中频炉熔炼灰口铸铁和冲天炉比较

摘要：不少铸造人士认为：中频炉熔炼灰铸铁，铁液结晶核心比较少，使共晶团数量减少，过冷度比冲天炉铁液大，晶粒细化，因而铸铁的抗拉强度和硬度高于同样化学成分的冲天炉铁液。新版铸造手册铸铁卷铸铁熔炼章节，摒弃了这个观点。笔者也从生产实践，验证冲天炉与中频电炉熔炼高级别灰铸铁，必须根据原理制定铁液处理工艺，解决高端灰铸铁的力学性能。同时提出，高牌号灰铁熔炼，应该注意微量元素化合氮后对强度的影响。

关键词：铸铁熔炼，铁液处理，冶金质量，氮对灰铁强度的影响

一、问题的提出：

2006年在山东烟台某公司，参加筹建新铸造工厂。老厂一直采用冲天炉熔炼，由于工厂严格遵循国内冲天炉熔炼专家指导，对熔炼的原材料、操作工艺控制十分严格，生产的HT300铸件，力学性能稳定，得到国内外客户的好评。

该工厂常年生产数控加工中心床身，立柱等出口铸件，以及环球牌机床卡盘配套铸件，材质都是HT300。在老厂铸件品质优秀的基础上，新厂投入先进设备如3吨应达电炉、德国FAT树脂砂设备，以及瑞士ARL4460光谱仪等，完全按照老厂冲天炉的熔炼工艺，操作要求，试生产HT300铸件。

然而出现了电炉铁液生产的铸件比冲天炉铸件机械性能差的现象。两者HT300铸铁控制的碳硅量基本一样，电炉铁水还加入硫铁增硫，但冲天炉铸件的强度硬度始终优于电炉，抗拉强度普遍相差30-50MPa，床身导轨面硬度粗加工后一般相差10-30HB。初期分析原因，认为冲天炉出铁槽长，出铁槽缓慢加入孕育剂效果好；电炉出铁槽短，孕育效果较差。加长电炉出铁槽和改进孕育剂添加措施后，强度硬度依然不及冲天炉铸件。Z终采取降低电炉铁液的碳量，勉强满足铸件强度硬度要求。

对于冲天炉和中频炉的这种差别，过去认为：电炉铁液过热温度、化学成分、铁液纯净度等比冲天炉好控制；铁液凝固过冷度较大，晶粒细化；在原辅材料和铁液处理完全一致的情况下，电炉铸件的强度硬度应该比冲天炉好。

经过一个多月冲天炉、电炉铁液化学成分对比，发现五大元素中除含碳量有差别之外，主要区别在鈦、氮含量。电炉含鈦量一般在0.035-0.055%之间，而冲天炉含鈦量在0.019-0.025%之间。冲天炉铁液氮含量在80-120PPm左右，而电炉铁液氮含量较低，一般在50-80PPm。

新版铸造手册铸铁卷铸铁熔炼章节，摒弃了同样化学成分的铁液电炉的强度和硬度优于冲天炉的观点。从自己的多年生产实践，也总结出这样的规律。

二、冲天炉与电炉熔炼灰铁的区别

发达国家深知冲天炉的不可替代性，严格的环保排放标准并没有淘汰冲天炉。铸造产业集约化开发出30t/h～100t/h大型自热风冲天炉。现代冲天炉有完善的热风除尘系统，捕捉焦炭余烬消除灰尘，送入冲天炉的空气可常预热到600℃,个别高达900℃。一般而言；热风要达到450℃以上才能强化焦炭的扩散燃烧，提高熔化率获得高温优质铁液，降低合金元素烧损并提高冲天炉的热效率。

国内小于10吨/h的密筋炉胆冲天炉，风温200℃-300℃，采用反应能力强的冶金焦、固定碳含量低，焦炭消耗量高、铁液氧化严重。有人估计铸件废品有50%与冲天熔炼有关。我国多数铸造厂废品率高达8%～12%。然而国外先进厂可将铸件废品率控制在2%以内。

现代新型冲天炉，采用固定碳在90%左右的铸造焦，出铁温度可以超过1500℃.冲天炉熔炼生铁、废钢，铁液滴下行经过1800℃炽热底焦，炉内伴有氧化还原冶金反应，鈦、铝等位于FeO氧势线以下，可以被氧化到痕量水平[3]。冲天炉铁液有大量硫、氧化物，形成灰铸铁凝固结晶核心，减少铸铁的过冷度。

中频电炉替代5吨/时以下冲天炉势在必然。电炉熔炼氧化烧损少，铁液成分和温度可以准确控制，铁液质量较为稳定。电炉熔炼存在铁液电磁搅拌作用，利于加入钢铁切屑和细小边角料。

中频电炉作业便于实现熔炼过程计算机控制，如：⑴原辅材料管理、配料计算、等；⑵自动冷启动控制炉衬烧结时间，延长炉衬寿命，自动控制熔炼过程；⑶自动监测炉况，对电源、炉体、炉衬、水冷系统预测故障，增加安全、减少损害。

但是，中频电炉由于热量来自电流对熔池铁液的强烈搅拌。来自磁力线在电场的作用下，造成铁液翻滚，如高温下保温时间过长，硫氧化物聚集，上浮，排出。结晶核心保存较少，铁水白口倾向较大，性能恶化。由于炉料在电炉的熔化过程是以加热重熔为主，炉内的冶金反应远比冲天炉简单，有害微量元素保留较多。这是电炉熔化铸铁的一个需要人们十分重视的问题。

三．氮在灰铸铁中的作用

氮、氢、氧是存在于铸铁中并对铸铁组织和性能产生重要影响的气体元素。铸铁中的氮主要来源于熔炼过程，感应电炉熔炼铸铁，含气量仅是冲天炉铸铁含气量的65%-75%。氮对灰铁的抗拉强度有重大影响，仅此就足以说明中频炉与冲天炉分别用同一炉料生产灰铸铁件，力学性能有明显差别。其原因在上述已讲过的电炉铁水内结晶合心少，铁水白口倾向大之外，还应考虑氮对机体的强化作用。

铸铁成分在：W（C）：3.12%，W(Si)：1.35%，W（Mn)：0.71%,W(S)：0.09%,W(P)：0.13%的铁液中随氮含量的增加，铸铁强度也逐步增加。见表1：

表1氮含量对灰铸铁抗拉强度的影响

注：该试验以加入氰化钠改变铁水氮含量，以0.3%硅钙孕育。

灰铸铁氮含量一般在80-180PPm之间，含氮量大于110PPm铸件就容易出现氮气孔，当含氮量大于140PPm时更甚。铸铁中如果同时含氢量增加，降低生成裂隙状气孔的氮含量。碳含量增加，铸铁氮气孔会减少。

对于普通灰铸铁，氮使石墨片长度缩短，弯曲程度增加，端部钝化，长宽比减小。氮对灰铁基体组织的影响：氮使初生奥氏体一次轴变短，二次臂间距减小，凝固时过冷度增大，使共晶团细小。

铸铁凝固过程中，石墨表面吸附的氮原子固溶于石墨，使石墨生长时晶格产生畸变，晶体缺陷增多，导致石墨片产生弯曲和分枝倾向增大。当铁液中氮含量高，铸件冷却时铁素体就会被氮过饱和，室温下随着时间的延长，氮逐渐以Fe4N的形式析出，铸件的强度和硬度上升，但塑性和韧性下降[4]。铸铁中溶解氮量高，石墨化程度就低。氮促进铸铁生成珠光体，抑制基体中的铁素体。

总之，适量氮在灰铸铁中稳定并细化珠光体，可作为间隙原子固溶于铁素体和渗碳体中，使其产生晶恪畸变，基体组织强化，强度性能提高．

四、鈦在灰铸铁中的作用

对于要求珠光体量大于95%的灰铸铁，鈦无疑是有害元素，因为钛与氮化合明显消耗铸铁中强化基体的氮，从而降低灰铸铁强度和硬度。Z近在山东海阳某铸造工厂，熔炼合成铸铁，废钢加入60%，生铁加入10%，余为同牌号回炉料，发现HT300使用硅锆孕育剂，强度降低的现象更明显。元素周期表上钛与锆同属过度元素ⅣB族，与氮的亲和力更强。

鈦与氮的化合物TiN是面心立方晶格的离子晶体，在铁水中与结构近似的TiC互溶，形成Ti（C，N）。氮化钛夹杂物只在铁液接近凝固时形成，硬度大，尺寸较其他非金属夹杂物小，不易被泡沫陶瓷过滤器滤除，是重要结构灰铸铁件的疲劳源，对材料韧性、疲劳性能及持久性能有负面影响。TiN虽然是石墨形核基质，但在铁液中的需求是有限的。

铸铁中含少量的鈦，鈦是石墨化元素，能减少白口倾向，细化石墨。当铁液中含鈦量高时，鈦氮结合使得灰铸铁基体铁素体量增加，降低铸件的强度和硬度。我们在电炉HT300熔炼中，发现孕育后三角试片，鈦含量0.05%以上的断口颜色比鈦含量低的断口发黑，是否与铸铁铁素体量增高有关联？铸铁中很难去除鈦，采用低钛生铁是唯一途径。

五、结束语

在四川某铸造厂工作期间，与国外采购商探讨该厂生产的3吨多重美国卡麦隆HT300大型压缩机缸体硬度不足问题。经对比HT300化学成分，其他元素含量都符合规范，只有鈦含量在0.057%左右，应该是含鈦量超标。嗣后，发现工厂为降低成本，使用四川小铁厂的地方生铁，鈦含量超过生铁采购标准。

该厂后来生产重庆康明斯缸体，HT300铬钼铜材质，配料为：60%废钢、30%回炉料、10%生铁，优质石墨增碳剂，铁液鈦含量在0.025以下，生产的缸体铸件性能稳定。此外，该厂生产大发DK-20船用缸体铸件，材质是HT300加铜。灰铁熔炼改用废钢为主的合成铸铁，鈦含量控制在0.025%以下，生产的大型缸体铸件均满足整机厂要求。

特别要提到的是有一炉，电炉熔炼生产HT300加铜的DK-20大发缸体，由于当班废钢超出规范加入90%，铁液含鈦量0.012%，含铜0.70%，结果抗拉强度达到407MPa，超出DK-20材质要求2个级别。当然，强度过高，孕育不足，该缸体铸件在壁薄处产生裂纹报废。但是可以看出，由于鈦含量很低产生的灰铁强度效果。

国外采购公司提供灰铁缸体铸件的技术文件，对灰铸铁化学成分有如下要求：

表2 一些国外铸件采购商对HT300铸件化学成分的要求

由此可以看出，灰铸铁除了五大元素之外，对重要的有害微量元素也必须做出要求。目前，国内业界同仁对冲天炉和电炉熔炼灰铸铁的异同，已经发表过很多论述，但是国内对高牌号灰铁熔炼，注重氮，鈦含量还不普遍。现在很多国外客户，对我们生产的灰铁300铸件，要求经常检测铁水里面的氮含量，一般控制在60-90PPm。而十年前，在冲天炉熔炼灰铁300条件下，不定期检测铁水氮含量，结果是100-120PPm。需要我们研究和探讨，引起重视。