高質(zhì)量的鑄鐵件的生產(chǎn)流程

一．概述

（一）解析鑄造生產(chǎn)全過程，其核心環(huán)節(jié)是熔煉合格的鐵水，注到合格的鑄型中成形，合格的鑄型主要保證鑄件的形狀和尺寸精度。合格的鐵水內(nèi)在質(zhì)量，是保證鑄件的使用性能，保證使用壽命，使用的可靠性。故鐵水的熔煉質(zhì)量是鑄造生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

（二）鑄造行業(yè)，是一個(gè)跨冶金和機(jī)械，涉及專業(yè)面非常廣泛的行業(yè)，影響因素非常多，生產(chǎn)過程控制難度非常大。穩(wěn)定生產(chǎn)質(zhì)量，除嚴(yán)格控制進(jìn)料外，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，zui大限度排除人為因素的干擾，用設(shè)備系統(tǒng)保證工藝過程的質(zhì)量和穩(wěn)定性，已是我國當(dāng)前提高生產(chǎn)質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低成本的有效措施。

（三）隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，人們環(huán)保意識(shí)的提高，對(duì)環(huán)保的要求也愈來愈高，應(yīng)有相應(yīng)的環(huán)保措施。以達(dá)到相應(yīng)的環(huán)保要求。

（四）在生產(chǎn)過程中，如何充分利用能源，節(jié)約能源。也是當(dāng)前我們的重要任務(wù)之一。

二．鑄件內(nèi)在質(zhì)量的控制技術(shù)參數(shù)分析

鑄造生產(chǎn)是一個(gè)古老而新興的行業(yè)，也是機(jī)械行業(yè)重要基礎(chǔ)件行業(yè)。決定著機(jī)械設(shè)備的使用壽命和使用可靠性。通過數(shù)千年的生產(chǎn)實(shí)踐積累，科學(xué)研究，從宏觀認(rèn)識(shí)深入到微觀理論，有了巨大的發(fā)展，不斷揭示鑄件生產(chǎn)過程中、穩(wěn)定完成技術(shù)參數(shù)的控制，就可保證鑄件的使用性能，從而保證機(jī)械設(shè)備的使用壽命、使用的可靠性。

要生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄件，首先就需要研究影響鑄鐵性能的因素，也就是如何提高熔煉鐵水的純凈度：如何獲得好的石墨形態(tài)；化學(xué)成分波動(dòng)范圍的控制等，研究解決上述問題的技術(shù)控制參數(shù)；并研究采用什么熔煉方法達(dá)到目的。

鐵水熔煉質(zhì)量控制

鐵水純凈度的控制：

1．元素氧化燒損產(chǎn)生的氧化物夾雜物；

2．熔解氧產(chǎn)生的熔煉性氣孔；

3．硫含量的控制，防止硫共晶的產(chǎn)生；

4．磷含量的控制，防止磷共晶的產(chǎn)生；

5．限制微量元素含量在干擾量以下。

鐵水熔煉過程控制：

1．鐵水氧化的控制；

2．消除石墨遺傳性，獲得良好的石墨形態(tài)；

3．控制化學(xué)成分的波動(dòng)范圍，獲得準(zhǔn)確的化學(xué)成分；

4．鐵水熔煉溫度的控制；

5．*熔煉方法的選擇和相應(yīng)的設(shè)備系統(tǒng)。

（一）

1．元素?zé)龘p及氧化物夾雜

鐵水中的硅、錳元素的氧化燒損，是通過爐氣中的氧和二氧化碳吸附于鐵滴表面后熔入鐵水中。此時(shí)熔解氧為原子態(tài)。首先與鐵原子反應(yīng)生成氧化亞鐵，由于硅、錳與氧的親和力大于鐵原子，硅、錳原子將生鐵原子從氧化七亞鐵中還原出來，自身被氧化形成硅、錳氧化物夾雜。

*：鐵水的氧化只要產(chǎn)生在熔化帶。由于空氣中的氧在氧化帶已基本燃燒光。形成二氧化碳；故鐵水在熔化帶被氧化的氧原子主要由二氧化碳提供，減少熔化帶的二氧化碳量就能控制鐵水在熔化帶被氧化，由于二氧化碳遇紅熱焦炭被還原，是吸熱反應(yīng)，故提高還原帶的爐氣溫度可減少爐氣中二氧化碳的含量，減少硅、錳燒損。故熱風(fēng)沖天爐能有效控制元素氧化燒損。

2．鐵水氧化行氣孔的產(chǎn)生與控制

沖天爐鐵水中的熔解氧，一部分如上所述，與鐵水中硅、錳反應(yīng)生成氧化物夾雜。

a．一部分溶解氧在石墨表面吸附，氧化石墨生成一氧化碳?xì)狻?/span>

即：（C）石墨+[O]＝↑

b．當(dāng)生成的氧化亞鐵于鐵水中的碳接觸時(shí)，碳還原氧化亞鐵，也是生成一氧化碳?xì)饪住?/span>

（FeO）+（C）＝↑+（Fe）

高溫鐵水有利于氣泡上浮去除。這種熔煉過程中鐵水氧化生成的氣孔叫熔煉性氣孔，其特點(diǎn)時(shí)呈細(xì)小均勻的分布于鑄件斷面。

3．鐵水含硫含量的控制

在沖天爐熔煉過程中，焦炭中的硫?qū)⒂?/span>60％進(jìn)入鐵水中。如何控制硫進(jìn)入鐵水，是沖天爐熔煉質(zhì)量控制的重要任務(wù)之一。首先了解硫進(jìn)入鐵水的過程，才能找到控制鐵水增硫的途徑。

焦炭在風(fēng)口區(qū)燃燒達(dá)到高溫時(shí)，焦炭中的硫呈氣體狀態(tài)逸出，在風(fēng)口區(qū)與氧反應(yīng)生成二氧化硫（SO2）氣體。隨著爐氣上升，與鐵料產(chǎn)生增硫途徑有二：

a．當(dāng)二氧化硫與尚沒氧化的潔凈金屬爐料表面或鐵滴表面吸附對(duì)，產(chǎn)生增硫反應(yīng)：

3[Fe+SO2]=(FeS)+2(FeO)+△F2……（1）

b．對(duì)于已氧化的金屬爐料表面，有如下反應(yīng)：

10（FeO）+SO2=(FeS)+3Fe3O4+△F……（2）

式中的氧化亞鐵包括上式反應(yīng)生成的和爐渣中的。

以上兩個(gè)放熱反應(yīng)在沖天爐條件下都可以進(jìn)行，但反應(yīng)式（2）順向性比（1）大，故在金屬表面氧化嚴(yán)重時(shí)，增硫劇烈。試驗(yàn)表明，金屬爐料的滲硫深度可達(dá)1～3mm。當(dāng)鐵料原始含硫量為0.082％時(shí)，增層內(nèi)硫量可達(dá)0.45％之多。由此可知，清除金屬爐料的鐵銹，可減少增硫。

在沖天爐熔煉過程中能否創(chuàng)造條件脫硫呢？據(jù)脫硫的三大條件，即高溫、高堿度、低氧化性。這在一般沖天爐中時(shí)無法滿足的，只有在先進(jìn)的熱風(fēng)水冷沖天爐熔煉條件下，才能滿足上述條件。在熱風(fēng)水冷沖天爐熔煉過程中，由于高溫、鐵水氧化性低，無爐襯，可造堿性渣，當(dāng)鐵水在1500～1550℃，平均1530 ℃，爐渣堿度控制在1.7～2.3時(shí)，可穩(wěn)定地將鐵水含硫量降到0.04％，在包中輔以脫硫措施或采用爐前連續(xù)脫硫，就可將硫控制在0.02～0.03％，充分滿足球鐵生產(chǎn)和轉(zhuǎn)爐煉鋼的需要。

4．鐵水中磷的控制

一般在沖天爐熔煉過程中磷基本上無大變化。磷量的控制主要是從金屬爐料控制。

5．微量干擾元素，微量干擾元素應(yīng)控制其含量在作用量以下。在熔煉過程中，高溫有利于低熔點(diǎn)干擾元素的氧化、燒損。其含量相應(yīng)的減少。但控制主要從金屬爐料的選擇解決之一。在沖天爐熔煉過程中。

（二）鐵水熔煉過程因素的控制

鑄鐵與鋼之所以不同，是因?yàn)橛辛耸拇嬖冢瑢?duì)石墨形態(tài)的控制，就是鑄鐵熔煉過程控制關(guān)鍵之一；同時(shí)在熔煉過程中必須保證獲得各種基體組織的成分要求，也就是化學(xué)成分的波動(dòng)范圍的控制；也需要保證在滿足機(jī)械性能的前提下，獲得良好的加工性能等等。

1．石墨形態(tài)的控制

不同的石墨形態(tài)，可以得到不同性能的鑄鐵，各種不同自的鑄鐵均有一個(gè)共同的要求，即石墨應(yīng)是細(xì)小的、均勻的，對(duì)孕育鑄鐵的石墨則應(yīng)是短而鈍頭的，對(duì)球墨鑄鐵來說，石墨應(yīng)該是園整的，我國鑄鐵生產(chǎn)的原材料有新生鐵（鑄造生鐵）、回爐料、廢鋼等，新生鐵有大量的粗大過晶石墨干和共晶石墨，回爐料以共晶石墨為主，也存在少量的過共晶石墨。因此，在熔煉過程中，要保證得到上述要求的：石墨形態(tài)，首先就必須將粗大的過共晶石墨和共晶溶解到結(jié)晶臨界半徑以下，在重新結(jié)晶的條件下，才能得到上述要求的石墨形態(tài)。這就是消除石墨遺傳性。只要存在原始石墨，在隨后的重新結(jié)晶時(shí)，碳原子就會(huì)在原始石墨上生長造成石墨的大小不均勻及尖頭石墨。石墨尖頭會(huì)造成虛力集中，在應(yīng)力作用下裂口延伸以致斷裂，降低另件使用的可靠性和性。

根據(jù)我們以及世界各國的研究，粗大的過共晶石墨在鐵水溫度達(dá)到1500 ℃，并保持6～9妙鐘可以溶化到結(jié)晶臨界半徑以下，只有在這樣的熔煉條件下，生產(chǎn)的高牌號(hào)孕育鑄鐵或球墨鑄鐵的質(zhì)量是可靠的。故生產(chǎn)孕育鑄鐵、球墨鑄鐵對(duì)鐵水的熔煉溫度是有要求的，其鐵水熔煉溫度應(yīng)控制在1500 ℃以上，zui高不超過1550 ℃，以1530 ℃為*。

2．鑄鐵熔煉方法的選擇

不同的鑄鐵熔煉方法，具有不同的熔煉條件。其熔煉的鐵水澆出的鑄件性能也差異。德國人Gopat V.Panchathan V在1978年曾經(jīng)做過沖天爐、回轉(zhuǎn)爐、電爐熔煉的鐵水性能對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沖天爐熔煉的鐵水鑄件相對(duì)強(qiáng)度高，使用性能好，相對(duì)硬度低，加工性能好。而電爐熔煉鐵水的相對(duì)強(qiáng)度低，使用性能較差，相對(duì)硬度較高，加工性能較差?；剞D(zhuǎn)爐居中。二汽陳勉已總工在九華山鑄造學(xué)會(huì)年會(huì)上介紹：要得到好的汽車鑄件，采用沖天爐熔煉鐵水*。大家都知道，二汽是采用電爐熔煉的。

為什么沖天爐鐵水優(yōu)于電爐呢？沖天爐熔煉過程是熔化帶熔化的鐵滴在焦炭表面滾動(dòng)中下落的，造成了鐵水微觀增碳的不均勻性，故其結(jié)晶過冷度較小，結(jié)晶晶粒細(xì)化，不易產(chǎn)生白口，而電爐熔煉鐵水是在隔絕碳的情況下進(jìn)行的，同時(shí)造成碳原子分布的均勻化，使其結(jié)晶過冷度增大，使鑄件表面白口傾向增加。據(jù)國外統(tǒng)計(jì)，對(duì)于沖天爐鑄件其加工刀具磨損率增加35％，加工時(shí)增加45％。增加了機(jī)械成本。

3．化學(xué)成分波動(dòng)范圍的控制

在一般有爐襯冷風(fēng)沖天爐中，隨著熔煉時(shí)間的延長，爐襯的燒損，爐徑將不斷地?cái)U(kuò)大，如補(bǔ)焦不及時(shí)，量不準(zhǔn)確，將造成低焦頂面波動(dòng)增大，不僅溫度降低，鐵水氧化燒損增加，同時(shí)增大了化學(xué)成分的波動(dòng)范圍，要控制碳的波動(dòng)在±0.10％是困難的。如采用熱風(fēng)水冷無爐襯沖天爐，熔化過程中爐襯穩(wěn)定不變，消除了上述問題，化學(xué)成分波動(dòng)范圍能得到穩(wěn)定的控制。從而保證各種鑄件鐵牌號(hào)的準(zhǔn)確穩(wěn)定生產(chǎn)。

4．鐵水的*熔煉溫度控制

綜上所述，保證鐵水的內(nèi)在質(zhì)量熔煉溫度應(yīng)在1500℃，在該溫度鐵水氧化物夾雜、氣孔zui低抑止增硫，消除石墨遺傳性，穩(wěn)定化學(xué)成分波動(dòng)范圍均能得到保證。如果超過1550℃，將增加鐵水的結(jié)晶過冷度，對(duì)使用性能不利。故從鐵水嫩內(nèi)在的質(zhì)量分析，鐵水的熔煉溫度范圍應(yīng)是1500～1550℃，*溫度1530℃。

三．鑄鐵的生產(chǎn)工藝過程參數(shù)

在鑄鐵生產(chǎn)過程中，各種不同的鑄鐵都有不同的工藝參數(shù)要求?，F(xiàn)分述如下：

（一）孕育鑄鐵的生產(chǎn)工藝過程參數(shù)要求

孕育鑄鐵要求得到細(xì)小的、短而均勻的、鈍頭的石墨，保證其同一斷面的性能齊一性和不同斷面性能均勻性。其生產(chǎn)工藝的參數(shù)要求如下：

1．鐵水熔煉溫度1500～1550℃，穩(wěn)定1530℃*。以保證獲得鐵水的高純度，消除石墨的遺傳性，經(jīng)孕育處理得到細(xì)小的，均勻的，短而鈍頭的石墨形態(tài)。

2．孕育處理溫度，應(yīng)保證在孕育處理過程中，使孕育劑迅速溶解于鐵水中，并在微觀中存在濃度差，保證在隨后的冷卻凝固的結(jié)晶過程中形成足夠多的結(jié)晶核心，一般處理應(yīng)控制在14500℃左右為佳。

3．澆注溫度，一般據(jù)鑄件壁厚確定以汽車鑄件為例，據(jù)鑄件壁厚形狀不同，一般在1400～1440℃范圍內(nèi)。

綜上所述，為保證孕育處理溫度，前爐出鐵溫度不得低于1450℃。如以5t/沖天爐為例，前爐出鐵三包后，鐵水前爐降溫一般穩(wěn)定在500C左右，則鐵水過橋溫度應(yīng)在1500℃以上，才能保證隨后的處理參數(shù)。這與熔煉控制溫度是一致的。

4．典型證例分析

現(xiàn)以德國奔馳汽車廠氣缸缸蓋檢驗(yàn)項(xiàng)目及性能表分析說明：在14項(xiàng)項(xiàng)目中，從第8項(xiàng)到14項(xiàng)共6項(xiàng)是屬熔煉過程應(yīng)控制參數(shù)。而從1到7和11項(xiàng)，主要是成分配比確定，但熔煉過程有相當(dāng)大的影響作用。如果熔煉過程控制不能滿足8到14項(xiàng)相應(yīng)要求是不可能得到1到7項(xiàng)的結(jié)果的。原理前面已說明，在此不再重復(fù)。

由此可知，鑄鐵熔煉過程參數(shù)的嚴(yán)格控制，是保證鑄件內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵。

（二）球墨鑄鐵生產(chǎn)工藝過程參數(shù)要求

球墨鑄鐵的生產(chǎn)，目的是要求得到細(xì)小的、圓整的、均勻的球狀石墨。具體要求分述如下：

1．鐵水的熔煉溫度：

a．要得到細(xì)小的、圓整的、均勻的球狀石墨形態(tài)，首先就得將過共晶石墨溶解到結(jié)晶臨界半徑以下，熔煉溫度高于1500℃。

b．要得到好的延伸率和強(qiáng)度性能，必須使晶粒邊界上氧化物夾雜、熔煉性氣孔zui少。據(jù)前所述相應(yīng)的熔煉溫度應(yīng)在1500℃以上。

c．控制硫含量在0.03～0.02％，控制焦炭加入量，控制氧化帶以上的二氧化碳量，以減少焦炭中硫進(jìn)入量，其熔煉溫度應(yīng)大于1500℃，溫度愈高，控制效果愈好，在1530℃*。

如果采用高科技的熱風(fēng)水冷沖天爐，有高的熔煉溫度：低的氧化性氣氧，無爐襯操作，同時(shí)將爐渣的堿度控制到1.7～2.3，可爐內(nèi)脫硫，使硫量降到0.04％左右，此時(shí)，只需在爐前加簡單的連續(xù)脫硫裝置或采用包內(nèi)脫硫方法即可穩(wěn)定地控制硫含量在0.02～0.038％*值范圍內(nèi)，可節(jié)約球化劑、穩(wěn)定球鐵生產(chǎn)，得到高質(zhì)量的球墨鑄鐵。

終上所述，球鐵鐵水的熔煉溫度應(yīng)高于1500℃，穩(wěn)定在1530℃左右*，不超過1550℃。

2．球化處理溫度

合適的球化處理溫度，應(yīng)保證球化劑充分作用，比重比鐵輕的氧化物，夾雜和氣體能充分上浮渣中，其適合的處理溫度、國內(nèi)均在1400℃，過高球化劑損失過大，過低不利于氧化物夾渣和氣體上浮。

3．孕育劑加入溫度，一般結(jié)合具體鑄件的澆注溫度確定。但必須控制孕育劑粒度和澆注溫度的配合。采用瞬時(shí)孕育方法較好。

終上所述，球墨鑄鐵鐵水過橋溫度應(yīng)控制在1500℃以上，以1530℃左右*。