小，熔点高，故能上浮进入熔渣去除；脱氧：镁的化学性质很活泼，极易与氧作用FeO＋Me＝Fe＋MgO生成的氧化镁比重比铁水轻，可上浮进入熔渣而去除，使铁水中的含氧量显著下降，也使球铁铁水表面容易形成氧化膜。去气和去夹杂物：镁的熔点低，加入到铁水中后，即发生镁的气化、沸腾和剧烈地搅拌作用，使铁水中的气体如氢、氮等有所降低，并使夹杂物大量排出。稀土（Re）的主要作用：⑴． 净化铁水：稀土元素可与铁水中的氧、硫、氮等形成高熔点化合物，特别是与氧的亲和力大，能起强烈的脱氧作用。同时稀土元素与硫的亲和力比镁大，是强烈的脱硫剂。所产生的氧化物和硫化物不溶解于溶液中，他们集聚上浮，因而能使铁水净化。此外，稀土元素可以和铅、锌、锡、锑、铋、砷、等反球化元素组成高熔点化合物，从而消除干扰元素的反球化作用；⑵． 强化基体：细化晶粒：铸铁中残留的稀土能微量溶入铸铁的基体中，起合金化作用，从而强化基体。另一方面，有一部分稀土氧化物、硫化物高度弥散地分布在铁水中，形成外来晶核，增加了晶核数目，从而细化了晶粒；⑶． 促进碳化物的形成：当稀土残留量较高时，稀土有明显的促进碳化物生成的作用，引起铸件白口倾向增大，有时会出现“反白口”现象；⑷． 改善铸造性能：稀土元素加入铁水中，能减少气体和夹杂物含量，净化铁液，因而改善了铁水的流动性，减少了气孔、夹渣、缩松等的倾向。总之，为了保证球化，得到理想的球铁质量。Mg和Re在中和了S等反球化元素的作用后，留下一定的量，起到使石墨呈球状化的作用。同时Mg又是强烈的反石墨化元素，其含量过高时，铸件易出现白口、缩松、夹杂等铸造缺陷。在有Re的情况下，镁（Mg残）量可控制在0.035~0.06％。Re元素有脱硫、去氧、净化铁液和球化及抵消反球化元素（的球化干扰）等有利作用，但Re量过高会引起球墨畸形，影响球墨的圆整度即球化率降低。具体含量要根据干扰元素的高低而选择（干扰元素的来源是原材料的产地），Re含量还应低于Mg的含量，（在2012年4月12号曲阜会议上，郑州大学的郭振廷教授提出：Mg比Re高出0.015﹣0.02％；河北工业大学的钱立教授提出：Re／Mg＝0.3﹣0.5，两位老师的要求结果基本是一致的。）稀土含量常控制在0.02~0.04％。化学成分的选择和控制﹙％﹚:CE:4.6－4.8C:3.6－3.9 Si:1.2－1.4（原）2.6－2.8（终）Mn:0.2－0.4P: ≦0.05 S: ≦O.035(原) ≦0.022（终）Re:0.02－0.04 (残)Mg:0.03－0.06（残）配料单材料名称新生铁废钢回炉料QT铁屑粒子钢增碳剂加入量（％）20201010402.8球化剂及孕育剂的主要成分含量﹙％﹚:成分名称MgReSiCaBaAl加入量﹙％﹚球化剂7.5~8.52.8~3.240~452.0~2.51.5~2.0≦1.01.3~1.35孕育剂70~75＞0.51.0~1.51.2~1.25随流孕育60~702~44~6≦1.01.2（0.2~0.8㎜）（四）、熔炼工艺（炉料的加入顺序、操作方法及温度控制）和球化处理先在炉底加入新生铁，再加入废钢、增碳剂（根据炉料情况凭经验而加，以防增碳剂堆积形成高温层），边熔化边加废钢和增碳剂，尽可能在粒子钢没有加入之前，把增碳剂需要加入量的60－70％加完，最后加回炉料。在这段时间里，为了提高增碳剂的吸收率，消除铁液中的遗传性，宜采用大功率高温熔化。 但上述加料方法也存在着两个问题: ①当铁水含碳量达到一定量时，再提高铁水含碳量就困难了。②在熔炼后期加入粒子钢，炉内金属液喷溅严重，不能保证安全生产。因此也可以采用另一种加料顺序，先熔化粒子钢，边熔化边往外舀渣，当熔化完毕需加入量（一般40―50％）并达到一定温度时，关闭电源，消除炉内液面“驼峰”，使液面平稳，熔渣就会往液面中心部聚集，这样就便于舀净熔渣。熔渣清除干净之后，就可以适当多加些增碳剂。启动电源高功率熔化，边加废钢边加增碳剂直至炉满，加入部分硅铁取样分析。球铁金属液是一种铁水被饱和的Fe－C－Si－O之合金溶液，其内部存在化学反应与反应平衡问题：③2（C）＋（SiO2） （Si）＋2CO铁水温度高于平衡温度时，反应向右，碳被氧化放出CO降碳，是还原反应。低于平衡温度时反应向左，Si被氧化，形成SiO2黑渣，是氧化反应。平衡温度在1390－1420℃之间。故推荐球化处理温度在1450±20℃之间。根据上述资料分析增碳剂合适的加热温度，如果加热温度高于平衡温度时，铁液中的碳被氧化损耗增加，增碳剂的吸收率降低。当加热温度低于平衡温度时，由于温度较低，增碳剂的溶解扩散速度下降，因而增碳剂的吸收率也较低。另外，在实际生产操作中，很难把炉温控制在平衡温度线。提高炉温可以加快增碳剂的溶解和扩散，有利于铁液对碳的及时吸收而缩短碳的氧化时间，尽可能的使吸收远大于损耗，同时也有利于提高熔化速度。所以在熔化前期我们采用大功率高温熔化。由于粒子钢的含渣量太多，在熔化粒子钢过程中，需要用特制的勺往外舀渣，所以增碳剂不宜与粒子钢混装熔化。当炉料熔化完毕并彻底清净熔渣之后，留下10％的增碳剂作为波动可调空间，其余的全部加入，并加盖保温剂。在炉内温度升高增碳剂溶解被铁液吸收后，清净保温剂及熔渣，加入部分硅铁，在硅铁上面覆盖保温剂，硅铁的加入量，应在代入硅1.2％左右，这是因为废钢和粒子钢的含硅量都很低，加入部分硅铁，一是为了起到脱氧作用；二是为了缩小后期调整范围，使成分含量更加准确；三是为了铁液成分含量不超过热分析仪的测量范围，避免测量失败。还需要说明的是，无论在任何阶段需要同时添加增碳剂和硅铁时，都要先加增碳剂，待增碳剂熔解扩散被吸收之后，再加增碳剂。这是因为硅具有排碳特性，即硅量的增加，降低了碳在铁水中的溶解度。其目的还是为了提高增碳剂的吸收率。综上所述，影响增碳剂吸收的因素有：①增碳剂的质量；②铁水的含碳量；③铁水含硅量：④炉料和铁水质量（是否严重氧化）；⑤炉工操作；⑥加入时间及加入方法；⑦炉温控制；当炉温达到1320℃左右时，清净液面熔渣，取样倒入上海产的“贺利氏”牌热分析仪样杯中。在取样分析的前后时间里，先清理干净液面熔渣，适量加入一些回炉料；当热分析仪结果出来后，调整原铁水的碳、硅含量；球化处理采用冲入法，装料方法如图所示。

采取有效措施强化孕育：使用孕育剂的种类有硅铁75﹟、增碳剂、硅钙钡复合孕育剂。用增碳剂进行炉内、包内双重孕育；用硅铁进行冲入孕育及浮硅孕育；由大包倒入抬包时加入硅钙钡复合孕育剂进行随流孕育。只要经热分析仪测报含碳量不超上限，出炉前在炉内液面（也称作预处理或预孕育）、在球化包底、以及球化反应结束扒渣后，在球铁液面，酌情适量加放一些细颗粒（0.5―1.0㎜）的增碳剂。尽管这样作增碳剂的吸收率较低，但是确能生产大量的“外来晶核”，促进石墨化，有利于石墨的生成。球化温度的控制。球化温度是根据铸件的大小、铸件壁的厚薄以及材质的不同而灵活掌握的。而且各单位又有各自的习惯作法。如山东临沭兴华机械厂用十吨包处理球铁，当包底有一定的铁水后，为降低下部铁液温度，延缓球化剂的起爆时间，减少反映沸腾，顺包边加放“热铁块”，也便于降温浇注大型铸件，效果很好。濮阳一家铸造厂，用废钢生产球铁，出炉温度1550℃，当包内铁液达到3／4时，停止倒铁水，让球化包内进行球化反映，在包内作球化反映时，炉内剩余1／4的铁水继续升温，包内反映结束并清理浮渣，加孕育剂后再出炉内剩余1／4的铁液，这时炉内铁液温度已是1570℃，用这种方法作球化处理，生产出的铸件内在质量好，无气孔等铸造缺陷。我们在出炉之前的熔化过程中，要经历一个先高温后低温的过程，先高温便于消除铁液中的“遗传性”和促进增碳剂的吸收，后适当低温便于晶核的复生和球化处理。我们在生产实践中，原来的球化处理温度控制在1560－1570℃（用光学测温仪），生产出铸件的硬度偏高，其硬度常在HB200左右徘徊，时而硬度还有超标现象而影响产品质量。2010年下半年，逐渐降低球化处理温度，现在出炉温度控制在1520℃±10℃左右。(五)、产品质量产品为QT450－10轮毂，造型采用铁模覆砂工艺，球铁的球化级别1－3级，石墨大小6－7级，石墨球密而分布均匀，硬度HB170－190，硬度很少有超过HB200的。铸件实体切割取样作物理实验，抗拉强度≧500（常在500左右），延长率（％）13－16（最高可达22）。

参考文献：（1）黄勇等 五菱汽车发动机缸体铸造铁液质量控制 《2008中国铸造活动周论文集》（2）李传栻 铸铁的增碳和常用的增碳剂 《机械工人》 2010年第9期（3）李德臣 球铁生产技术要点及厚大件无冒口铸造 《百篇优秀论文转集》2007年（4）张伯明、王继祥 高硅球墨铸铁的新发展 《铸造工业》新技术论坛会刊（5）李传栻 关于硅在铸铁中的固溶强化作用