球墨铸铁熔炼工艺讲解

未经球化和孕育的球墨铸铁原铁水质量对铸件组织、性能和铸造缺陷的形成都有重要影响。优良的原铁水应该符合以下质量要求：

　　1.常存元素和合金元素的质量分数符合要求。

　　2.铁水经过适当过热后，在合适温度出炉。一般原铁水出炉温度不低于1420℃。有些合金球墨铸铁熔点较高，需在更高温度出炉。

　　3.含有所需要的微量元素。干扰石墨球化元素的质量分数在允许范围内。

　　4.炉料在熔炼过程中氧化轻微。氧、氮、氢等气体含量适当。

　　5感应炉、冲天炉、电弧炉都能用来熔炼球墨铸铁原铁水。本章介绍目前国内最常用的两种熔炉：感应炉和冲天炉。

　　一、感应炉熔炼

　　上图（4—1）是感应炉炉体基本结构简图。这种熔炉是使用耐火材料捣制的坩埚盛装炉料和铁水。坩埚外围装有异形铜管或矩形铜管制成的螺旋形线圈。当交流电通过感应线圈，由于交变磁场的作用，装入坩埚的炉料内产生很大的感应电流，使炉料加热、熔化并使铁水过热。按照输入炉子的电流频率，感应熔炉分为工频炉（50HZ）、中频炉（150---8000HZ）和高频炉（大于10000HZ）。按坩埚的耐火材料性质，炉子分为酸性炉、碱性炉和中性炉。按炉子结构，有无芯感应炉和有芯感应炉。

　　我国自20世纪70年代以来广泛使用感应炉熔炼铸铁。大型铸造厂（如汽车铸件铸造厂）多使用以大型感应炉为主体的双联熔炼。

　　感应炉炉料包括生铁、废钢、铸件回炉料、铁合金、切屑和增碳剂等。铁水中非金属夹杂物含量少。元素烧损率较低，铁水温度和成分易于调整和控制而达到均匀稳定。有些铸造厂还采用废钢和增碳剂熔炼合成铸铁。

　　由于铁水温度、成分容易控制，合金元素损耗少，感应炉可以用来熔炼高合金铁水，如高铬铸铁、高镍奥氏体铸铁原铁水等。铁水比较纯净，过热温度能达到1700℃以上，元素的熔损少于冲天炉，对环境污染较轻，劳动条件相对较好，而且可使用大量废钢作为炉料，因此感应炉用于熔炼各种球墨铸铁原铁水。但是感应炉生产的原铁水与冲天炉铁水相比，石墨晶核和石墨球数较少，铁水的共晶过冷度较大，产生白口倾向较强。温度和碳当量相同时，铁水流动性比冲天炉铁水稍差。

　　1.感应炉坩埚

　　炉料在耐火材料捣制的坩埚内熔化。熔化一般球墨铸铁的坩埚加热温度在1550℃以下。熔炼熔点更高的铁水时，坩埚还要承受更高温度。如高镍奥氏体球铁的原铁水，熔炼温度需要达到1700摄氏度。坩埚材料应能在高温下保持足够的化学稳定性、良好的高温强度和抗热冲击能力。酸性炉衬采用高纯石英砂或电熔石英砂。电熔石英砂熔点1700摄氏度、铁水熔炼温度最高可达1600摄氏度，适用于熔化一般球墨铸铁炉料。熔化温度更高时，还可采用锆砂或铝镁尖晶石。锆英砂的主要成分是二氧化锆，其中含有少量二氧化硅。

　　二氧化锆+二氧化硅大于或等于95%的锆英砂熔点2500摄氏度，最高工作温度1650摄氏度。镁铝尖晶石是中性耐火材料。采用烧结或电熔方法把含有三氧化二铝和氧化镁的矿物原料熔合在一起，制成合成耐火材料。其理论矿物组成为三氧二铝=71.8%、氧化镁=28.2.熔点为2135摄氏度，用以制成的坩埚耐火度能达到1900摄氏度。

　　熔炼偏碱性球墨铸铁（如无磁性奥氏体锰镍球墨铸铁）需要用碱性或中性耐火材料制造的坩埚。常用的耐火材料是烧结镁砂、电熔镁砂和镁铝尖晶石。

　　菱镁矿经过1300---1400摄氏度高温烧结能得到的一种以氧化镁为主要成分的块状物，经过破碎、筛选后制成烧结镁砂。一般烧结镁砂含95%--97%的氧化镁。氧化铲平熔点2800摄氏度，优质烧结镁砂在电弧炉内再经高温熔化而制成含氧化镁更高、杂质含量更少，热稳定性和抗热冲击性能更佳的电熔镁砂。

　　坩埚采用粒状耐火材料经过捣筑、烧结后制成。粒状耐火材料的粒度需有合适配比。使各种粒度的颗粒互相嵌合，使坩埚具有良好的紧实度和高温强度。

　　下表（4---1）列出两组坩埚耐火材料的粒度配比实例。经过多年实际应用，效果很好，可供参考。

　　坩埚耐火材料中需加入有助于烧结的添加剂。添加剂多采用硼酸，加入添加剂可降低烧结温度、使坩埚容易烧结成形。

　　捣筑前需先在感应器内侧和炉底铺设隔热层和绝缘层。并放置定位坩埚胎具。然后把混拌均匀的耐火材料分批加入，由炉底开始分层捣筑。需要注意控制好影响输入功率的炉底、炉壁厚度和均匀度。炉底或炉壁过厚会限限制输入炉内的电功率，使铁水升温缓慢或达不到应有的过热温度。过薄则缩短坩埚寿命。

　　大型感应炉多使用电动或气动筑炉机捣筑坩埚。机械筑炉效率远高于手工筑炉，劳动条件好，而且坩埚质量比较可靠，会用寿命长。

　　捣筑结束后进行炉衬烧结。烧结使颗粒状耐火材料形成能够承受炉料撞击、抵抗铁水和炉渣侵蚀的整体强固耐火坩埚。烧结开始阶段满意的以低功率向炉送电，使钢制的坩埚成形模具升温并加热耐火材料。坩埚温度保持在900摄氏度以下，砂料及硼酸中的水分逐渐蒸发。石英砂在870摄氏度发生阿尔法石英向阿尔法磷石英的同素异构转变，石英砂粒会出现很大的体积变化，因此在此区间缓慢升温十分必要。900摄氏度升温到1200摄氏度是烧结的主要阶段，在此阶段可向炉内加入一些炉料，利用炉粒吸收的热量使坩埚升温。直到1300摄氏度时，坩埚已经形成表面烧结层，此阶段可适当提高升温速度。在1300---1500摄氏度区间烧结层随烧结时间加长而增厚。

　　新坩埚烧结后应连续进行首次熔炼，其次熔炼需将铁水缓慢加热到1500摄氏度，保温数小时后即可结束烧结。此时烧结硬化层应达到炉壁厚度25%以上，半烧结层应超过50%。下表（4—2）列出熔炼普通球墨铸铁的石英砂坩埚加热烧结时间，可供参考。

　　当前有些铸造厂使用专业工厂预制好的坩埚。更换坩埚时，先预制坩埚放置在捣筑的炉层上，再捣筑周围保护层。采用预制坩埚显著缩短更换时间，而且预制坩埚质量较好，使用寿命长。比较适用于大型感应炉。

　　2.炉料

　　（1）生铁

　　下表（4—3）列出我国球墨铸铁专用生铁化学成分（BG/T1412—2005）。目前国内铸造厂制造球墨铸铁多使用这种生铁，也有少数工厂使用L04、L08、L10炼钢生铁。所列球墨铸铁专用生铁所规定硅的质量分数 是为了避免炉前处理使用含硅高的球化剂和孕育剂时铁水含硅量超过标准。标准规定生铁含碳量大于3.4%，全球使铁水碳当量达到共晶成分或过共晶成分。锰促进共晶碳化物和晶间碳化物生成，标准中规定处于较低水平。生铁的磷、硫以及强烈干扰球化的钛含量都很低。

　　用于熔炼铁素体球墨铸铁水应采用1级含磷量，生铁中磷的质量分数对球墨铸铁的塑韧性有很大的影响。一般球墨铸铁件含磷量不应超过0.07%。塑韧性要求较的铸件通常规定磷小于0.06%。因此需使用4---3表中所列2级或1 级生铁。

　　Q10生铁含硫量很低，1类不超过0.02%。这种生铁含锰量也很低，可用于生产铁素体球墨铸铁。球光体球墨铸铁则宜采用含锰较高的Q12，根据铸件要求的力学性能选用2组或3组生铁。

　　干扰元素含量也是选择熔炼球墨铸铁所用生铁的重要因素。下表（4---4）列出我国一些钢铁厂所产生铁的干扰元素含量。

　　（2）废钢

　　废钢用天降低原铁水含碳量或用于生产合成铸铁。选用废钢主要应注意它的来源、化学成分和清洁度。钢结构边角料或铸钢回炉料是常用废钢。轧制件多数是低碳钢，含碳量一般不超过0.35%但要注意有些轧制件为合金钢，例如钢轨的含磷量远超过普通结构钢，不宜用于生产铁素体球墨铸铁。废钢必须经过化验才能使用。再如使用40铬钢铸件作为回炉料，该钢的含铬量为1.05%，加入20%就会带入铁水0.21%铬。而普通球墨铸铁允许含铬为0.15%。使用铬钢作为部分回炉料时，铸件可能因晶间碳化物含量超过标准而报废。使用高锰钢回炉料也会发生类似问题。炉料中混入2%高锰钢就能使铁水含锰量超过标准，已不适于浇注高韧性球墨铸铁件。铸铁件回炉料也应注意化学成分问题。

　　（3）铁合金

　　铁合金种类繁多，应该实行分类管理。保管中注意勿使其受潮或沾染泥少、油污。使用前需根据产品出厂成分化验单配料。铁合金加入熔炉前均需在加热炉内烘烤，清除沾附的水分和油污。

　　3.加料与熔化

　　中频感应炉修炉结束后即可把炉料分批加入。工频炉冷起熔时，需首先加入起熔块（重量占炉子容量10%--30%）。热炉则需保留前一炉部分铁水。分批加料时应先加入熔点较低的炉料，尽快熔出铁水，这样可以缩短熔炼时间，减少熔化电耗。

　　铁合金可在炉料熔化三分之二或四分之三时随最后一批炉料加入。熔点高、烧损率大的铁合金应尽早加入。熔点低，烧损率小的合金可后加入。加入铁合金时尽量避免与炉渣接触，减少铁合金损失。所有炉料均需经过清理。黏砂、潮湿、锈蚀、涂过油漆的炉料必须清理干净后再加入铁水。切屑可在炉料熔化一半后加入，一次加入不要超过炉子容量的10%。切屑必须清洁、无油污、无锈蚀，确知其来源和成分。

　　熔化中应避免炉料在坩埚下部交叉支撑，防止“搭桥”，搭桥是感应炉熔化作业中的危险状况。因为炉料不能下降到坩埚下部已熔铁水中。输入炉内的电功率集中在坩埚下部少量铁水，使底部铁水过度加热，急剧侵蚀坩埚下部的炉衬，可能造成漏炉事故。发现红热状态炉料交叉支撑阻碍炉料下落时，必须及时将期分离。

　　炉料化清后应及时除潭，然后开始提高铁水温度，测定和调整铁水成分、进行炉前检测。扒潭应在1400---1500摄氏度以前进行，因为超过1450摄氏度，部分熔渣变稀，较难扒除。

　　铁水化学成分合格并达到预期过热温度后，应尽快扒渣出炉。铁水在铁水包中静默数分钟后即可开始浇注。