3.1  增碳率的控制和增碳劑的使用

    對于中頻爐熔煉灰鐵，許多人都以為只要爐前控制住鐵水的化學成分和溫度，就能熔煉出優質 鐵水，但事實并非如此簡單。中頻爐熔煉灰鐵的重中之重是控制增碳劑的核心作用，核心技術是鐵 水增碳。增碳率越高，鐵水的冶金性能越好。這里所說的增碳率，是鐵水中以增碳劑形式加入的碳， 而不是爐料中帶入的碳。生產實踐表明，在爐料配比中生鐵比例高，白口傾向大；增碳劑比例增大， 白口傾向減小。這就要求在配料中要多用廉價的廢鋼和回爐料，少用或不用新生鐵，這種采用廢鋼 增碳工藝的鐵水中存在大量細小的彌散分布的非均質晶核，降低了鐵水的過冷度，促使了以 A 型石 墨為主的石墨組織的形成。同時，生鐵用量的減少，也減小了生鐵粗大石墨的不良遺傳作用，而且 灰鐵的性能也隨著廢鋼用量的增加而提高。在實際生產中就曾發現，在廢鋼用量約為 30%的情況下， 同樣用廢鋼、回爐料、新生鐵做爐料，在化學成分基本相同時，中頻爐熔煉的灰鐵比沖天爐熔煉的 性能低，強化孕育效果也不明顯，這就是廢鋼用量少、增碳率低的緣故。由此足見增碳對于保證灰 鐵的熔煉質量、改善鑄鐵的組織與性能的重要性。

    灰鐵的性能是由基體組織和石墨的形態、大小、數量及分布決定的，改變石墨形態是改變鑄鐵 性能的重要途徑。相比而言，基體組織較容易控制，它主要取決于鐵水的化學成分和冷卻速度。但 石墨形態卻不容易控制，它要求鐵水的石墨化程度要好。而奇怪的是只有新增碳才參與石墨化，爐 料中的原始碳并不參與石墨化。如果不用增碳劑，熔煉出的鐵水雖然化學成分合格，溫度也合適， 孕育也合理，但鐵水卻表現不佳：看似溫度較高，流動性卻不太好，縮孔、縮松傾向大，易吸氣， 易產生白口，截面敏感性大，鐵水夾雜物多。這些都是鐵水增碳率和石墨化程度低造成的。

    碳在原鐵水中的存在形式主要為細小的石墨和碳原子，從細化石墨的角度考慮，原鐵水中不希 望有過多的碳原子，其勢必會減少石墨的核心數，并且碳原子在冷卻過程中更易形成滲碳體，而細 小的石墨可以直接作為非均質形核核心。細化石墨、增加核心是實現鑄鐵高性能的關鍵，增大增碳 劑用量可以增加形核核心數量，進而為細化石墨打下堅實的基礎。因此，在實際生產中應強調增碳 劑的使用和增碳效果：①增碳劑的吸收率與其 C 含量直接相關，C 含量越高，則吸收率越高。②增 碳劑的粒度是影響其溶入鐵水的主要因素，實踐證明，增碳劑的粒度應以 1~4mm 為好，有微粉和粗 粒增碳效果都不好。③硅對增碳效果有較大影響，高硅鐵水增碳性差，增碳速度慢，故硅鐵應在增 碳到位后加入，要遵循先增碳后增硅的原則。④硫能阻礙碳的吸收，高硫鐵水比低硫鐵水的增碳速 度遲緩很多。⑤石墨增碳劑能提高鐵水的形核能力，吸收率也比非石墨增碳劑高 10%以上，故應選 用低氮石墨增碳劑。⑥增碳劑的使用方法推薦使用隨爐裝入法，即先在爐底加入一定量的小塊回爐 料和廢鋼，然后把增碳劑按配料量需要全部加入，上面再壓一層小塊廢鋼和生鐵，之后再邊熔化邊 加爐料。此法簡便易行，生產效率高，吸收率可達 90%。如果增碳劑的加入量很大，可以分兩批加 入，先加 60%~70%于爐底廢鋼墊層上，剩下的在繼續加廢鋼的過程中加入。在鐵水溫度 1400~1430 ℃時也可加增碳劑，目標是要把鐵水 C 含量增至達到牌號要求上限。⑦增碳劑的加入時間不可過遲， 在熔煉后期加入增碳劑有兩方面不利：其一，增碳劑易燒損，碳吸收率很低。其二，后期加入的增 碳劑需要額外的熔化、吸收時間，遲緩了化學成分調整和升溫時間，降低了生產效率，增加了電耗， 而且有可能帶來由于過度升溫而造成的危害。⑧鐵水的攪拌可以促進增碳，特別是附著在爐壁的石 墨團，如果不用過度升溫和一定時間的鐵水保溫，不易溶于鐵水，中頻爐較強的電磁攪拌對增碳有 利。

3.2 溫度的控制

     灰鐵熔化期的溫度不宜過高，一般控制在 1400℃以下。如果熔化溫度過高，合金的燒損或還原會影響熔煉后期的成分調整。在爐料熔清爐溫達 1460℃后，取樣快速檢驗，然后扒凈渣，再加入鐵 合金等剩余的爐料。扒渣溫度對鐵水質量的影響很大，它與穩定的化學成分、孕育效果密切相關， 并直接影響到出爐溫度的控制。扒渣溫度過高，會加劇鐵水石墨晶核的燒損和硅的還原、偏高（酸 性爐襯中），并產生排碳作用，影響按穩定系結晶；若扒渣溫度過低，鐵水長時間裸露，C、Si 燒損 嚴重，需再次調整成分，延長了冶煉時間，并使鐵水過熱，增大過冷度，易使成分失控，破壞正常 結晶。

    出爐溫度的控制須保證孕育處理和澆注的最佳溫度，一般應根據實際情況控制出爐溫度為 1460～1500℃，過熱溫度可控制在 1510～1530℃，并靜置 5～8min。在 1500～1550℃范圍內，提高 鐵水的過熱溫度，延長高溫靜置時間，會細化石墨和基體組織，提高鑄鐵的強度，有利于孕育處理， 消除氣孔、夾雜缺陷和爐料遺傳性給鑄鐵的組織和性能帶來的不良影響。如果靜置溫度過低、時間 過短，增碳劑不能完全溶入鐵水中，也不利于鐵水的雜質上浮被挑渣除去。但過熱溫度過高或高溫 靜置時間過長，反而會惡化石墨形態、粗化基體、增大過冷度、加大白口傾向，使鐵水已有的異質 核心消失，氧化嚴重，降低鑄鐵的性能，并影響出爐溫度的控制。如果出爐溫度過高，盡管 C、Si 含量適中，澆注三角試塊的白口深度會過大或中心部位出現麻口。如果出現這種情況，需調低中頻 功率，向爐內補加生鐵降溫增碳。

    澆注溫度也不宜高，否則會使鑄件產生嚴重的粘砂缺陷，有的甚至難以清理而使鑄件報廢，而 且澆注溫度高，過冷度大，不利于 A 型石墨的形成。澆注溫度如果過低，則不利于除氣，還會造成 鑄件偏硬和出現冷隔、輪廓不清等問題。適當稍低的澆注溫度，鐵水液態收縮量較小，有助于減少 縮孔，獲得致密的鑄件。不同壁厚，不同重量的鑄件有著不同的理想澆注溫度，在日常生產中一般 控制澆注溫度在 1450～1380℃。對于厚大鑄件必須要確?！案邷爻鰻t，低溫快澆”。為了縮短等待 鐵水溫度降至澆注溫度的時間，防止孕育衰退，可以通過倒包加靜置的方法使鐵水快速降溫，以防 止發生縮松，提高生產效率。

3.3 硫和氮的控制

     中頻爐熔煉鑄鐵沒有增硫源，鐵水的 S 含量較低，這一點對于生產球鐵有很大的優勢。但對于 灰鐵，低硫而較高的錳會增大鑄造應力，使裂紋出現幾率大大增加，而且鐵水中適量的硫可以改善 孕育效果。過去沖天爐生產灰鐵，由于焦炭會對鐵水增硫，不用擔心硫低。而中頻爐生產灰鐵，不 但不增硫，而且還因大量使用廢鋼，使 S 含量更低了（約 0.04％左右）?；诣F中 w(S)≤0.06％，將 會導致石墨形態不好、難以孕育、縮松和白口傾向大。在以往的生產中就發現，凡是有裂紋和白口 缺陷的鑄件，其石墨形態大都以 D、E 型石墨為主。電爐鐵水要得到正常的石墨形態，必須要有合 適的 S 含量，硫及硫化物含量低，晶核數量會減少，石墨形核能力降低，白口增大，A 型石墨減少， D、E 型過冷石墨和鐵素體增加，晶粒粗大，強度降低。而且隨著高溫鐵水保溫時間的延長，過冷度 繼續增大，越是高牌號灰鐵，保溫溫度和時間對過冷度的影響越顯著。有資料指出，鐵水含量低， 共晶團數少，隨著 S 含量的增加，共晶團數急劇增加，而共晶團數目越多，尺寸越細小，鑄鐵的力 學性能越好。因此，中頻爐熔煉灰鐵一般要把 S 含量提高到 0.06％～0.1％之間，以充分發揮硫的 有益作用，改善孕育效果，使鐵水的形核數量增加，鑄件的金相組織以 A 型石墨為主，基體組織的 珠光體含量增加，從而改善鑄鐵的強度和切削加工性能。具體做法是，在熔煉后期調整成分后加 FeS 增硫，也有采用焦炭作增碳劑，在增碳的同時，也把 S 含量增至大于 0.06％。但 S 含量也不可過高， 因硫是阻礙石墨化元素，過高會增加白口，而且在 S 含量高時，隨著 Mn 含量的增加，生成的 MnS 充分起到了異質形核作用，為良好的孕育創造了條件。但當 Mn 含量大于 1％后，生成了過多的 MnS 偏聚在晶界，弱化了晶界，甚至產生夾渣，降低鑄鐵的強度。從減少 MnS 夾渣的角度，應控制 S 含 量小于 0.1％，這樣允許存在的錳量高一些，對提高灰鐵的性能有利。

    由于中頻爐熔煉灰鐵大量使用廢鋼，并隨著廢鋼配比的增加，增碳劑的用量也隨之增大，加之 增碳劑含氮較高，所以中頻爐鐵水的 N 含量較高。當鐵水中 N 含量大于 100×10-6時，鑄件易出現龜 裂、縮松和裂隙狀皮下氣孔缺陷。控制鐵水中 N 含量的最有效的方法是將鐵水在高溫下保溫，在保 溫時隨時間的延長，N 含量將逐漸下降。但高溫鐵水長時間保溫會增大過冷度和白口傾向，所以日 常生產中應選用 N 含量低的石墨增碳劑。在必要情況下，可在涂料中加入 10％的氧化鐵粉，以消除 高氮的影響。但灰鐵中的氮和硫一樣屬于限制元素，鐵水中微量的氮能使灰鐵的晶粒和共晶團細化， 基體中珠光體量增加，力學性能提高，對改善灰鐵的石墨形態，促進基體組織珠光體化能發揮積極 作用，氮化合物也能作為晶核，為石墨形核創造成長條件。在實際生產中，一般應控制 N 含量在 0.008 ％以下。

3.4 強化孕育處理

     孕育處理時，加入大量人工結晶核心，迫使鑄鐵在受控的條件下進行共晶凝固，其目的是促進 石墨化，降低白口傾向和斷面敏感性，控制石墨形態，減少過冷石墨和共生鐵素體，適當增加共晶 團數，促進形成珠光體，從而改善鑄鐵的強度和機加工性能。實際生產中的強化孕育處理，是選擇 合適的孕育劑和孕育方法，對 CE 在 3.9％～4.1％之間，溫度在 1480℃左右的高溫鐵水用高效孕育 劑強化孕育，以得到鑄造性能好，力學性能高的灰鐵鑄件，并非是指加大孕育量。不同的孕育劑有 不同的特點，必須根據孕育劑的特性，結合自身生產條件合理選擇孕育劑和孕育方法。通過試驗選 定并確立最適合本企業特點的處理方法后，應嚴格控制工藝過程，以確保鑄件質量的穩定。

     除隨流加入孕育劑，控制加入量和隨流時間外，防止孕育衰退、提高孕育效果還要注意以下方 面：

①因熔煉溫度和保溫時間的限制，生鐵中粗大的石墨片不可能完全消溶，未溶盡的粗大石墨性 狀會遺傳給鑄鐵，大大抵消孕育的作用，所以在實際生產中應盡量減少生鐵的用量，以消除生鐵的 遺傳性，改善孕育效果，提高灰鐵的性能。

②應選用含鈣、鋁、有較多難熔非均質形核核心的孕育 劑，并控制孕育劑有合適的粒度，因孕育劑的粒度對孕育效果的影響非常大。粒度過細，易被氧化 進入熔渣而失去作用；粒度太大，孕育劑熔解不盡，不但不能充分發揮孕育作用，而且還會造成偏 析、硬點、過冷石墨等缺陷。孕育劑的粒度一般控制在 3～8mm（1 噸以下的鐵水量），孕育量控制 在約為鐵水重量的 0.3％～0.5％。過大的孕育量會使鑄鐵的收縮和夾渣傾向增大。

③多次孕育能有 效防止孕育衰退，改善鑄鐵內部石墨分布均勻程度，降低鐵水過冷傾向，使 A 型石墨占有率高，長 度適中，并促使非自發晶核數量增多，細化晶粒，強化基體，提高鑄鐵的強度和性能。例如二次孕 育選用具有很強促進石墨化能力的硅鋇長效孕育劑，可改善薄壁鑄件中石墨的形態和分布狀況，增 加共晶團，促進形成 A 型石墨，消除過冷石墨，抑制產生游離滲碳體，且可減緩孕育衰退。

④鐵水 溫度對孕育的影響，是在一定范圍內提高鐵水的過熱溫度，并保持適當的時間，可使鐵水中殘存的 未溶石墨完全溶入鐵水，消除遺傳因素影響，充分發揮孕育劑的作用，提高鐵水的受孕能力。過熱 溫度以提高到約 1520℃為宜，孕育處理溫度控制在 1460～1420℃較佳。

3.5 工藝技術的調整與改進

  （1）中頻爐熔煉灰鐵的工藝操作順序：小塊回爐料和廢鋼＋石墨增碳劑＋廢鋼和新生鐵＋回爐 料＋鐵合金＋合適的孕育。為了改善鐵水在高溫長時間保溫帶來的不良影響，基于中頻爐溫度易于 提高、可快速熔煉的優勢，制定“快熔快出”的工藝操作方法，盡量縮短熔化時間，加快熔化速度， 使鐵水在爐內經化學成分調整、升溫后盡快出爐，并加快澆注速度，力爭 5min 左右完成澆注，最 大限度地縮短鐵水在爐內和包內的保溫時間。

  （2）夾渣對鑄件質量的影響很大，輕則細小夾渣割裂基體，降低抗拉強度，嚴重的夾渣缺陷能 直接導致鑄件報廢。存在較多夾渣的爐料熔化后，附著于爐壁和存在于鐵水中的夾渣受電爐電磁攪

拌和鐵水浮力作用而陸續上浮，在熔煉后期需頻繁、高效地挑渣，特別是高溫靜置時雜質上浮，應 及時挑渣，直至鐵水表面干凈，無新增浮渣，這對去除夾渣、消除渣孔缺陷、減少夾渣對基體的破 壞作用非常大。

  （3）因中頻爐熔煉灰鐵使用了大量廢鋼和回爐鐵，一方面會促成鑄鐵枝晶石墨的產生和白口傾 向的增大、硬度升高，加工性能變差。因而應比沖天爐鐵水更加注重孕育，以促進石墨化，細化共 晶團，改變石墨形態，減少白口傾向，使白口或麻口組織變為細珠光體組織，D、E 型石墨變為均勻 分布的 A 型石墨，提高鑄件不同壁厚處組織的均勻性，達到提高鑄鐵性能的目的。另一方面，廢鋼 用量的增大，使鐵水 S 含量變低，在 w(S)≤0.06％時，易導致孕育困難，一般用 FeSi75 孕育處理 作用不明顯，應采取增硫措施。

  （4）薄壁鑄件的白口缺陷嚴重，機加工困難，廢品率高。解決這一突出問題首先要杜絕使用合 金鋼廢鋼，適當提高 CE，并控制處理前鐵水的 Si 含量在 1.6％以上，S 含量大于 0.06％，加大孕 育量至 0.5％，使鐵水形核數量增加，石墨形核能力提高，促進 A 型石墨的形成，抑制 D、E 型石墨 的產生，基體組織中珠光體量增加，鑄鐵的過冷度和白口傾向減小，強度和切削加工性能改善。合 理地控制灰鐵的微觀組織是改善灰鐵加工性能的關鍵所在，在必要情況下，可在出鐵前向包中加入 2％的干凈無銹小塊生鐵，有效增加石墨質點，消除白口。

4．關于提高灰鐵鑄件質量和性能的一點看法

    業內人士都知道：化學成分基本相同、金相分析基本一致的國產鑄件與進口鑄件的使用性能和 光潔度相差很大；相同碳當量的進口鑄件較國產鑄件高 1～2 個牌號；硬度高于國產鑄件的進口鑄 件，切削加工性能反而優于國產鑄件。造成這些現象的原因是進口鑄件的材質純凈度和碳當量高， 夾雜物和游離碳化物少，組織均勻性好。

    鑄鐵件的內在質量、外觀質量以及是否會形成鑄造缺陷與鐵水的各方面因素密切相關，高品質 的鐵水是獲得優質鑄件的最基本最重要的先決條件。而鐵水品質又由鐵水溫度、化學成分、純凈度 這些因素所決定。中頻爐熔煉灰鐵獲得高于 1500℃高溫和精確化學成分的鐵水非常容易，鐵水中的 每個元素對鑄鐵的凝固結晶、組織和性能都有一定的影響和作用；鐵水過熱溫度的高低直接影響到 鐵水成分和純凈度，其在一定范圍內提高，能使石墨細化、基體組織致密、抗拉強度提高、鑄造性 能改善，鐵水中的雜質也更易于上浮被清渣除去。只有鐵水的純凈度，至今仍停留在高溫熔煉、聚 渣劑、過濾網這些層面上。其實業內專家都明白，通過這幾種措施是難以獲的高潔凈的鐵水的，只 能使情況改善，而對于鐵水的深度凈化、鑄造缺陷的發生機理分析及預防卻少有研究，鮮見對策。 存在于鐵水中的各種有害氣體和非金屬夾雜物，在鐵水凝固后留存于鑄件中，造成種種鑄造缺陷， 影響了鑄件的使用性能；由非金屬夾雜物形成的硬質質點，導致鑄件切削加工困難；而鐵水中含有 的雜質有害元素，更是直接影響了鑄件的組織和性能。正是這些因素造成了國產鑄件的綜合質量長 期低于進口鑄件。因此，我們應大力提高鐵水的冶金質量，努力以獲取有害元素和氣體含量低、夾 雜物少的高潔凈鐵水為目的，在目前的灰鐵中頻爐熔煉工藝基礎上，進一步完善現代鐵水凈化技術 和工藝流程，確保用于澆注的鐵水必須是高純凈度鐵水，進而才能確保鑄件的高質量和高性能。

5．結語

    （1）中頻爐熔煉灰鐵，廢鋼要有一定的配比，一般應占爐料的 50%以上。應選用低氮石墨增碳 劑，并保證高增碳率，以利于獲得石墨化程度好、白口和縮松傾向小的優質鐵水。同時，大量使用 廢鋼和回爐鐵，少用或不用新生鐵，消除粗大石墨的遺傳影響。并利用生鐵與廢鋼的價差及夜間電 價低谷熔煉，可使生產成本大幅降低。

（2）中頻爐鐵水的 S 含量一般較低，應采取增硫措施把鐵水 S 含量提高到 0.06%~0.1%之間， 增大形核能力，增加晶核數量和珠光體含量，改善石墨形態，并細化石墨，促使形成 A 型石墨，改 善孕育效果和切削加工性能，提高強度。

（3）通過采用廢鋼增碳工藝+適當提高 CE 和 Si／C 比+快熔快出的操作方法+強化孕育處理等 生產技術，控制鐵水過熱溫度在 1510~1530℃，出爐溫度在 1480~1500℃，達到減少鑄造缺陷、增 強灰鐵性能、提高鐵水品質和鑄件質量、降低廢品率的目的。

（4）鐵水品質是影響鑄鐵件質量的重要因素，沒有高品質的鐵水就不可能有高質量的鑄件。 應在目前中頻爐熔煉灰鐵的工藝基礎上，著力提高鐵水的純凈度，進一步完善現代鐵水凈化技術和 工藝流程，以確?；诣F鑄件的高品質和高性能。  

  參考文獻

[1]陸文華,李隆盛,黃良余.鑄造合金及其熔煉【M】.北京：機械工業出版社，2008．3

[2]童軍,章舟,連煒.鑄鐵感應電爐熔煉及應用實例【M】.北京：化學工業出版社，2008．5

[3]鄒榮劍,謝寨川.全廢鋼技術在鑄鐵生產的應用【J】鑄造技術，2008（12）： 1747~1748

[4]岳海,趙超云.中頻爐熔煉高強度灰鑄鐵型石墨的控制【J】鑄造設備與工藝，2013（4）： 42~44

[5]沈中仁,施永德,劉黨庫.中頻爐熔煉鐵液易產生的鑄造缺陷及預防對策[J]鑄造技術，2012（6）： 744~746

[6]殷作虎.硫對灰鑄鐵組織和性能的影響【J】鑄造，2004，53（10）： 805~809

[7]林艷茹,李艷琴.碳當量對鑄鐵加工性能的影響及控制【J】金屬加工-熱加工，2014（13）： 46~48      

作者簡介：段平昌（1967-）男，安徽淮南人，工程師，主要從事鋼鐵及鑄造原輔材料的分析檢測、 實驗室的管理和鋼鐵的熔煉工藝技術工作。手機13395545112          黃濤（1983-），男，安徽利辛人，工程碩士，工程師，凱盛重工有限公司質保部部長， 主要從事工程技術與企業質量管理工作。手機 13866323731