吳荷生，吳玉彬

(哈爾濱科德威冶金股份有限公司，哈爾濱 150070)

喂線技術(shù)已問世近40年，成為當(dāng)今世界最好的，提高金屬性能加入添加劑(包括金屬，合金，元素，甚至納米材料)的工藝。在煉鋼生產(chǎn)方面，用的最為廣泛的是用以進(jìn)行脫氧，脫硫，合金化或微合金化，成分微調(diào)，夾雜物變質(zhì)處理(包括防止水口堵塞在內(nèi))。在鑄鐵生產(chǎn)方面，主要用以進(jìn)行鐵液的脫硫，球化和孕育處理以及對鎂、稀土等元素實(shí)時(shí)微調(diào)。如今，喂線技術(shù)在煉鋼流程當(dāng)中已成為一種定式，成為在球鐵的處理及蠕鐵生產(chǎn)中一種必不可少的可靠工藝。

1 工藝原理

在煉鋼中，喂線技術(shù)進(jìn)行Ca處理是最基本、最普遍的措施，進(jìn)行Ca處理的目的是為了消除氧化鋁和硫元素對鋼的性能的負(fù)面影響。進(jìn)行Ca處理的冶金原理如下：

2Al+3[O]=Al2O3

(1)

如方程(1)所表達(dá)的那樣，用鋁進(jìn)行鋼的脫氧，會在鋼液中留下大量尖角狀和鏈條狀的固態(tài)氧化鋁夾雜(即把氣態(tài)夾雜變成了固體夾雜)。

在Ca的作用下，鋼液中會發(fā)生如下反應(yīng)：

Ca+[O]=CaO

(2)

Ca+[S]=CaS

(3)

鋼液中Mn會通過反應(yīng)(4)和(5)

Mn+[S]=MnS

(4)

或

(Ca,Mn)+[S]=(Ca,Mn)S

(5)

生成硫化物或復(fù)合硫化物，消除在凝固過程中，因硫或硫化物在晶界析出造成鋼的特有缺陷，及在塑性加工(尤其是熱加工中)，因其沿長度的生長而造成成品機(jī)械性能的不均勻性。

Ca的脫氧產(chǎn)品，會通過下列反應(yīng)

X CaO+YAl2O3=XCaO·Y Al2O3

(6)

而生成各種Ca的鋁酸鹽。當(dāng)X=12，Y=7時(shí)，這種鈣鋁酸鹽不僅是球形的，而且在煉鋼溫度下是液態(tài)的。由于其密度比鋼小得多，因而會成為熔渣而脫離鋼液。從改變氧化鋁夾雜的形態(tài)，減少其在鋼液中的數(shù)量，避免因其在定徑水口上的吸附和沉積而導(dǎo)致水口堵塞。

圖1 CaO-Al2O3二元系統(tǒng)

在鑄鐵生產(chǎn)中，喂線技術(shù)主要用來進(jìn)行Mg處理(脫硫和碳的石漠化)和孕育處理(形核)。在Mg處理過程中，將發(fā)生如下一系列基本反應(yīng)：

Mg+[O]=MgO
Mg+[S]=MgS
RE+[O]=REO
RE+[S]=RES
FeSiMg→[Mg]+FeSiO3

Mg→[Mg]

等等……

在孕育過程中，將發(fā)生

[Mg]+[O]=MgO
[Mg]+[S]=MgS

M+[S]→MS

M+[O]→MO

其中,M代表Ca，Ba，Al，RE，Mn等元素

2[C]+[Si]=SiC2

等等反應(yīng)。

這些反應(yīng)的產(chǎn)物，在不同程度上，都將起石墨在其上沉淀的晶核作用。

2 喂線工藝的基本理論

理論基礎(chǔ)

L線=(Δs×0.75+Mg殘)Qη×q×T1450

其中L線-欲喂入被處理鐵液的包芯線長度，m；

ΔS-原始硫S始和終硫S終之差，%；

0.75-S與Mg的原子量之比；

Mg殘-殘余Mg量，%；

Q-被處理鐵液的重量，kg

η-Mg的回收率，%；

q-每米長度包芯線的粉芯重量， g/m;

T/1 450℃-鐵液的相對處理溫度，℃

從該公式可知L線是ΔS，Mg殘，Q，η，q和T 的函數(shù)，即L線=f(ΔS，Mg殘，Q，η，q，T)，而

V = f(Q，d, δ, T, q)

其中 V-喂線速度，m/min;Q-被處理鐵液的重量，kg; d-包芯線的直徑，mm; δ- 包芯線用鋼帶厚度，mm;T-鐵液處理溫度，℃； q-每米長度包芯線的粉芯重量， g/m;

當(dāng)所用處理包的幾何尺寸，所用的包芯線的直徑和種類一定時(shí)，該公式可以簡化為V=kQT/1 450或V=kDT/1 450, 其中 Q是被處理熔融金屬的重量(也即熔融金屬的深度D)。

3 理論要點(diǎn)

(1)喂線速度是決定喂線處理過程能否取得預(yù)想結(jié)果的關(guān)鍵因速；

圖2 包芯線的最佳喂入速度

(2)當(dāng)處理包的尺寸和所裝入的熔融金屬量一定時(shí)，一種包芯線只有一個(gè)最佳速度，并可近似的簡化為

V=kD

式中 V-最佳喂線速度，m/min；D-熔融金屬的真實(shí)深度，mm; k-速度修正常數(shù)。

(3)最佳喂線速度與被處理熔融金屬的溫度關(guān)系不大；

圖3 鋼帶在鐵液和鋼液中熔化速度

(4)鐵液或鋼液的處理溫度直接關(guān)系著鎂或鈣的收得率；

圖4 Mg在不同溫度下的蒸汽壓

圖5 Ca在不同溫度下的蒸汽壓

(5)喂線機(jī)在最佳速度條件下的有效工作時(shí)間越長, 鈣或鎂的有效率與回收率越高；

圖6 喂線機(jī)的工作特性

(6)包芯線的入射角與高度對喂線處理結(jié)果具有不可忽視的作用；

圖7 包芯線的入射角度和導(dǎo)管關(guān)口距液面的距離的影響

(7)處理包應(yīng)有一合適的高徑比。高徑比太小不好，太大也不行，處理包的高度是有效直徑的1.2-1.5倍

圖8 處理包的合適高徑比

當(dāng)不能改變處理包的高徑比時(shí)，在鑄鐵生產(chǎn)的情況下，鐵液的最低深度不得低于500mm。

4 應(yīng)用實(shí)踐

在球鐵生產(chǎn)方面采用喂線法，可以解決用其他方法難以或解決不了的問題，它包括：

(1)小球鐵鑄件生產(chǎn)廠的回爐料的再利用問題

用沖入法生產(chǎn)微型發(fā)動機(jī)和汽車制動器之類球鐵鑄件，出品率一般都不到50%。 由于受含硅量的限制，其回爐料往往不能完全加以再利用。但改用增硅量通常僅為 0.14%-0.24%(單純球化)和0.40%-0.45%(球化+孕育)的喂線法進(jìn)行鐵水處理之后，由于鐵水的增硅量很少，因而可使回爐料在爐料中的比例由原來的0-20% 或 30% 提高到50%-70%，甚至80%，這不僅使回爐料的利用不再是問題，而且每年還能獲得從幾

十萬到幾百萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

(2)產(chǎn)品總體質(zhì)量不穩(wěn)定或不高的問題

生產(chǎn)輪轂或管件之類鑄造廠的特點(diǎn)是批量大，品種少，而工程機(jī)械之類球鐵件的鑄造廠則以品種多、批量小為特點(diǎn)。然而當(dāng)它們用沖入法進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，都不同程度地存在著殘余鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)波動較大， 產(chǎn)品總體質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。改用如照片所示的球化-孕育處理站進(jìn)之后，球鐵殘余鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只會在同一數(shù)量級的很小范圍內(nèi)(如0.002%～0.004%)變化，也使處理結(jié)果具有極好的重現(xiàn)性(見表1)。

表1 列出的是典型的檢驗(yàn)結(jié)果

另外，某專門為汽車生產(chǎn)橋殼的鑄造廠，采用沖入法時(shí)，一直存在著鐵水脫硫差，球化等級低，石墨球較大，鑄件性能不穩(wěn)定等諸多問題。喂線工藝使其產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生了巨大的改變。(見圖9的金相照片)

圖9 用兩種方法生產(chǎn)的試樣的金相照片。左：沖入法， 右：喂線法

(3)孕育衰退時(shí)有發(fā)生的問題

實(shí)際調(diào)查證明：絕大多數(shù)用沖入發(fā)生產(chǎn)球鐵的鑄造廠，基本都是用浮硅、倒包以及隨流的方法進(jìn)行孕育，都時(shí)有發(fā)生因孕育衰退而使鑄件報(bào)廢的問題。而改用能真正將孕育劑精確地加入到鐵水中的喂線法之后，孕育衰退的問題基本上都得到了克服。

圖10 典型的孕育衰退照片

圖11 用喂線法克服了孕育衰退問題的金相照片

(4)用沖天爐鐵水直接生產(chǎn)大斷面球鐵鑄件的問題

沖天爐鐵水一般都具有硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高和溫度較低這兩個(gè)特點(diǎn)。采用脫硫-球化-孕育處理站(圖21)直接對其進(jìn)行處理時(shí)，由于處理溫度可以低達(dá)1 330℃, 甚至更低，且能根據(jù)事前已知的鐵水重量準(zhǔn)確加入球化包芯線, 更能將有抗衰退作用較強(qiáng)的重稀土加入到進(jìn)行孕育處理的孕育包芯線中，以及能在鐵水處理完之后立即進(jìn)行扒渣與澆鋳(無需等待鐵液降溫)，因此，不僅可以大幅度提高鑄件的質(zhì)量，顯著降低生產(chǎn)成本，而且還可大大減輕工人的勞動強(qiáng)度，完全消除處理作業(yè)對環(huán)境的污染。

圖12 用兩種方法生產(chǎn)的高爐水冷爐壁的金相照片a 喂線法，b 沖入法

圖13 鑄件澆冒口根部試樣的金相照片，X100

(5) 提質(zhì)降耗與節(jié)能減排的問題

某大型機(jī)械軋輥有限公司用脫硫、球化和孕育喂線處理站取代沖入法生產(chǎn)離心復(fù)合軋輥輥芯之后，不僅解決了困擾企業(yè)多年的環(huán)境污染難題，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量，減少了合金消耗，簡化了處理作業(yè)，降低了生產(chǎn)成本。

(6) 大型和特大型高性能球墨鑄鐵鑄件的生產(chǎn)問題

我國某重機(jī)集團(tuán)鑄業(yè)公司建成了世界最大的、能處理 250t以上鐵水的喂線球化孕育處理站。照片示出的是該廠用喂線法生產(chǎn)的、重達(dá)90t、符合延伸率=18%，以及- 20℃低溫沖擊韌性要求的球鐵鑄件。

圖14 該鑄件不同部位的顯微組織。 左：床身 右：立柱

(7) 兆瓦級高延伸率、高低溫沖擊韌性鋳態(tài)球墨鑄鐵鑄件的生產(chǎn)問題

由于用喂線技術(shù)能精準(zhǔn)地加入球化劑和孕育劑，尤其是可以通過對孕育合金成分與加入數(shù)量的選擇而對孕育作業(yè)進(jìn)行調(diào)控，因而能夠穩(wěn)定地生產(chǎn)出球化級別為 1-2級的高延伸率和高低溫沖擊韌性鋳態(tài)鐵素體球鐵。

圖15 用喂線法生產(chǎn)的風(fēng)電組件的金相照片

(8) 厚大斷面球鐵鑄造件生產(chǎn)成本高, 環(huán)境污染嚴(yán)重和工人勞動強(qiáng)度大等問題

某港資鑄造廠就是用如下所示的球化-孕育處理站解決上述問題的。使用結(jié)果表明：處理成

本遠(yuǎn)低于沖入法，質(zhì)量遠(yuǎn)高于檢測標(biāo)準(zhǔn)。環(huán)境遠(yuǎn)好于老工藝

表2金相檢測結(jié)果

球化率(全稅野法·ISO)Full·Scanning

石墨平均尺寸Average Size最大石墨尺寸Max.Size(um)最小石墨尺寸Min.Size(um)球狀石墨尺總數(shù)Total Counts45.5473.5021.0061/mm2球化率(Nodularity Rating)92.86%

直圓度平均值(Mean Value of Soheroidal Ratio): 0.75

圖16 澆鑄結(jié)果時(shí)試樣的金相照片

(9) 用10t“一拖二”的中頻感應(yīng)爐生產(chǎn)重30或40t以上球鐵鑄件的問題

為了提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，許多裝備有20t級喂線處理站的鑄造廠得益于喂線技術(shù)，用10t熔煉爐成功地生產(chǎn)30t，45t，甚至60t的球鐵鑄件，在不用增加熔煉設(shè)備的條件下，承接了社會上對大噸位、多品種、小批量、高附加值的球鐵鑄件的訂貨，既擴(kuò)大了業(yè)務(wù)范圍，又給企業(yè)創(chuàng)造了豐厚的利潤。

(10) 用含硫量高達(dá)0.098%的沖天爐鐵水直接生產(chǎn)球鐵鑄件的問題

某鑄造廠為用硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá) 0.098%的沖天爐鐵水生產(chǎn)球鐵，曾在工藝條件下進(jìn)行了直接用喂線技術(shù)對高硫鐵水一步完成了如下結(jié)果的脫硫，球化和孕育的處理。試驗(yàn)證明：這是一個(gè)很有前途的措施。

表3 沖天爐高硫鐵液的脫硫，球化和孕育結(jié)果

5 在蠕鐵生產(chǎn)方面

(1)理論基礎(chǔ)

鑄鐵是介于灰鐵和球鐵之間的一種鑄鐵，它們之間用石墨形態(tài)加以區(qū)分。如圖17所示，灰鐵的特征是石墨片為任意方向的，而球鐵中的石墨是成許多單個(gè)球存在的。CGI中的石墨顆粒是任意方向的，而且如在灰鐵中那樣是細(xì)長的，但是它們比較短，比較厚，并且邊緣是圓形的。這三種石墨的差別，從圖18可能看的更清楚。

圖17 灰鐵，蠕鐵和球鐵用石墨顆粒的形狀進(jìn)行區(qū)別

圖18 深度腐蝕后三種石墨的三維電子掃描顯微照片

因此，就最重要的機(jī)械，物理和使用性能而言，CG鐵與經(jīng)過孕育的FG鐵和鐵素體NG鐵相比，可按如下升序進(jìn)行排列：

抗拉強(qiáng)度-FG，VG，NG；

延伸率(延展性)-FG，VG，NG;

彈性極限應(yīng)力-G，VG，NG;

疲勞強(qiáng)度-FG，VG，NG;

彈性模數(shù)-FG，VG，NG;

布氏硬度-同一金屬基體差不多；

減震能力-NG，VG，F(xiàn)G；

熱膨脹系數(shù)-差不多

導(dǎo)熱率-NG，VG，F(xiàn)G；

抗高溫氧化作用-FG，VG，NG；

抗熱疲勞性(抗沖擊性)-NG，VG，F(xiàn)G。

所以，蠕墨鑄鐵是一種處于高性能孕育灰鐵和球墨鑄鐵之間位置的極好工程材料。

CGI存在一個(gè)穩(wěn)定的Mg范圍(見圖19)，看上去這個(gè)范圍具有0.012%Mg(0.008-0.020%Mg)的跨度，實(shí)質(zhì)上，由于爐料成分，溫度以及鑄件斷面大小等等的不同，這個(gè)跨度僅為0.006%Mg，甚至更窄(0.004%Mg)。這也就是為何難以進(jìn)行大批量，高質(zhì)量，幾何形狀復(fù)雜CGI鑄件生產(chǎn)的主要原因。

圖19 蠕墨鑄鐵在很窄的整個(gè)Mg范圍內(nèi)是穩(wěn)定的

但是這個(gè)穩(wěn)定范圍與灰鐵突變點(diǎn)只相隔0.001%Mg。

(2)CGI的生產(chǎn)方法

幾十年來，加鈦法一直是生產(chǎn)CGI的主要方法，因?yàn)榧逾伩梢詳U(kuò)大穩(wěn)定CGL Mg的范圍，被譽(yù)為是重現(xiàn)性最好和最可靠的CGI生產(chǎn)方法，但是它有兩大阻礙這個(gè)方法廣泛應(yīng)用的限制：其一是鈦能與鐵液中的碳和氮，生成影響零部件機(jī)加的、十分堅(jiān)硬的碳化物和氮碳化物；其二是回爐料難以管理，尤其是在還生產(chǎn)球鐵件的鑄造廠。

目前，在國外比較受追捧的，是基于熱分析的Sintercast 法和OCC等方法，它們的優(yōu)點(diǎn)是：能對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬和控制，而且精度較高。缺點(diǎn)是：設(shè)備費(fèi)太高，而且還有許多讓用戶難以接受的苛刻條件和要求，并且還得用喂線法來把關(guān)，根據(jù)控制儀表的指令，實(shí)現(xiàn)Mg的粗調(diào)與精調(diào)。

據(jù)介紹，對鎂及孕育處理后的鐵液進(jìn)行再硫化的方法是一種很好的CGI生產(chǎn)方法，尤其便于習(xí)慣于生產(chǎn)球鐵的鑄造廠采用。做法：在已知鐵液化學(xué)成分的情況下，先對鐵液進(jìn)行球化和孕育處理，然后再往已經(jīng)過處理的鐵液中加硫(黃鐵礦壓塊)，讓其“消球”，從而把“球鐵”變成“蠕鐵”。據(jù)報(bào)道，蠕化率也可穩(wěn)定地達(dá)到80%以上，適合優(yōu)質(zhì)蠕鐵的。

據(jù)波蘭的一篇“用喂線法生產(chǎn)蠕鐵”論文報(bào)道，早在13年以前，波蘭的鑄造廠就已將喂線技術(shù)用于波蘭的球鐵和蠕鐵生產(chǎn)。目前，該國已有13家鑄造廠在使用喂線技術(shù)。它們當(dāng)中有的只喂一條稀土含量為2%的Mg包芯線，有的是喂一條Mg線和一條(Ca,Al)FeSi75，或FeSiCaAlSr孕育線。僅喂Mg線時(shí)，Mg的回收率為45%，Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.015～0.020%范圍內(nèi)。

用兩步處理法生產(chǎn)CGI已走完實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的程序(見圖20)。由兩步生產(chǎn)過程組成的程序是基于將處理包的鐵液倒入，被再次加熱到1 400℃以上的后處理爐時(shí)， 經(jīng)過鎂處理的鐵液所發(fā)生的二次氧化作用。在最終澆鑄過程中，包含一次用75%硅鐵孕育劑進(jìn)行的型內(nèi)孕育。經(jīng)過最終孕育后，得到的顯微組織是沒有碳化物生成的蠕墨鑄鐵。在不采用進(jìn)行機(jī)加時(shí)對工具壽命有害的鈦的條件下，試驗(yàn)得到的石墨全是蠕蟲狀的。

圖20 試驗(yàn)生產(chǎn)蠕墨鑄鐵的示意圖

(3)直接蠕化方法：

以RE為主，Mg為輔的直接喂線處理法：充分利用RE平衡雜質(zhì)元素，脫氧，脫硫，以及促進(jìn)Mg使石墨蠕化和球化的作用，并借助Mg的反應(yīng)動力學(xué)，確保全Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在欲命中的目標(biāo)值上，以及使RE很好地分散在鐵液中。最后，用FeSi進(jìn)行孕育(不是為了形核，而是為了增硅以增強(qiáng)石墨化)，從而得到優(yōu)質(zhì)蠕墨鑄鐵。該方法的優(yōu)點(diǎn)

是，Mg的命中率高，RE分散好，蠕化效果穩(wěn)定。缺點(diǎn)是：手續(xù)較復(fù)雜。

直接蠕化法的要點(diǎn)：

①不用像Sintercast那樣的過程控制設(shè)備和樣杯去模擬和測定CGI的Mg穩(wěn)定范圍及其真實(shí)跨度。不再進(jìn)行Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的粗調(diào)和精調(diào)。

②直接采用喂線法使Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)入0.013%～0.017%Mg的跨度范圍；

③做到7個(gè)基本穩(wěn)定：原料來源與配比穩(wěn)定；爐料熔化過程操作與控制穩(wěn)定；鐵液過熱溫度與時(shí)間穩(wěn)定；鐵液出爐成分與溫度穩(wěn)定；喂線處理過程穩(wěn)定；澆鑄溫度與操作穩(wěn)定；取樣法國法與位置，以及處理方法穩(wěn)定。

④用高精度、高新性能喂線設(shè)備以及與處理量相配優(yōu)質(zhì)包芯線來保證蠕化工藝的正確實(shí)施：a采用高計(jì)數(shù)精度和高性能的立式喂線機(jī)(長度絕對誤差<30mm, 喂線速度相對誤差<5%)；b采用帶數(shù)學(xué)模型的、自動生成喂線參數(shù)(喂線長度，喂線速度，鐵液補(bǔ)Si量等)的控制儀表；c采用本公司精心生產(chǎn)的(與處理規(guī)模與調(diào)節(jié)精度相匹配的)Φ10 mm Mg 線，RE線；d采用本公司根據(jù)用戶現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)計(jì)的具有高可靠性的喂線處理站。

6 結(jié)語

(1)喂線技術(shù)是目前最好的往金屬溶液中加入各種添加劑的技術(shù)，它不僅可以在鋼鐵企業(yè)用以進(jìn)行脫氧，脫硫，合金化和微合金化，成分微調(diào)和變質(zhì)處理，而且在鑄造企業(yè)用以進(jìn)行脫硫，球化和孕育以及其他處理；解決用其他方法難以或無法解決的生產(chǎn)問題。

(2)和其他事物一樣，喂線技術(shù)也有其自身的客觀規(guī)律，只有遵守它的這個(gè)規(guī)律，才能用好它和駕馭它；憑想象和主觀臆斷，是用不好這項(xiàng)技術(shù)的。

(3)用喂線技術(shù)生產(chǎn)蠕鐵是當(dāng)前的熱門課題之一，我公司研制成功了不用昂貴的外國設(shè)備，直接用喂線技術(shù)生產(chǎn)蠕鐵的處理站，控制儀表(包括數(shù)學(xué)模型)和與之配套的包芯線和喂線工藝。

(4)本文簡要介紹的其他生產(chǎn)蠕鐵的方法，尤其是對經(jīng)過Mg和孕育處理的鐵進(jìn)行再硫化的生產(chǎn)方法，我們也應(yīng)給予必要的重視和深入研究。