球铁生产中的几项技术处理

近年来，我国球铁产量增长很快，由1998年的143万吨增至2001年的近300万吨，它在铸件总产量中约占21%，高于一般国家而比工业发达国家低8~10%。随着制造业的世界性转移，未来我国作为世界加工业工厂的地位必将加强，我国球铁的产量和品质也将会有更大的发展。本文仅简述球铁生产中的几项技术处理。
一、熔炼方案
      优质球铁需由高温、低硫、洁净，且化学成分准确而少干扰元素的原铁液为保障。高温熔炼有利于铁液的洁净化。因此，足够高的熔炼温度和必要的出炉温度十分重要。
除了市政类铸件外，机械、动力、容器和离心铸管等类球铁件，应采用感应熔炼或冲天炉－感应炉双联。由于焦炭价格上涨和环保方面的考虑，新建铸造厂采用感应炉熔炼的倾向十分明显。
感应炉熔炼元素烧失少，成分把握准确，过热温度容易调整。由于电磁搅拌作用，铁液的含气量、含氧量较低，成分与温度的均匀度高，也没有冲天炉的焦炭增硫。不过，电磁搅拌清除固体夹渣物的作用并不彻底。因此，感应炉熔炼仍希望炉料尽量洁净。
       与工频炉相比，中频炉的电效率和热效率高，熔炼时间短，用电省，占地较少，投资较低，无需开炉块（或留液），生产灵活，改变铁液牌号方便，优势明显。随着变频器功率的大型化，原来工频炉在大容量炉子中的地位也将为中频炉所替代。
      中频炉的发展方向是：①提高吨功率，实现高效、快熔。②功率连续可调，适应不同升温和保温能力的需要。③变频。如在熔化期用高频率，提升功率快速熔化；在后期用低频率，以加大搅拌力，促进增碳和合金成分的调整。④双供电，即一套电源两个换炉开关，分别联系两个炉体。在两炉间任意分配功率，实现两炉同熔，或一熔一保，确保随时能向浇注线提供铁液。也可以在一炉熔炼的同时另一炉进行炉衬烧结。⑤自动化管理。如对熔化保温，炉衬预热烧结实行可编程自动化作业，对电源和炉衬状况进行诊断和故障处理等。
      感应炉要控制炉料尺寸，防止棚料和炉底过热。要观察驼峰，过高的驼峰和剧烈的搅动易使金属氧化和炉衬侵蚀加剧。
      球铁用感应炉采用酸性炉衬。为了保证烧结层中的石英彻底转变为耐火度和稳定性好的方石英，烧结温度应大于1500℃。
      在球铁一般成分条件下，当铁液温度大于1450℃时，炉衬中的SiO2将被［C］所还原，造成铁液减碳增硅和炉衬侵蚀。因此，熔炼末期的过热时间要严加控制。炉衬的好坏以及炉衬的维修至关重要。一旦发现有损坏的地方应及时修补，以延长炉衬的服役期，减少因拆炉、摏炉和烧结带来的财力、人力和生产时间的损失。
      冲天炉－感应炉双联，兼有冲天炉熔化效率高和感应炉过热效率高的优点。两者容量的匹配要充分考量冲天炉前是否有脱硫操作，感应炉的升温目标、升温能力、成分调节任务以及车间的作业制度等因素。一般而言，过热炉（含成分调节）容量为熔化炉容量的0.5~1.8倍；保温炉容量为熔化炉容量的1~3倍。如果感应炉以储存铁液为主，则储存炉容量为熔化炉容量的4~6倍。
必需指出，双联绝不意味着可以忽视冲天炉铁液的冶金质量。相反，为了经济地发挥出感应炉的技术优势，双联用冲天炉应选择优秀的炉型，严格炉料和焦炭管理，实行科学化的稳定熔炼操作。在两班或三班工作的工厂，冲天炉多为水冷长炉龄冲天炉。有条件的工厂可实行预热送风。依作者的看法，在当今焦炭条件下，热风温度在350℃~400℃即足以强化冲天炉的冶金作用得到较为满意的铁液了。
      一、炉料选择
      球铁的炉料由回炉料、废钢、生铁、铁合金和增碳剂等组成。以下就生铁和增碳剂谈谈个人的看法。
1．生铁
      我国现有铸造生铁、炼钢生铁、球墨铸铁用生铁、含钒生铁和铸造用磷铜钛低合金耐磨生铁等五个国标。球铁常用的生铁牌号为Z14、(Z18)、(L08)、L10、Q10、Q12和Q16。
选定生铁时，首先要根据球铁的基体要求及回炉料用量来确定生铁的硅量(定牌号)。其次，根据韧性要求和热处理与否限定锰量(定分组)。
生铁中的磷硫量则越少越好。磷的分级和硫的分类，各种生铁的界定量不太一样。球铁用生铁有特级磷(P≤0.05%)和特类硫(S≤0.02%)。炼钢生铁有特类硫(S≤0.02%)，但磷一般较高。铸造生铁没有特级磷和特类硫，其一级磷和一类硫分别为≤0.06%和≤0.03%。
      因铁矿来源的不同，生铁中常含有Cu、Cr、Mo、Ti、Sn、Al、Pb、Bi、Te、Cd、Zn、As和Sb等微量元素。其中As、Pb、Zn、Ti、Bi、Sb、Cd和Te等超过一定含量，或干扰球化，或生晶界脆性相，或生硬质点，从而影响着球化成败、球铁的韧性和切削加工性。这些干扰元素的作用很复杂，它们共存时，有倍增效应或抵消作用，机理有待进一步研究。
为了控制干扰元素，需对生铁中微量元素总量(∑T)加以限制。例如德国规定∑T≤0.0745%，日本规定为∑T≤0.089%，其中Ti不大于50%∑T。我国目前一般约定为∑T≤0.1%，其中Ti≤0.045%。
从微量元素含量考察，本溪生铁最好(某组数据为∑T≤0.1%，Ti<0.055%，有的数据Ti为0.027%)；其它生铁Ti均高于控制值。若精选矿源，在高炉配料上想些办法，可将Ti降至控制值以下，例如林州某生铁可由Ti0.09%降至0.033%。
      Sorelmetal(QIT)生铁是国际著名的高纯生铁，其S≤0.025%(实际S≤0.01%)，P≤0.04%，∑T≤0.07%，其中Ti≤0.01%，而Mn≤0.05%，国外广泛使用于汽车铸件。该生铁由加拿大在南非的Richards  Bay  Minerals公司生产。现国内已有经销。
2．增碳剂
      使用生铁会带来不良的遗传性和对球化的干扰。如果以废钢和回炉料为主炉料，少用或不用生铁，以增碳剂增碳生产球铁，则可免除生铁的不利影响。此时铁液洁净，球化和孕育效果好，质量稳定，球铁性能有所提高，成本亦有所降低。
      理论上，石墨质材料(如电极石墨、天然石墨、天然类石墨)和碳质材料(如焦炭、石油焦、煅烧焦、煅烧石油值)均可作为增碳剂。实际使用中，选哪种增碳剂需视球铁牌号、熔炼方法和增碳剂的品质而定。
电弧炉炼钢，在装料期加入增碳剂时，因有氧化作用和还原期的净化作用，对增碳剂的要求较低，甚至可以采用灰分高的类石墨。感应炉熔炼应选用固定碳高、硫分低、水分尽可能少的增碳剂。石墨电极碎质地纯：固定碳>99.5%，S<0.03%，N<0.001%，是最优秀的增碳剂。但亦不必一味追求用电极碎。作者对不同增碳剂作过分析和考察，若增碳剂S<0.5%，在增碳量为1%时，用煅烧石油焦或天然石墨，增硫量不会超过0.006%或0.009%。选用碳质增碳剂和天然石墨时，应特别关注其灰分、S量和N量，并防止受潮。使用天然石墨，液面浮渣多，需认真清渣。
      增碳剂的回收率，炉底装入法为60~70%，镜面加入法为75~85%。回收率随铁液温度的提高而增加，但高于平衡温度后，因部分碳消耗于(SiO2)+2C=[Si]+2CO反应，回收率又会降低。
碳的熔点为3727℃，碳原子是通过溶解和扩散方式进入铁液的。因此，增碳剂的粒度和溶池的搅拌力度对于增碳过程十分重要。
二、脱硫
      冲天炉熔炼受焦炭的影响，铁液含硫较高，一般在0.06~0.10%。硫高不仅要多加球化剂  ，还影响球化的稳定性，易生硫化夹杂物缺陷，致使铸件成本增加。因此，工业发达国家生产球铁一律采用脱硫工艺，要求脱硫后S≤0.01%。在我国当前条件下，目标位为S≤0.02%。
      二十世纪六十年代至八十年代，我国脱硫方法主要为炉内用电石(炉后加或风口喷)以及炉前加碱面。进入九十年代，有两种比较突出的倾向，一是由于焦炭质量的改善，以及热送风的重视，利用高炉温，适当将炉渣碱度提高至0.6~0.9，依靠CaO进行炉内脱硫；二是由于复合脱硫剂的开发和商品化，气动脱硫逐渐得到推广。
气动脱硫法以氮气为气动源。氮气通过浇包或座包底部的多孔塞，搅动铁液，使铁液与撒在其表面的脱硫剂不断改变接触界面，加速脱硫的物理化学进程。气动脱硫多为浇包间断处理。而在大量流水生产的车间，则常在冲天炉和前炉之间设一带多孔塞的茶壶式座包，对流经的铁液进行连续脱硫。由冲天炉而来的铁液，如设计成切向流入座包的方式，可增加旋转搅动，脱硫效果更佳。为便于浮渣从座包侧面溢出，多孔塞应安装在偏离座包中心线的另一方。铁液脱硫都会降温，一般单包处理温降为50~80℃，座包处理温降为20~40℃。在双联车间，可借感应炉提温以补偿脱硫的温度损失。
喷射脱硫法的脱硫效果比多孔塞气动脱硫法好，但温降大，因此该法不适于处理1吨以下的铁液。
      脱硫剂分为CaC2系和CaO系两大类。CaC2脱硫能力强，但价格贵，处理温度高。CaC2遇水会产生可燃气体乙炔。有碍于运输和保管，CaC2系脱硫剂应用较少。CaO的脱硫能力比CaC2差，经钝化处理的活性CaO配以CaF2等添加剂制成复合脱硫剂，不易返潮、熔融温度低、脱硫能力与CaC2基本相当，气动脱硫的脱硫率为60~90%。产量不大的车间，包内冲入法处理应采用低熔点复合脱硫剂，其脱硫率为30~50%。脱硫率与脱硫剂的品质、加入量和粒度，供气压力和供气时间，铁液温度，以及铁液的含硫量等因素有关，上述脱硫范围仅供参考。
为保证处理时CaO系脱硫剂处于良好的熔融状态，铁液温度应高于1450℃。
感应炉单熔车间，硫一般为0.03~0.05%，为进一步降硫，可以在炉内或包内脱硫。炉内脱硫，温度条件好，但电磁搅拌力度不如气动搅拌大。为减少碱性脱硫熔渣对酸性炉衬的损害，处理后，应尽快除渣，或者制作一个直径小于炉径的耐火圈，将加入圈内的脱硫剂  与炉衬相隔。
三、球化处理•孕育处理
1．球化处理
      我国球化处理以包内冲入法为主。在选择稀土镁球化剂时，一般先根据铁液处理温度的高低确定球化元素Mg的含量，铁液温度高取低值，反之取高值。过高的Mg量，球化反应激烈，球化不易稳定；过低的Mg量，球化剂加入量多，会增加处理成本。一般，感应炉车间Mg量多取5~6%，少数至7%；冲天炉车间取Mg7~9%。RE是异常活泼的元素，能脱氧脱硫净化铁液，有中和球化干扰元素的作用。RE的使用改善了铁液铸造性，减少了缩松、夹杂和皮下气孔等缺陷出现的几率。RE本身的球化作用不大，RE对球化的贡献主要是为Mg扫清障碍，有RE存在时，Mg的用量可以减少。不过，RE也有负面影响，例如残余RE过多会降低球化级别；在厚大铸件中有出现厚片状石墨的倾向。所以球化剂中的RE含量应有节制，对感应炉铁液，RE1~3%即可；对冲天炉铁液，根据其含硫量和氧化程度的不同，RE在4~7%之间。在任何情况下，球化剂中的RE量应少于Mg量的2~4%。球化剂中有时配有Ba和Ca。Ba与Si的配合，可使球化剂发挥出一定的自孕育作用。Ca及Ba与Mg的复合，有利于缓和球化反应，改善作业条件，并提高Mg的回收率。少量的Ca、Ba也有一定的脱氧脱硫效果。
球化剂品质中不可忽视成分误差、MgO含量、偏析程度、断口状况和粒度的集中性。JB/T9228－1999标准规定，Mg及RE的成分误差过宽，为±1%，有的厂家已控制在±0.5%，甚至±0.2%。上述标准规定MgO≤1%，有的厂家Mg可≤0.7%，甚至保证MgO≤0.5%。凡是粒度不匀、粉末多、白色附着物(铸锭表面MgO)多、断口色泽灰暗有异状的球化剂不是好球化剂，不应采用。
球化剂长期存放与空气接触后，会削弱球化效果。因此，球化剂库存量不宜多，存放要注意防潮。
      原则上，只要掌握好铁液的化学成分和孕育环节，采用上述球化剂即可生产铸态球铁。但亦有工厂采用铸态球铁用球化剂。一般，在铸态铁素体球化剂中含有Ba和Bi；在铸态珠光体球化剂中含有Ba和Sb，但对于QT700-2以上的保安件，不推荐使用含Sb球化剂，此时应由Cu、Mo等来控制基体。必须指出，不管是否采用铸态球化剂，孕育永远是不可忽视的重要环节。
厚壁球铁件，容易发生球化衰退和石墨畸变。重稀土Y有一定的球化作用，特别是抗球化衰退性极强。但单靠Y基重稀土去球化，其加入量很大，而且爆发性很差。因此，厚壁球铁件用Y基重稀土含Mg球化剂。重稀土与轻稀土一样有抑制球化干扰元素作用。与轻稀土相比，Y残余量的多寡对白口化倾向的影响则表现得并不敏感。Y基重稀土镁球化剂中Mg和RE含量的选择，与前述(轻)稀土镁球化剂相同。Y基重稀土镁球化剂除了用于厚壁球铁件外，在大批量生产流水线上，气压保温浇注条件下使用也是有益的。据测试，1300~1400℃保温1小时，球化效果并无明显的影响。必须指出，为了防止球化衰退和石墨畸变，除采用含Y球化剂外，还应当调低Si量，采取增加石墨球数，细化石墨球径等工艺措施。
      盖包处理法大大减少了处理的烟光污染，是一种节省球化剂、保证球化质量的简便工艺，值得推广。受钢液喂丝技术的启发，近年喂丝球化法开始流行。该法可精确控制残余镁量，具有球化质量稳定、渣量少、降温少、污染少和处理参数自动可控的优点。喂丝法综合成本比冲入法低20%左右。目前国内已有多家企业成套供应喂丝机和包芯线。球化包芯线外皮为0.3mm厚的冷轧钢皮，芯材一般含Mg为25~30%,并复合有Ca、Ba、(RE)等多种成分。
      球化处理中产生了大量非金属夹杂物，球化处理完毕要精心用优质除渣剂清渣－复盖。优质除渣剂撒于液面能迅速散布，覆盖整个液面，具有聚渣和保温双重效能。它的熔融温度和物化性状适当，既有利于聚渣保温，又不粘浇包，可用棍将渣层整体挑出，清渣方便利索。符合以上要求的除渣剂，一般由优选的天然矿物经加工而成，也有的系人工复配而得。
2．孕育处理
      孕育处理十分重要，它在球铁生产中承担着细化石墨保证石墨圆整度，防止出现自由渗碳体和弱化晶界脆性物影响等的多项任务。
球化处理后，铁液的过冷度相当大，孕育非常必要，也是非常有效的。球铁广泛采用高效和长效的硅系孕育剂，这类孕育剂中复合有Ba、Ca、Sr、Zr、RE和Al等元素中的两种或多种。这些硅系元素都有强化孕育增加石墨核心的作用；Ba、Ca、Ba－Ca、Sr有较强的抗孕育衰退能力，而RE及Zr抗衰退能力较弱。在孕育剂或球化剂中，Bi与RE共存，能显著增加石墨球数，促进形成铁素体基体，能大大减少薄壁球铁件的白口倾向。从O、S是石墨球核心的必要元素这一观点出发，一种含Ca、Ce、O、S的专用孕育剂适用于低硫铁液和厚壁球铁铸件。
球化处理后的铁液，其S量低。在低硫铁液中，孕育产生石墨核心的同时，发生的石墨溶解过程很快，铁液容易衰退。因此，球铁进行出铁槽孕育是不合适的。由各种形式的后孕育取代出铁槽孕育和大包包底孕育是孕育方法发展的大趋势。后孕育要讲究孕育剂粒度大小和粒度的均匀性，特别是随流孕育和喷射孕育时，粒度偏大，熔吸不良将在铸件中产生硬点和硅偏析。当采用高效孕育剂时，切忌孕育过量，以防缩孔、气孔和石墨偏聚现象的发生。