摘要：不少鑄造人士認為：中頻電爐熔煉灰鑄鐵，鐵液結晶核心比較少，使共晶團數量減少，過冷度比沖天爐鐵液大，晶粒細化，因而鑄鐵的抗拉強度和硬度高于同樣化學成分的沖天爐鐵液。新版鑄造手冊鑄鐵卷鑄鐵熔煉章節，摒棄了這個觀點。筆者也從生產實踐，驗證沖天爐與中頻電爐熔煉高級別灰鑄鐵，必須根據原理制定鐵液處理工藝，解決高端灰鑄鐵的力學性能。同時提出，高牌號灰鐵熔煉，應該注意微量元素化合氮后對強度的影響。
　　關鍵詞：鑄鐵熔煉，鐵液處理，冶金質量，氮對灰鐵強度的影響
　　一、問題的提出：
　　2006年在山東煙臺某公司，參加籌建新鑄造工廠。老廠一直采用沖天爐熔煉，由于工廠嚴格遵循國內沖天爐熔煉專家指導，對熔煉的原材料、操作工藝控制十分嚴格，生產的HT300鑄件，力學性能穩定，得到國內外客戶的好評。
　　該工廠常年生產數控加工中心床身，立柱等出口鑄件，以及環球牌機床卡盤配套鑄件，材質都是HT300。在老廠鑄件品質優秀的基礎上，新廠投入先進設備如3噸應達電爐、德國FAT樹脂砂設備，以及瑞士ARL4460光譜儀等，完全按照老廠沖天爐的熔煉工藝，操作要求，試生產HT300鑄件。
　　然而出現了電爐鐵液生產的鑄件比沖天爐鑄件機械性能差的現象。兩者HT300鑄鐵控制的碳硅量基本一樣，電爐鐵水還加入硫鐵增硫，但沖天爐鑄件的強度硬度始終優于電爐，抗拉強度普遍相差30-50MPa，床身導軌面硬度粗加工后一般相差10-30HB。初期分析原因，認為沖天爐出鐵槽長，出鐵槽緩慢加入孕育劑效果好；電爐出鐵槽短，孕育效果較差。加長電爐出鐵槽和改進孕育劑添加措施后，強度硬度依然不及沖天爐鑄件。最終采取降低電爐鐵液的碳量，勉強滿足鑄件強度硬度要求。
　　對于沖天爐和電爐的這種差別，過去認為：電爐鐵液過熱溫度、化學成分、鐵液純凈度等比沖天爐好控制；鐵液凝固過冷度較大，晶粒細化；在原輔材料和鐵液處理完全一致的情況下，電爐鑄件的強度硬度應該比沖天爐好。
　　經過一個多月沖天爐、電爐鐵液化學成分對比，發現五大元素中除含碳量有差別之外，主要區別在鈦、氮含量。電爐含鈦量一般在0.035-0.055%之間，而沖天爐含鈦量在0.019-0.025%之間。沖天爐鐵液氮含量在80-120PPm左右，而電爐鐵液氮含量較低，一般在50-80PPm。
　　新版鑄造手冊鑄鐵卷鑄鐵熔煉章節，摒棄了同樣化學成分的鐵液電爐的強度和硬度優于沖天爐的觀點[1]。從自己的多年生產實踐，也總結出這樣的規律。
　　二、沖天爐與電爐熔煉灰鐵的區別
　　發達國家深知沖天爐的不可替代性，嚴格的環保排放標準并沒有淘汰沖天爐。鑄造產業集約化開發出30t/h～100t/h大型自熱風沖天爐。現代沖天爐有完善的熱風除塵系統，捕捉焦炭余燼消除灰塵，送入沖天爐的空氣可常預熱到600℃,個別高達900℃。一般而言；熱風要達到450℃以上才能強化焦炭的擴散燃燒，提高熔化率獲得高溫優質鐵液，降低合金元素燒損并提高沖天爐的熱效率[2]。
　　國內小于10噸/h的密筋爐膽沖天爐，風溫200℃-300℃，采用反應能力強的冶金焦、固定碳含量低，焦炭消耗量高、鐵液氧化嚴重。有人估計鑄件廢品有50%與沖天熔煉有關。我國多數鑄造廠廢品率高達8%～12%。然而國外先進廠可將鑄件廢品率控制在2%以內。
　　現代新型沖天爐，采用固定碳在90%左右的鑄造焦，出鐵溫度可以超過1500℃.沖天爐熔煉生鐵、廢鋼，鐵液滴下行經過1800℃熾熱底焦，爐內伴有氧化還原冶金反應，鈦、鋁等位于FeO氧勢線以下，可以被氧化到痕量水平[3]。沖天爐鐵液有大量硫、氧化物，形成灰鑄鐵凝固結晶核心，減少鑄鐵的過冷度。
　　中頻電爐替代5噸/時以下沖天爐勢在必然。電爐熔煉氧化燒損少，鐵液成分和溫度可以準確控制，鐵液質量較為穩定。電爐熔煉存在鐵液電磁攪拌作用，利于加入鋼鐵切屑和細小邊角料。
　　中頻電爐作業便于實現熔煉過程計算機控制，如：⑴原輔材料管理、配料計算、等；⑵自動冷啟動控制爐襯燒結時間，延長爐襯壽命，自動控制熔煉過程；⑶自動監測爐況，對電源、爐體、爐襯、水冷系統預測故障，增加安全、減少損害。
　　但是，中頻電爐由于熱量來自電流對熔池鐵液的強烈攪拌。來自磁力線在電場的作用下，造成鐵液翻滾，如高溫下保溫時間過長，硫氧化物聚集，上浮，排出。結晶核心保存較少，鐵水白口傾向較大，性能惡化。由于爐料在電爐的熔化過程是以加熱重熔為主，爐內的冶金反應遠比沖天爐簡單，有害微量元素保留較多。這是電爐熔化鑄鐵的一個需要人們十分重視的問題。
　　三．氮在灰鑄鐵中的作用
　　氮、氫、氧是存在于鑄鐵中并對鑄鐵組織和性能產生重要影響的氣體元素。鑄鐵中的氮主要來源于熔煉過程，感應電爐熔煉鑄鐵，含氣量僅是沖天爐鑄鐵含氣量的65%-75%。氮對灰鐵的抗拉強度有重大影響，僅此就足以說明中頻爐與沖天爐分別用同一爐料生產灰鑄鐵件，力學性能有明顯差別。其原因在上述已講過的電爐鐵水內結晶合心少，鐵水白口傾向大之外，還應考慮氮對機體的強化作用。
　　鑄鐵成分在：W（C）：3.12%，W(Si)：1.35%，W（Mn)：0.71%,W(S)：0.09%,W(P)：0.13%的鐵液中隨氮含量的增加，鑄鐵強度也逐步增加。見表1：
　　表1      氮含量對灰鑄鐵抗拉強度的影響[4]

　　注：該試驗以加入氰化鈉改變鐵水氮含量，以0.3%硅鈣孕育。
　　灰鑄鐵氮含量一般在80-180PPm之間，含氮量大于110PPm鑄件就容易出現氮氣孔，當含氮量大于140PPm時更甚。鑄鐵中如果同時含氫量增加，降低生成裂隙狀氣孔的氮含量。碳含量增加，鑄鐵氮氣孔會減少。
　　對于普通灰鑄鐵，氮使石墨片長度縮短，彎曲程度增加，端部鈍化，長寬比減小。氮對灰鐵基體組織的影響：氮使初生奧氏體一次軸變短，二次臂間距減小，凝固時過冷度增大，使共晶團細小。
　　鑄鐵凝固過程中，石墨表面吸附的氮原子固溶于石墨，使石墨生長時晶格產生畸變，晶體缺陷增多，導致石墨片產生彎曲和分枝傾向增大。當鐵液中氮含量高，鑄件冷卻時鐵素體就會被氮過飽和，室溫下隨著時間的延長，氮逐漸以Fe4N的形式析出，鑄件的強度和硬度上升，但塑性和韌性下降[4]。鑄鐵中溶解氮量高，石墨化程度就低。氮促進鑄鐵生成珠光體，抑制基體中的鐵素體。
　　總之，適量氮在灰鑄鐵中穩定并細化珠光體，可作為間隙原子固溶于鐵素體和滲碳體中，使其產生晶恪畸變，基體組織強化，強度性能提高．
　　四、鈦在灰鑄鐵中的作用
　　對于要求珠光體量大于95%的灰鑄鐵，鈦無疑是有害元素，因為鈦與氮化合明顯消耗鑄鐵中強化基體的氮，從而降低灰鑄鐵強度和硬度。最近在山東海陽某鑄造工廠，熔煉合成鑄鐵，廢鋼加入60%，生鐵加入10%，余為同牌號回爐料，發現HT300使用硅鋯孕育劑，強度降低的現象更明顯。元素周期表上鈦與鋯同屬過度元素ⅣB族，與氮的親和力更強。
　　鈦與氮的化合物TiN是面心立方晶格的離子晶體，在鐵水中與結構近似的TiC互溶，形成Ti（C，N）。氮化鈦夾雜物只在鐵液接近凝固時形成，硬度大，尺寸較其他非金屬夾雜物小，不易被泡沫陶瓷過濾器濾除，是重要結構灰鑄鐵件的疲勞源，對材料韌性、疲勞性能及持久性能有負面影響。TiN雖然是石墨形核基質，但在鐵液中的需求是有限的。
　　鑄鐵中含少量的鈦，鈦是石墨化元素，能減少白口傾向，細化石墨。當鐵液中含鈦量高時，鈦氮結合使得灰鑄鐵基體鐵素體量增加，降低鑄件的強度和硬度。我們在電爐HT300熔煉中，發現孕育后三角試片，鈦含量0.05%以上的斷口顏色比鈦含量低的斷口發黑，是否與鑄鐵鐵素體量增高有關聯？鑄鐵中很難去除鈦，采用低鈦生鐵是唯一途徑。
　　五、結束語
　　在四川某鑄造廠工作期間，與國外采購商探討該廠生產的3噸多重美國卡麥隆HT300大型壓縮機缸體硬度不足問題。經對比HT300化學成分，其他元素含量都符合規范，只有鈦含量在0.057%左右，應該是含鈦量超標。嗣后，發現工廠為降低成本，使用四川小鐵廠的地方生鐵，鈦含量超過生鐵采購標準。
　　該廠后來生產重慶康明斯缸體，HT300鉻鉬銅材質，配料為：60%廢鋼、30%回爐料、10%生鐵，優質石墨增碳劑，鐵液鈦含量在0.025以下，生產的缸體鑄件性能穩定。此外，該廠生產大發DK-20船用缸體鑄件，材質是HT300加銅。灰鐵熔煉改用廢鋼為主的合成鑄鐵，鈦含量控制在0.025%以下，生產的大型缸體鑄件均滿足整機廠要求。
　　特別要提到的是有一爐，電爐熔煉生產HT300加銅的DK-20大發缸體，由于當班廢鋼超出規范加入90%，鐵液含鈦量0.012%，含銅0.70%，結果抗拉強度達到407MPa，超出DK-20材質要求2個級別。當然，強度過高，孕育不足，該缸體鑄件在壁薄處產生裂紋報廢。但是可以看出，由于鈦含量很低產生的灰鐵強度效果。
　　國外采購公司提供灰鐵缸體鑄件的技術文件，對灰鑄鐵化學成分有如下要求：
　　表2   一些國外鑄件采購商對HT300鑄件化學成分的要求

　　由此可以看出，灰鑄鐵除了五大元素之外，對重要的有害微量元素也必須做出要求。目前，國內業界同仁對沖天爐和電爐熔煉灰鑄鐵的異同，已經發表過很多論述，但是國內對高牌號灰鐵熔煉，注重氮，鈦含量還不普遍。現在很多國外客戶，對我們生產的灰鐵300鑄件，要求經常檢測鐵水里面的氮含量，一般控制在60-90PPm。而十年前，在沖天爐熔煉灰鐵300條件下，不定期檢測鐵水氮含量，結果是100-120PPm。需要我們研究和探討，引起重視。
　　參考文獻：
　　[1] 張伯明主編.陸文華付主編，鑄造手冊（鑄鐵卷），第三版，[M].北京：機械工業出版社，2011.1
　　[2]張武城編著.鑄造熔煉技術[M].北京：機械工業出版社，2005
　　[3]韓明榮，張生芹，陳建斌等編.冶金原理.北京：冶金工業出版社，2008
　　[4].郝石堅. 現代鑄鐵學，北京：冶金工業出版社 2004。