大型沖天爐-電爐雙聯熔煉生產高強度灰鑄鐵過程控制

孫長偉，李孝艷，孫帆，孫業弟

1.濰柴(濰坊)材料成型制造中心有限公司 山東濰坊 261100

2.濰柴動力股份有限公司 山東濰坊 261061

1 序言

濰柴(濰坊)材料成型制造中心有限公司鑄造二期采用沖天爐-電爐雙聯熔煉工藝熔煉鐵液生產鑄鐵件。熔煉設備為一臺KKG公司熔化速率為35t/h的熱風富氧水冷長爐齡沖天爐。沖天爐熔煉過程相對復雜，熔煉鐵液成分波動較大，存在偏離工藝要求的情況，無法直接用于澆注生產。因此，配備了2臺80t有芯保溫電爐，用于儲存鐵液和調節鐵液成分。沖天爐熔煉鐵液倒入電爐，在電爐中保溫并成分均勻化。由雙聯熔煉獲得的優質鐵液供應2條造型線，生產材質為HT250、HT300柴油發動機關鍵零部件氣缸體和氣缸蓋。獲得優質鐵液需要細致、標準、嚴格的熔煉過程控制。原鐵液溫度和成分波動范圍見表1。

表1 原鐵液溫度和成分波動范圍

2 爐料質量控制及爐料配比

沖天爐熔煉使用廢鋼、回爐料、生鐵、硅鐵、錳硅合金、焦炭及石灰石等，爐料品質直接決定熔煉鐵液的質量，從而影響最終產品即高強度灰鑄鐵件的品質。因此若要控制鐵液質量，就要首先控制爐料質量。

2.1 廢鋼

廢鋼是占比最大的爐料，其比例往往超過50%，廢鋼中雜質元素含量少，氣體含量低，因此提高爐料中廢鋼比例是獲得高性能、質量穩定的灰鑄鐵的關鍵[1]。在生產中，采用來源單一廢鋼或區分廢鋼品類是控制廢鋼質量的有效手段。我公司鑄件產量大，高產期間廢鋼需求約15000t/月。廢鋼來源復雜，實現來源控制和分類難以實現，為了控制廢鋼質量，制定了技術要求，通過檢測實現對廢鋼的質量控制。

廢鋼使用碳素鋼或低合金結構鋼，微量元素含量要求≤0.6%，廢鋼中不得混有高合金鋼、導軌鋼、螺紋鋼等。廢鋼中少量的合金鋼，如少量高鉻、高錳廢鋼就會對原鐵液Cr、Mn含量造成巨大的波動，因此使用手持光譜儀對廢鋼合金含量進行嚴格的抽查檢測，當發現Cr、Mn等元素含量高的廢鋼時，應單獨存放并多批次少量使用，可避免引起鐵液成分發生較大波動，從而影響鐵液質量。

2.2 生鐵

在生產實踐中，往往會遇到更換爐料后，雖然鐵液的主要化學成分不變，但鑄鐵的組織（石墨化程度、白口傾向以及石墨形態甚至基體組織）都會發生變化，爐料與鑄鐵組織之間的這種關系，通常用鑄鐵的遺傳性來解釋[1]。提高鐵液出爐溫度及增加廢鋼用量，均有利于消除生鐵遺傳性的影響。

我國鑄鐵熔煉發展初期，通過加入大比例的生鐵來調節鐵液的C含量，加入比例在20%以上，由于生鐵中含有原生的粗大石墨，這種粗大的石墨具有遺傳性，石墨熔點達3000℃以上，在沖天爐熔煉過程中不能完全熔盡，在結晶過程中會使鑄件中石墨形態變得粗大[2，3]。因此，在高強度灰鑄鐵生產中，要避免生鐵的不良組織遺傳到鑄鐵組織中。另外，還要注意生鐵中微量元素對灰鑄鐵的影響，微量元素中的Pb、Ti可降低鑄件抗拉強度且對鑄件切削加工性能有不利影響，生鐵中的微量元素≤0.1%為最好。我廠生鐵要求wPb≤0.002%、wTi≤0.06%。同時P、S作為有害元素需加以控制，要求wP≤0.07%、wS≤0.03%。

有相關研究認為，當熔煉鐵液溫度＞1450℃時，生鐵遺傳性減輕[3]，生鐵遺傳性在熔煉設備相對落后（鐵液溫度提升困難）的情況下比較嚴重，而當前鐵液溫度普遍超過1500℃，加之生鐵用量很少，因此遺傳性影響較小。我公司沖天爐熔煉出爐鐵液溫度普遍在1530～1540℃，考慮到分渣器的降溫作用，實際熔煉鐵液溫度應該更高，且在多年生產實踐中也沒有發現明顯的組織異常。因此，筆者認為，鐵液出爐溫度達到1500℃后能夠有效保證鐵液品質。

2.3 回爐料、硅鐵和錳硅合金

回爐料多為鑄件氣眼針、澆冒口、澆道及報廢鑄件，因此必須注意來料潔凈度，不得有嚴重的銹蝕、油污或泥沙混雜。表面潔凈的回爐料能夠減少渣量，由于生產條件限制，我公司沖天爐熔煉主要使用未經拋丸處理的回爐料，爐渣比例達0.6%。

廢鋼、生鐵、回爐料中的wSi≈0.8%，達不到工藝要求，硅鐵及錳硅合金在熔煉中用于調整Si、Mn含量，我公司使用75硅鐵，要求wSi≥72%，燒損率約34%；錳硅合金要求wMn≥65%，燒損率約27%。Si的來源主要是回爐料和硅鐵。Mn含量控制要注意高錳廢鋼的影響，及時調整錳硅合金加入量。

2.4 焦炭

焦炭在沖天爐熔煉中不僅提供熱源，同時也是鐵液中碳元素的重要來源，對鐵液溫度及成分有重要影響。焦炭的化學組成包括固定碳、灰分、水分、硫分和揮發分等，其中固定碳是主要成分；灰分是指焦炭燃燒后的殘留物，是有害雜質，主要是Si2O3、Al2O3、CaO及MgO等氧化物；焦炭中水分一般為3%～5%，要力求水分穩定；鐵液中的硫主要來源于焦炭，焦炭中的硫分含量對鐵液成分影響巨大，灰鑄鐵一般要求wS＝0.05%～0.15%，過高或過低的硫分都會導致鐵液S含量不能滿足要求，我公司采購的焦炭wS＝0.5%～0.6%，熔化鐵液wS＝0.06%～0.09%，當wS＜0.5%時，鐵液wS＜0.06%的風險加大；揮發分可以用來判斷焦炭成熟度，揮發分＞1.5%時為生焦，鑄造焦要求揮發分≤1.5%。沖天爐熔煉使用的鑄造焦，應符合灰分少、強度高和反應性低的要求。在實際生產中，必須嚴格控制焦炭固定碳≥85%，灰分≤10%、水分≤8%、硫分≤0.6%。

焦炭強度對焦耗影響巨大，因此必須控制轉鼓強度（M40≥91%）、落下強度（≥88%）。焦炭從出廠開始經過裝車、卸車、轉運、投料、稱重及加料等眾多磨損或掉落環節，若強度不足，則在運轉過程中就會變成焦炭末，加入爐內無法產生有效作用。有研究表明，焦炭在緊鄰加料口位置，焦炭尺寸減小了約12%，是機械分解（即磨損和機械破碎）導致的，且尺寸減小會降低熔化效率，過小的焦炭顆粒還會因進入引風系統浪費掉而不產生任何有效作用[4]。鑄造廠應將焦炭強度作為與水分、灰分一樣重要的指標進行監控。氣孔率（≤45%）會影響焦炭的反應性和強度，若氣孔率高，則其反應性強，此種焦炭不耐燒，雖然鐵液溫度高，但增碳效果差。

沖天爐熔煉鐵液成本中焦炭占比超過90%，造成鑄造企業降成本壓力大，因此尋找替代材料或降低消耗是鑄造從業者關注的重點。由于型焦使用的原材料來源廣泛、成本相對較低，且目前國內大廠已經攻克相關技術難題，因此型焦在沖天爐熔煉中正在逐步得到推廣應用，能夠有效降低熔煉成本。

2.5 石灰石

石灰石作為溶劑在沖天爐熔煉中起造渣作用，主要成分為CaCO3，其受熱分解成CaO和CO2，CaO與爐內雜質反應生成低熔點化合物。爐渣來源于焦炭燃燒后的灰分（SiO2、Al2O3）、爐襯材料、爐料表面的泥沙及金屬料表面的氧化物等。

石灰石加入量要使爐渣有足夠的流動性。適量的石灰石形成的爐渣顏色呈現黃綠色，其顏色越黑，鐵液氧化越嚴重。我公司石灰石加入量占層焦量的24%，占層鐵量的3.6%，爐渣黃綠泛黑，渣中含鐵量約為1%。將爐渣破碎觀察粉末顏色能夠粗略判斷渣中含鐵量。在生產中，千萬不要忽視石灰石的作用，可以通過外觀判斷石灰石質量。當石灰石中CaO含量低時，會導致爐內產生大量雜質，爐渣流動性差，爐內渣層升高，導致出現重大安全風險。我公司規定石灰石中wCaO≥40%。

2.6 爐料配比

制定金屬料配比時，要保證足夠高的廢鋼比例，以提高鑄件的力學性能，也要充分消化內部回爐料，可用生鐵來調整爐料C含量。層焦量以滿足鐵液溫度和成分要求為準。硅鐵和錳硅合金加入量以滿足Si、Mn成分要求為準，石灰石加入量要滿足造渣需要。我公司使用大比例廢鋼而不使用生鐵，主要利用焦炭滲碳進行增碳，增碳系數達到150%，通過這種方式滲入到鐵液中的碳最終形成的石墨形態優良，這可極大地提高鑄件的性能，能夠保證穩定生產HT300高牌號灰鑄鐵。爐料配比見表2。

表2 沖天爐熔煉爐料配比（質量分數）（%）

3 沖天爐熔煉過程控制

3.1 原鐵液化學成分及質量控制

鐵液質量控制主要是化學成分和出爐溫度?；瘜W成分決定鑄件金相組織，從而影響力學性能，原鐵液成分包括C、Si、Mn、S、P、Cu、Cr、Sn、Ni、Mo及Ti等，其中C、Si、Mn及S是沖天爐熔煉過程主要控制對象。沖天爐熔煉鐵液出爐溫度可達1500～1570℃，有利于穩定化學成分，消除生鐵遺傳性，使成分均勻化，提升鐵液質量。

原鐵液C、Si含量波動范圍越小，鑄件質量越穩定，可通過調整風量、富氧量、層焦量、層硅鐵量等參數來減小C、Si含量波動?？刂艭、Si含量波動：ΔwC≤±0.05%，ΔwSi≤±0.1%，并力求盡可能小。Mn被認為是合金化元素，適量的Mn可以提高鑄件強度和硬度。一定量的S可以有效改善鑄件切削性能，過高的S含量則會使鑄件石墨形態惡化，因此鐵液S含量不宜過低或過高?；诣T鐵中Mn與S結合生成化合物MnS，中和S需要的Mn量采用式（1）計算。過量的Mn和S才能單獨起作用。一般認為應該有一定的過量Mn，多見使用過量0.3%甚至更高的過量Mn。對于過量Mn含量鑄造工作者做了很多研究，鑄造廠最好根據自身工藝及生產條件研究合適的Mn與S配比。我公司確定的原鐵液化學成分要求見表3。

表3 原鐵液化學成分（質量分數）（%）

3.2 熔煉控制要點

沖天爐熔煉標準作業對熔煉安全、鐵液溫度和成分穩定影響巨大，下文簡要介紹沖天爐熔煉操作控制要點。

（1）熔煉前準備 維修后首次開爐要烘烤出鐵口、分渣器、出鐵槽至紅熱狀態，保證鐵液出爐后流動順暢。熔化前吹爐20～35min，使焦炭充分燃燒并將雜質吹出爐體，檢查過橋處應有明火吹出。加入焦炭測量底焦高度到0.9～1.4m，首次開爐控制在1.2～1.4m，正常運行時控制在0.9～1.1m即可。合理控制裝爐底焦及運行底焦高度可保證沖天爐穩定運行[5]。

（2）配料、裝料 按照配料通知單進行配料設置。沖天爐每批料3t，滿爐裝料約22批次，裝料15批以上后才能開風熔化，正常生產時盡量保證滿爐運行。

（3）熔化 開始熔化時富氧300m3/h，提高鐵液出爐溫度，富氧30min，出鐵后停止富氧。一般15～35min出鐵。爐渣液面上升至出渣口上沿后打開出渣口。每20min用熱分析儀檢測CE、C和Si。熱分析檢測結果能夠及時反應爐況變化，有助于預判調整爐料配比。每1h取樣，用碳硫儀分析C、S，用直讀光譜儀分析Si、Mn及其他元素，用于校準熱分析儀和監控鐵液成分變化。每1h測量一次鐵液溫度。

鐵液成分波動時，通過減少風量或富氧來提高C、Si含量，通過增大風量或停止富氧來降低C、Si含量。當鐵液溫度低時，富氧可以快速提高溫度。當通過風量、富氧無法調整到預期成分時，要及時調整層焦量和層硅鐵量，因滿爐爐料60t以上，所以爐料配比調整影響到鐵液成分則需要2h，因此需要提前進行預判調整。我公司固定層鐵量通過調整層焦量和層硅鐵量來調整成分。適時調整層焦量或補充接力焦來控制運行底焦高度，保證穩定的運行底焦高度和爐料下行的速度，保證鐵液溫度和成分穩定。大比例調整層焦量時要注意對Si、Mn燒損的影響。

4 鐵液處理及鑄件性能

4.1 孕育處理

孕育處理是借助孕育劑改變鐵液的冶金狀態，良好的孕育能夠促進石墨化，減少白口傾向，改善斷面均勻性，可使灰鑄鐵獲得細小均勻的A型石墨，改善鑄件力學性能及加工性能。孕育劑和孕育方式的選擇會極大地影響孕育效果，我公司采用兩次隨流方式進行孕育處理，一次出鐵時隨流使用硅鋇孕育劑，孕育量0.2%～0.5%，二次澆注時隨流使用硅鋯孕育劑，孕育量0.06%～0.08%。硅鋇孕育劑抗衰退能力強，能夠明顯地改善鑄件壁厚敏感性及石墨的形態和分布，相比硅鍶孕育劑能夠明顯細化共晶團，顯著提升力學性能，缺點是縮孔、縮松傾向大。硅鋯孕育劑低溫下易于熔解，沖天爐熔煉鐵液N含量在80～100ppm（1ppm＝10－6），遠高于中頻感應電爐熔煉鐵液N含量40～60ppm，容易產生氮氣孔缺陷，孕育劑中的鋯能夠中和鐵液中的N，減少氮氣孔風險。

4.2 合金化處理

獲得高強度灰鑄鐵，需要選擇合適的碳當量，使鐵液凝固時獲得更多的初生奧氏體枝晶，并需要通過良好的孕育處理來獲得細小均勻的A型石墨，減輕石墨對基體的割裂作用。另外，還需要奧氏體在共析轉變時全部轉變為細小珠光體，合金能夠細化晶粒并促進生成珠光體。合金化是生產高強度灰鑄鐵的有效途徑。我公司HT300牌號鑄鐵使用Cu-Cr-Sn-Mo進行合金化，一般wCu＝0.5%～0.7%，wCr＝0.20%～0.35%，wSn＝0.03%～0.06%，wMo＝0.10%～0.25%。

4.3 鑄件性能

檢測一種HT300鑄件本體，其理化分析結果見表4、金相組織如圖1所示。從表4、圖1可看出，抗拉強度能夠達到270MPa以上，珠光體含量98%以上，石墨形態為A型，石墨片長4級。

圖1 鑄件金相組織

表4 鑄件理化分析結果

5 結束語

沖天爐熔煉鐵液后，倒入感應電爐中進行保溫及成分均勻化的雙聯熔煉工藝，既保證了鐵液質量，又能儲存鐵液應對非正常停機，此種熔煉方式特別適合鐵液需求量大的鑄造廠進行大批量連續生產。保證鐵液質量要嚴格管控爐料質量和熔煉過程，源頭管控和過程管控缺一不可。通過沖天爐-電爐雙聯熔煉的原鐵液生產質量控制，輔以適當的孕育和合金化處理，能夠穩定地生產高強度灰鑄鐵。