裴國(guó)強(qiáng)，孫 帆，閆學(xué)濤，于英強(qiáng)，郭錫銳

（濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司,山東濰坊 261199）

濰柴鑄鍛公司熔煉一期采用沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉方式，主要生產(chǎn)HT250-HT300 的柴油機(jī)氣缸蓋、氣缸體。沖天爐為美國(guó)EC&S 熱風(fēng)富氧沖天爐，熔化速率35t/h，出鐵溫度1500℃，沖天爐熔化的鐵水經(jīng)兩臺(tái)80t 電爐保溫后，進(jìn)行孕育和合金化處理，然后送往澆注線。

熔煉材料的質(zhì)量對(duì)生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵有著重要的影響，因此，在生產(chǎn)中選用合適的熔煉材料，對(duì)得到符合要求的鑄件是非常關(guān)鍵的。熔煉材料選用不當(dāng)，會(huì)造成沖天爐爐況波動(dòng)嚴(yán)重，鐵水質(zhì)量惡化，甚至造成安全隱患，同時(shí)，熔煉材料中若含有對(duì)灰鑄鐵組織和性能影響較大的微量元素，則會(huì)造成鑄件質(zhì)量降低和鑄造缺陷。本文對(duì)沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉中使用的材料進(jìn)行了總結(jié)，分析了各類材料的質(zhì)量和使用要求，以及可能對(duì)鑄件造成的影響。

1 沖天爐熔煉材料

1.1 焦炭

焦炭是沖天爐熔化的主要能量來源，同時(shí)對(duì)鐵水增碳使鐵水碳含量達(dá)到要求，我公司沖天爐用焦炭技術(shù)要求如表1 所示。

沖天爐用焦炭應(yīng)選用專門的鑄造焦，要求其強(qiáng)度高，反應(yīng)能力低，氣孔率小，水份、灰份、揮發(fā)份和硫份較低，并且具有一定的塊度。焦炭塊度的選用原則是底焦比層焦要大些，并且要考慮沖天爐爐徑和熔化速率的因素，一般來說，隨著沖天爐爐徑和熔化速率增大，焦炭塊度也相應(yīng)增大。我公司EC&S 沖天爐爐缸內(nèi)徑2.3m，實(shí)際生產(chǎn)中選用塊度在150mm～270mm 的焦炭。

焦炭塊度過大，會(huì)導(dǎo)致燃燒反應(yīng)慢，燃燒高溫區(qū)域不集中，降低爐內(nèi)最高溫度，對(duì)鐵液過熱不利。同時(shí)焦炭塊度過大，鐵液與焦炭的接觸面積小，不利于鐵液增碳。

焦炭塊度過小會(huì)產(chǎn)生如下問題：

（1）由于焦炭的表面積大，縮短了氧化帶，使?fàn)t氣的最高溫度降低。

（2）會(huì)造成送風(fēng)阻力增大，空氣難以深入爐子中心，爐壁效應(yīng)加大，使?fàn)t內(nèi)溫度分布更加不均勻，熔化帶位置下移，鐵液溫度降低。

（3）會(huì)加快底焦消耗，嚴(yán)重降低底焦高度，減少鐵液過熱距離，大幅降低鐵液溫度。

灰鑄鐵中硫含量通?？刂圃?.1%以下，硫大部分以硫化鐵和其他硫化夾雜物的形式存在于灰鑄鐵中，會(huì)降低灰鑄鐵的強(qiáng)度。一般在沖天爐內(nèi)，鐵水增硫約為焦炭硫含量的30%，因此需嚴(yán)格控制焦炭中的硫含量。

表1 35t/h 沖天爐焦炭技術(shù)要求

表2 35t/h 沖天爐生鐵技術(shù)要求 ωB/%

1.2 石灰石

沖天爐熔化過程中加入石灰石的目的是清除爐料中的雜質(zhì)，對(duì)鐵水造渣，降低爐渣的熔點(diǎn)，提高流動(dòng)性，同時(shí)可以除去鐵水的部分硫。

石灰石的主要成分是CaCO3，石灰石在爐內(nèi)受熱分解：

CaCO3→CaO+CO2-1784kJ（每千克CaCO3吸收的熱量）

生成的CaO 與SiO2復(fù)合成硅酸鹽：

CaO+SiO2→CaOSiO2+1583kJ（每千克CaOSiO2放出的熱量）

在沖天爐造渣反應(yīng)正常進(jìn)行，爐渣粘度適當(dāng)?shù)那闆r下，石灰石應(yīng)盡量少加，以減少爐渣量，降低爐內(nèi)的熱量損失，同時(shí)爐渣過稀，會(huì)加劇爐缸耐火材料的沖刷和腐蝕，導(dǎo)致爐齡的縮短。一般來說，石灰石的加入量在層焦量的25%～40%，塊度在30mm～60mm，其成分中CaO 的含量要求在50%以上，純度高的石灰石為白色，含有雜質(zhì)較多時(shí)為淡黃色或淡灰色。石灰石的質(zhì)量對(duì)造渣反應(yīng)的順利進(jìn)行非常重要，若雜質(zhì)較多，會(huì)導(dǎo)致爐渣粘稠度高，不易從沖天爐出鐵口排出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)掛在爐壁和堵塞風(fēng)口，造成安全隱患。

1.3 生鐵

我國(guó)的生鐵種類有鑄造生鐵、球墨鑄鐵用生鐵、煉鋼生鐵、含釩生鐵等。應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)鑄件牌號(hào)，選用不同的生鐵。我公司主要生產(chǎn)高牌號(hào)灰鑄鐵，實(shí)際生產(chǎn)中選用鑄造生鐵Z14，其化學(xué)成分要求如表2 所示。

生鐵的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)對(duì)鑄鐵的結(jié)晶過程、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都有重要的影響，即所謂生鐵的遺傳性。生鐵，尤其是高碳量新生鐵，組織中含有粗大的石墨片，由于石墨片熔點(diǎn)較高，在重熔過程中石墨不能完全熔化，結(jié)晶過程可以作為石墨結(jié)晶的核心，使石墨變得粗大。不同產(chǎn)地的生鐵由于主要成分和微量元素的差異，灰鑄鐵的石墨大小和形態(tài)，力學(xué)性能均有較大的差別[1]。生產(chǎn)過程中，不同產(chǎn)地的生鐵盡量分開存放，避免混用，同時(shí)關(guān)注易對(duì)高強(qiáng)度灰鑄鐵性能造成影響的Pb、Ti等元素的含量。

1.4 廢鋼

沖天爐熔煉中廢鋼占全部鐵料的60%～70%，主要用來調(diào)節(jié)碳含量，改善灰鑄鐵的微觀組織。廢鋼應(yīng)盡量選用中、低碳素鋼，且S、P 含量低，其塊度在60mm～350mm，表面應(yīng)干凈無銹蝕。

對(duì)于含有Cr 較高的廢鋼應(yīng)控制使用，因灰鑄鐵中對(duì)Cr 含量有一定要求，如Cr 量偏高易造成鑄件縮松缺陷，但使用一定比例含Cr 廢鋼，保證鐵水中0.1%～0.2%的Cr，可以降低爐前的Cr 加入量，降低成本。

避免使用含有Pb、Ti 和Al 的廢鋼，因?yàn)镻b和Ti 易導(dǎo)致鑄件的縮松和滲漏。有研究表明，當(dāng)廢鋼中的Pb 達(dá)到0.008%時(shí)，柴油機(jī)氣缸體的滲漏率就會(huì)開始增加[2]。另外，當(dāng)Ti 和Al 在灰鑄鐵中含量增加時(shí)，其縮松的概率也會(huì)增加。

1.5 回爐料

我公司使用的回爐料為報(bào)廢的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、澆道、冒口等，均為自產(chǎn)的報(bào)廢鑄件，成分均一穩(wěn)定?；貭t料加入量在25%～30%，尺寸要求小于25cm，重量要求小于20kg。

回爐料不得有嚴(yán)重的銹蝕、油污或泥沙混雜，否則易造成鐵水中溶解氧過多，沖天爐熔化過程中渣量大。不同種類的回爐料應(yīng)分開存放，避免混用。

鑄件在機(jī)加工過程中產(chǎn)生的鐵屑也可以作為回爐料使用，但是鐵屑中含有油污高，爐內(nèi)氧化較嚴(yán)重，會(huì)消耗更多的焦炭，爐渣的量也會(huì)大幅增加，實(shí)際在沖天爐熔化中應(yīng)用較少。

1.6 硅鐵和錳鐵

沖天爐加入的硅鐵和錳鐵用來調(diào)節(jié)鐵水中的含硅量和含錳量，其成分要求如表3 所示。

硅鐵錳鐵的塊度要求在30mm～80mm，因?yàn)闆_天爐內(nèi)風(fēng)速較大，若塊度過小，硅鐵和錳鐵會(huì)在爐料下降過程中被風(fēng)帶走，這樣既帶走部分熱量，降低爐氣溫度，同時(shí)較輕的硅鐵和錳鐵會(huì)被帶入沖天爐引風(fēng)環(huán)甚至進(jìn)入燃燒室，影響該設(shè)備的正常工作。

2 爐前處理用材料

2.1 孕育劑

孕育劑具有促進(jìn)石墨化，避免過冷組織，有利于得到細(xì)小A 型石墨，提高灰鑄鐵力學(xué)性能的作用。孕育劑在電爐出鐵時(shí)采用隨流方式加入，孕育效果較直接加入包內(nèi)要更好[3]，加入量在0.2%～0.5%之間。當(dāng)前我公司使用的孕育劑主要是硅鋇孕育劑和75 硅鐵。

硅鋇孕育劑是一種應(yīng)用最廣泛的孕育劑，具有較強(qiáng)的促石墨化能力和抗衰退能力，被稱為長(zhǎng)效孕育劑。我公司選用中鋇孕育劑（鋇含量3%～5%），粒度2mm～8mm，出鐵孕育后全部鑄件均在12min 以內(nèi)完成澆注。圖1 為孕育鐵水在出鐵后1min 和12min 澆注鑄件的石墨形態(tài)。由圖1 可知，孕育時(shí)間為1min 和12min 時(shí)，石墨組織均為A 型石墨，片長(zhǎng)4 級(jí)～6 級(jí)，無過冷石墨存在，說明孕育效果良好，硅鋇孕育劑在澆注時(shí)間內(nèi)未發(fā)生衰退。

圖1 不同孕育時(shí)間灰鑄鐵的石墨形態(tài)

75 硅鐵主要用于生產(chǎn)牌號(hào)較低的灰鑄鐵。有報(bào)道說，不含鋁、鈣的硅鐵對(duì)灰鑄鐵的孕育作用很小，甚至沒有作用。一般認(rèn)為：在鐵液中，鋁和鈣會(huì)與氧、氮反應(yīng)，形成高熔點(diǎn)的化合物，成為石墨結(jié)晶的核心。而且，加入孕育劑后，鐵液中可形成局部的富硅微區(qū)，有利于石墨析出。因此購(gòu)買75 硅鐵時(shí)，一定要考慮其中鋁和鈣的含量。

另外，孕育劑隨流加入澆包時(shí)，要盡量在出鐵量達(dá)到1/3 時(shí)開始加入，在出鐵量達(dá)到4/5 前結(jié)束。這樣可以通過液流的攪拌作用使孕育劑溶解更充分，提高孕育效果。

表3 硅鐵和錳鐵成分要求 ωB/%

在選取孕育劑的時(shí)候要考慮澆注溫度和出鐵量的影響，澆注溫度越高，出鐵量越大，越應(yīng)選取抗衰退能力強(qiáng)的孕育劑，同時(shí)也應(yīng)選取顆粒尺寸更大一些的孕育劑。

2.2 增碳劑

增碳劑的作用是增加鐵水中的碳含量，使其滿足工藝要求。高質(zhì)量的增碳劑除了可以增碳外，還可以作為石墨化核心，改善鑄鐵的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。沖天爐熔煉時(shí)，廢鋼比例較高，適當(dāng)向鐵水中添加增碳劑，有利于增加石墨形核核心，改善石墨形態(tài)，降低鑄件白口傾向。

增碳劑的種類包括人造石墨、天然石墨、石油焦、焦炭和無煙煤等，我公司使用的增碳劑有人造石墨增碳劑和石油焦增碳劑，要求含碳98%以上，粒度在1mm～5mm。人造石墨增碳劑大多是以廢電極或石墨切屑等材料，高溫處理石墨化制成的，石油焦增碳劑則是由石油瀝青焦化并煅燒得來的。與石油焦增碳劑相比，人造石墨具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）吸收率高，人造石墨的吸收率在80%～90%，而石油焦增碳劑的吸收率在70%左右；（2）氮、硫含量低，人造石墨由于經(jīng)過了高溫處理，氮、硫含量遠(yuǎn)低于石油焦增碳劑。石油焦增碳劑的優(yōu)點(diǎn)是原料來源廣泛，成本較低。

生產(chǎn)灰鑄鐵時(shí)，由于對(duì)鐵水的氮、硫含量要求較低，兩種增碳劑均可使用。增加鑄鐵中的氮可以提高抗拉強(qiáng)度和硬度，但氮含量過高易引起氣孔缺陷，因此石油焦增碳劑的加入量不易過高。當(dāng)生產(chǎn)球鐵鑄件時(shí)，由于硫的因素，則只能選用人造石墨增碳劑。

2.3 集渣劑

為減少鐵水中殘留渣，降低鑄件渣孔缺陷，鐵水從電爐倒入澆包后撒一層集渣劑，加入量以覆蓋全部液面并成膜有效集渣為準(zhǔn)，然后使用扒渣工具將殘?jiān)懦?，再次加入集渣劑覆蓋液面然后進(jìn)行澆注。集渣劑加入量較少，僅為鐵水重量的0.2%左右，不改變鐵水成分，卻可以有效去除鐵水殘?jiān)?/p>

鑄造工業(yè)中最早采用的集渣劑是稻草灰和碳化稻殼，這兩種材料均有一定的集渣效果，但在使用過程中煙塵大，造成嚴(yán)重污染。目前廣泛使用的集渣劑是以珍珠巖為原料制成，主要成分是SiO2，珍珠巖中的部分結(jié)晶水在1100℃以上會(huì)發(fā)生氣化[4]，使集渣劑層發(fā)生膨化，可將渣集聚起來并對(duì)鐵水起到保溫的作用。

我公司當(dāng)前選用日本石川集渣劑，該集渣劑粒度＜1mm，可自動(dòng)均勻散布金屬液表面，不易粘附在澆包內(nèi)壁上，集渣效果較好。這一類集渣劑同樣采用珍珠巖為原料，但是原料均經(jīng)過了預(yù)膨化處理，使其具有微孔結(jié)構(gòu)，容重比降低，分散性好。實(shí)際生產(chǎn)過程中，其集渣效果要遠(yuǎn)好于普通珍珠巖集渣劑。

3 結(jié)束語

熔煉材料的質(zhì)量及選用對(duì)灰鑄鐵的性能有至關(guān)重要的影響，選擇質(zhì)量?jī)?yōu)良并與所用熔煉工藝相符合的材料是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的基礎(chǔ)。本文對(duì)我公司雙聯(lián)熔煉所用熔煉材料進(jìn)行了總結(jié)，分析了各類材料的選擇原則及對(duì)熔煉工藝與鑄件質(zhì)量可能造成的影響，特別強(qiáng)調(diào)了各類材料使用中的容易忽視的細(xì)節(jié)，為以后選用合適的熔煉材料提供參考。