摘要：灰鐵鑄件，采用高鋇孕育劑孕育，延長孕育時間，消除滲碳體；球鐵鑄件，通過對原鐵水使用高鋇孕育劑進行脫氧預處理，在Mg殘控制在0.035%~0.055%的情況下，使鑄件的球化級別符合國家標準，降低鑄件的縮松傾向。
　　關鍵詞：高鋇孕育劑   孕育時間  滲碳體   脫氧預處理   球化級別
　　2021年上半年，鑄造生鐵、廢鋼的價格大幅上漲。Q12一度達到5200元/T的水平，7、8、9月份保持在4700 - 4750元/T （含稅）。廢鋼的價格，較去年的價格，上漲1000元/T左右。8-9月份，廢鋼壓塊保持在3700元/T~3800元/T（不含稅）的價位。鑄造原材料價格大幅上揚，鑄件的價格卻很難提升。為了減少鑄造原材料成本大幅上漲的壓力，很多生產中、低端鑄件的中、小鑄造廠，采用了廢鋼增碳的辦法進行生產，甚至也使用廢鋼屑壓塊增碳的方式進行生產。結果，造成了這樣、那樣的質量問題。一些小的鑄造廠，由于生產條件的限制，澆注時間達到15分鐘以上，質量問題更為嚴重。
　　筆者有著三十年的鑄造生產經驗，針對澆注時間長、鑄造原材料質量不好、鐵水氧化嚴重的生產狀況，使用高鋇孕育劑進行生產，取得了較為理想的使用效果。現整理出來，供“同樣生產條件的鑄造廠”參考使用。
　　一  灰口鑄鐵件
　　1.  山東一家鑄造廠，使用水平分型脫箱射壓造型機生產灰鐵鑄件（HT200）。
　　1.1  生產條件：
　　1）采用2臺1T的電爐進行熔煉；2）每爐，每次出鐵1000kg；3）澆注包-100kg；4）出爐孕育0.6%；5）轉包孕育0.2%；6）澆注時間：12-15分鐘。
　　1.2  存在的問題：
　　該公司鑄件重量較輕，澆注箱數多，澆注時間長，有的鑄件澆注時間長達17、18分鐘。澆注時間長，鐵水降溫嚴重，經常出現末澆包包頭溫度達到1280℃左右的情況.鑄件渣氣孔缺陷、冷隔缺陷非常嚴重。
　　為解決末澆溫度低的問題，該公司采取了以下措施：1）對鐵水包進行燙包；2）對澆注包使用液化氣烤包器進行進行烘烤（接第一包鐵水時，包襯溫度達到500℃以上）；3）生產過程中，使用保溫棉蓋住“包口”，強化鐵水包保溫；4）澆注包，蓋包蓋保溫；5）將鐵水出爐溫度提高到1580℃-1600℃.
　　1.3 出現的問題
　　由于種種原因，該公司采購了一批含Ba4%-6%的硅鋇孕育劑進行生產，結果鑄件出現料硬缺陷。見圖一。

　　圖一
　　對料硬鑄件進行金相檢查，鑄件存在5%的滲碳體。
　　對料硬鑄件化驗成分（圖二）。

　　圖二
　　硬度檢查：HB192（圖三）

　　圖三
　　從化驗成分看S0.049，偏低。遂調整硫鐵的加入量，使S達到0.08%左右（圖五）。

　　圖五
　　提高含S量后，鑄件的加工性能有所改善，但還是偏硬。
　　該公司在9月中旬，更換了Ba10%硅鋇孕育劑（見圖六、圖七）

  

　　圖六                          圖七
　　使用該孕育劑生產的灰鐵鑄件，沒有發現“料硬”問題（圖八）

　　圖八
　　1.  山東某鑄造廠
　　使用水平分型脫箱射壓造型機生產紡織機用灰鐵鑄件P016。
　　1.1  生產條件：
　　1） 采用1T的電爐進行熔煉；2）每次出鐵900kg；3）出爐孕育0.6%；
　　1.2  鑄件形狀

　　2.3出現的問題
　　鑄件硬度低（圖九）、石墨粗大-3級（圖十）、珠光體-50%低（圖十一）

　　圖九

    

　　圖十                         圖十一
　　鑄件成分

日期	C	S	Si	Mn	P	Cr
21-10-30	3.26	0.0245	1.77	1.06	0.0374	0.0559

　　2.4 問題解決
　　出鐵時，改用Ba10的復合孕育劑進行孕育，孕育量0.6%。

　　圖十二
　　鑄件成分

日期	C	S	Si	Mn	P	Cr
21-11-2	3.22	0.081	1.73	0.948	0.01	0.376

　　3.  河北石家莊鑄造廠  使用覆膜砂疊箱工藝，生產灰鐵鑄件（HT200）。
　　3.1 生產條件：
　　1）采用0.75T的電爐進行熔煉；2）每次出鐵600kg；3）出爐孕育0.7%；4）爐前分析C：3.3%~3.4%  Si ：1.8% ~1.9%  Mn：0.9% ~1%
　　3.2 鑄件形狀

       

　　圖十三
　　3.3 出現的問題
　　同一包澆注的泵體硬度差別非常大。有的硬度HB174，有的硬度HB212，滲碳體10%，無法加工。
　　3.4 問題解決
　　出鐵時改用硅鋇孕育劑進行孕育。按0.7%加入；批量生產KD75泵體6000余件，硬度均勻。 加工后，沒有發現料硬泵體。
　　4.  問題分析
　   4.1  第1家鑄造廠，澆注時間長，出鐵溫度高。鐵水本身的晶核燒損嚴重，氧化嚴重。在使用普通孕育劑進行孕育的情況下，用于脫氧的Ba量不足，致使鐵水結晶時形成了較多的滲碳體。
　　孕育劑能增加結晶核心。當這些外加的核心完全被鐵液溶解，孕育也就失效。好的孕育劑，能縮短“異質形核”至“活化晶核數達到最大值”的時間；延長“活化晶核數達到最大值”至“鐵液恢復到原有晶核數”的時間。高鋇孕育劑適用于澆注時間長的灰鑄鐵，對低硫灰鑄鐵的孕育也很有效。高鋇孕育劑的孕育效果可維持20min。
　　筆者長期使用高鋇孕育劑生產灰鐵鑄件。采購孕育劑的質保書如下

   

　　圖十四                                           圖十五
　在生產過程中，對不同Ba含量孕育劑生產的泵體進行加工。
　　低Ba孕育劑生產的泵體，加工性能差。工人反映料硬、有白邊。
　　高Ba孕育劑生產的泵體，加工性能好，無滲碳體。

    

　　圖十六                                            圖十七

　　4.2  第二家鑄造廠
　　使用粘土砂工藝生產P016鑄件。雖然檢測硬度的部位，厚度29，不大。但與其接觸的區域106×76×52，是一個鐵疙瘩，鑄件冷卻非常緩慢。在該冷卻條件下，石墨充分生長，變得粗大，鑄件硬度低。
　　繼續降低C、Si含量，CE降低，鑄件硬度可以提上來。在不加大澆冒口的條件下，又容易產生縮凹缺陷（見圖 十八 ）。在不降低CE的前提下，適當增加Cr的含量，使鑄件的硬度得到提高（合金化）。

　　圖十八

　　采用Ba10的孕育劑，提高、延長孕育效果，在同樣的成分下，可以使石墨片長度等級提高1級，細化石墨，提高珠光體含量，進而提高鑄件的硬度。
　　4.3  第三家鑄造廠
　　剛開始生產泵體時，該公司使用硅粒做孕育劑。先期澆注的泵體，硅鐵的孕育作用還存在，泵體硬度、加工性能良好。后期澆注的泵體，硅鐵的孕育作用完全消失，結晶時析出大量滲碳體，泵體硬度高、無法加工。
　　硅鐵的孕育作用，1.5min內達到峰值，8min后衰退到未孕育狀態。鑒于使用硅鐵做孕育劑，隨時間衰退的非常快，鐵水出爐，很少有鑄造廠使用硅鐵進行孕育的。為節省成本，有些鑄造廠，在轉包孕育的時候，使用硅粒進行孕育，也取得了一定的效果。
　　鐵水出爐時，使用硅鋇孕育劑，特別是使用高鋇孕育劑進行孕育，孕育的有效性大大延長，避免了滲碳體的出現。
　　4.4  國內外一些高Ba孕育劑的化學成分

編號	商業名稱	Si	Al	Ca	Ba	其他
1	法國 Ba10G	60-65	1.3-1.7	1.0	9~11	余
2	高Ba	60-65	≤2	≤3	8~12
3	俄羅斯	55-65	0.5-4.0	0.5-10	25-35
4	PRE-La	60-70	≤1.5	0.5-2.0	7-14	La適量

　　二 球墨鑄鐵件
　　高鋇孕育劑作為預處理劑在球墨鑄鐵生產中的應用。
　　筆者對“福士科”陳子華老師寫的論文《球墨鑄鐵預處理原理及生產應用實例》進行了深入研究，并應用于實踐，取的了良好的效果。
　　1. 預處理的目的
　　對鐵液的預處理，其目的是改善鐵液的性能，增加單位面積的形核核心，降低鐵液的過冷度。
　　2. 預處理劑功能元素具備的特點：
　　1）和鐵液中O、S反應活性強，其氧化物、硫化物的標準吉布斯自由能要低；
　　2）這種元素的氧化物、硫化物密度盡可能小，最好和鐵液類似；
　　3）這種元素的氧化物、硫化物的熔點要高；
　　4）這種元素的氧化物、硫化物的質點尺寸要適合作為形核質點。
　　La、Ba是能很好滿足這些條件的元素。
　　3. 為什么需要對鐵液進行預處理？
　　在球化反應中，需要定量考慮的反球化元素主要是S，一般根據S+Mg→MgS反應前后ω（S）、ω（Mg）量的變化來決定球化劑的加入量。除此之外，還有一個反應O+Mg→MgO容易被忽略。鐵液中的ω（O）量與爐料的銹蝕程度、鐵液溫度、保溫時間息息相關。正常熔煉的鐵液，鐵液中ω（O）量較低（＜40ppm）；非正常熔化的鐵液，鐵液中ω（O）量較高（＞80ppm），有時甚至高達120-140ppm。經過計算，因熔煉條件不一致，造成兩種鐵液的ω（O）量一個為20ppm，一個為120ppm，就相當于原鐵液中有0.01%的ω（S）量波動，這是不容忽視的情況。
　　如果意識不到有相當于0.01%的ω（S）量在波動，不加以調整球化劑的加入量，就會出現嚴重的冶金質量問題。球化劑加入量相對不足，將使石墨球圓整度差，發生球化衰退。球化劑加入量相對過剩，將使得游離鎂含量高，而導致皮下氣孔、顯微縮松等缺陷。為使球化反應前鐵液對球化劑的需求保持在一個相對穩定的狀態，就必須使球化前鐵液的ω（S）、ω（O）量相對固定。
　　4. 預處理的應用要點
　　預處理工藝一定要在球化反應前進行，以便讓Ba+O→BaO、Ba+S→BaS、La+O→La2O3、La+S→LaS等預處理反應在球化之前進行，為鐵液球化處理提供良好的基礎，同時形成大量的、長時間穩定存在的不易衰退的形核核心。
　　5. 預處理技術的主要優點
　　1）可去除鐵液中的MgS、MgO等夾雜，凈化鐵液。
　　2）可大幅度增加單位面積石墨球數，細化石墨球，提高石墨球的圓整度和球化率。
　　3）使ω（Mg）量更低、更穩定，減小收縮，消除縮松。
　　4）可大幅度提高鐵液的流動性。
　　5）可大幅度提高鐵液的抗衰退能力。預處理劑中的Ba、La和鐵液中的氧反應，生成的熔點高的氧化物、硫化物，這種質點不易熔化消失。這些物質的比重和鐵液類似，不易漂浮和下沉。質點的尺寸非常小，在3μm左右，非常適合作為形核質點。
　　6. ω（Mg殘）量的有效范圍
　　根據原鐵液含硫量的不同，形成完全球狀石墨組織所需Mg量的范圍一般為0.03~0.06%. 若鐵液中硫和氧含量都很低，其他反球化元素較低，大約0.018%的Mg就足以形成全球狀石墨組織。
　　在實際生產中，通常以檢測殘留鎂量來判斷球化反應是否正常？檢測到的殘留鎂量是總Mg量，包括MgO、MgS、MgSiO3等化合物中的Mg.
　　球鐵球化質量的好壞與ω（Mg殘）沒有直接的關系，真正起作用的
　　是游離ω（Mg）量。有時，ω（Mg殘）量高，可能是化合態ω（Mg）量高，即ω（MgS）、ω（MgO）量高。感應電爐熔煉，爐料主要為生鐵、廢鋼、低S的增碳劑，硫高的可能性不大。通過爐前快速C、S分析或光譜分析，原鐵水中的S是可以在出鐵球化前獲悉的。因鐵水氧化，鐵液含FeO高，發生反應Mg+O→MgO，會導致Mg被大量消耗，生成過大的ω（MgO）量。而此時游離ω（Mg）量低，不僅不能獲得良好的球化效果，而且會形成更多的縮松、夾雜。
　　鐵水過度氧化，ω（MgO）量過高，游離ω（Mg）量過低，致使殘
　　余Mg高達0.05~0.055，鑄件仍會出現球化不良。
　　筆者公司對鑄件的殘余Mg量定為：1）因鑄件結構，生產工藝限制，縮孔、縮松傾向大的鑄件，殘余Mg量0.03~0.045%；2）鑄件縮孔、縮松傾向小的鑄件，殘余Mg量0.03~0.055%。
　　7. 預處理劑的選用
　　含Ba、La的預處理劑，比如福士科公司的Inoculin390，使用效果非常好。但是，其價格非常貴。除非生產高端鑄件，生產對縮松缺陷有嚴格要求的鑄件，很少有人會使用這種預處理劑。
　　根據預處理技術的原理，筆者創造性地使用高鋇孕育劑作為預處理劑，對預進行球化的原鐵水進行處理，取得了理想的使用效果。2015年，筆者曾寫過一篇文章《沖入法球化處理工藝的改進》，對高鋇孕育劑作為預處理劑進行預處理進行過闡述。
　　高鋇孕育劑（含Ba9%-11%）的市場價格，比中鋇孕育劑（含Ba4%-6%）的市場價格高5%左右，這對大多數鑄造廠都是可以接受的。
　　8  沖入法球化工藝，高鋇孕育劑對原鐵水進行預處理的應用
　　筆者2016年以前，使用沖入法生產球鐵鑄件。調整好成分，向爐內加入含Ba 9% -11%、粒度3-6mm的高鋇預處理劑，攪拌，助其溶解后，立即出鐵球化。對原鐵液進行預處理后，原鐵液的含氧量維持在一個較低的水平。
　　在生產0.5kg ~ 300kg的球墨鑄鐵件時，使用6-2球化劑，加入量降低至0.82~ 1.05%。生產大件、厚壁鑄件，球化劑加入量，靠上限。正常情況下，包尾鑄件本體的球化率>80%。 參照《現代鑄鐵》2011年6月提供的一組數據，進行球化處理工藝對比

指標	國內沖入法	國外蓋包法	球化澆注處理包	本項目
Mg的吸收率%	35	60	61	＞ 63
球化劑消耗量%	1.4	1.1	1.1	0.82 ~ 1.05
球化質量	差	優	優	優
鐵液溫度損失/℃	70	40	40	40 ~ 70
勞動條件	差	好	好	好

　　Mg吸收率（%）
　　={0.75×（原鐵水含硫量% — 殘余硫量%）+殘余鎂量%Mg}/鎂加入量（%）
　　以2015年8月18日夜班生產柴油機平衡塊為例：
　　原鐵水S0.026，殘余硫量0.022，殘余鎂量0.031%Mg ;球化級別：3級
　　球化劑加入量6.8kg，含Mg按6%計算，出鐵775kg（球化劑加入量0.88%）
　　Mg吸收率（%）={0.75×（0.026%-0.022%）+0.031%Mg}/{0.88%×6%}=64.3%。
　　具體應用案例
　　2015年8月9日夜班1.5T/h生產柴油機平衡塊，金相、化學成分檢測如下

爐次	包次	球化級別	硬度  HB	C	Si	S	Mn	Mg	Re	Cu	Cr	鐵水kg/包
一	1	3	229	3.68	1.9	0.019	0.81	0.048	0.02	0.32	0.25	730
	2	3	202	3.75	1.97	0.022	0.81	0.031	0.02	0.32	0.25	775
二	3	3	222	3.77	1.93	0.018	0.82	0.05	0.018	0.35	0.25	745
	4	3	217	3.84	2	0.017	0.8	0.043	0.023	0.34	0.25	755
三	5	3	241	3.77	1.92	0.016	0.79	0.051	0.024	0.32	0.25	735
	6	3	216	3.72	1.97	0.015	0.79	0.053	0.023	0.31	0.24	740
四	7	3	211	3.75	1.87	0.016	0.85	0.052	0.029	0.34	0.26	740
	8	3	217	3.65	1.89	0.013	0.85	0.049	0.027	0.33	0.25	745
五	9	3	241	3.83	1.82	0016	0.78	0.048	0.024	0.31	0.23	735
	10	3	231	3.83	1.89	0.017	0.77	0.044	0.024	0.31	0.23	730

　　平衡塊的材質為QT600-3，鑄件厚度為60~70mm。使用6-2球化劑（Mg5.5~6%），球化劑加入量為6.8kg/包（0.92%）。對鑄件進行解刨，無縮松。

              

　　                                                                                                圖十九
　　1. 喂絲球化工藝，高鋇孕育劑對原鐵水進行預處理的應用
　　沖入法球化處理工藝，對爐工素質要求較高。一方面，爐工的技術水平要高，知道怎么干，可以生產出合格的球鐵鑄件；另一方面，爐工的責任心要強。隨著客戶對鑄件質量要求的提高，沖入法球化處理工藝，已不能滿足生產的需要。2016年3月份起，筆者公司開始使用喂絲球化處理工藝生產球鐵鑄件。
　　1.1 喂絲球化要點
　　1）喂絲機采用“滄州寶鼎機械制造有限公司”的產品。
　　2）球化線采用2632（Mg30/RE3）；孕育線采用“2632孕育線，Si63%”
　　3）球化包采用高徑比為2：1的細徑加長喂絲球化包。
　　4）為確保喂絲球化效果，從電爐向喂絲球化包倒入鐵水的時候，隨鐵水流沖入0.4%粒度3-6mm的高鋇孕育劑。
　　1.2 喂絲球化案例一
　　聊城鑫泰克機械有限責任公司生產的行星架，汽車件，材質QT600-3

日期	包次	球化級別	球徑大小級別	珠光體	硬度	抗拉  強度	延伸率	C	Si	Mn	Cr	Cu	Mg
18/9/25	1	2	6	75	216	728	10.9	3.53	2.53	0.42	0.1	0.53	0.064
						731	10.3
	2	2	6	75	213	776	9	3.62	2.54	0.42	0.1	0.56	0.055
						773	8.5
18/9/26	1	2	6	65	209	695	10.6	3.43	2.79	0.4	0.11	0.54	0.054
	2	2	6	75	213	780	7.1	3.67	2.74	0.38	0.11	0.52	0.061

　　對鑄件進行解剖，鑄件沒有縮孔缺陷。

   

　　圖二十：成品件形狀              圖二十一：熱節處解剖

　　圖二十二：檢查鑄件縮孔，熱節處解剖

　　8.3 喂絲球化案例二
　　河北衡水某鑄造廠生產的行星架

日期	包次	球化級別	球徑大小級別	珠光體	C	Si	Mn	S	Cu	Mg
21/11/3	1	2	6	75	4.07	2.08	0.35	0.014	0.35	0.051
	2	2	6	75	3.98	2	0.34	0.014	0.37	0.045
	3	2	6	75	4.03	2.08	0.35	0.014	0.37	0.048
	4	2	6	75	4.08	2.06	0.34	0.015	0.31	0.034
	5	2	6	75	4.13	2.11	0.35	0.014	0.35	0.048

　　鑄件解剖照片：無縮松

　　金相照片：

　　圖二十三

　　衡水的這家鑄造廠，將Ba10復合孕育劑應用在其他易縮松的鑄件上（比如差速器殼），也取得了滿意的效果。
　　9. 鐵水氧化，球化不良案例
　　山東有一家鑄造廠，使用鋼屑壓塊（見圖二十四）代替廢鋼，采用沖入法生產球鐵鑄件。

　　圖二十四

　　鐵水出爐球化前，未進行脫氧處理。因鐵水氧化物含量高，澆注時間長，出現球化不良，球化級別6級。對球化不良件，化驗成分，如下：

　　圖二十五

　　同樣是沖入法，使用高鋇孕育劑脫氧后，0.038%的Mg殘，可以使鑄件球化級別達到3級。不對原鐵液進行脫氧預處理，0.038%的Mg殘，鑄件球化級別達到6級。通過對比，說明使用高鋇孕育劑對原鐵液進行脫氧預處理，對確保鑄件球化級別合格、穩定，是非常有益的。
　　三  結束語
　　1.  使用銹蝕嚴重的鋼屑壓塊/鐵屑配料，高溫（>1550℃）出爐，澆注時間超過15min等惡劣生產條件下，生產灰鐵鑄件，出爐時，使用高鋇孕育劑（Ba 10）進行孕育，可以有效解決鑄件料硬的問題。使用高鋇孕育劑，可以細化石墨，提高鑄件的強度、硬度。
　　2. 生產對縮松要求不太苛刻的球鐵鑄件，使用高鋇孕育劑（Ba10）對原鐵水進行脫氧預處理，無論是對沖入法球化，還是對喂絲法球化，對確保鑄件球化級別合格，非常有效；使用高鋇孕育劑對原鐵水進行脫氧預處理，同樣碳當量條件下，石墨球變的細小（可提高1個石墨球大小等級），有利于抑制石墨漂浮。
　　3. 生產對縮松要求苛刻的球鐵鑄件，沖入法球化建議使用含高Ba、適量La的預處理劑，對原鐵水進行脫氧預處理；喂絲球化建議出鐵沖入高鋇孕育劑（Ba10-12），喂絲球化線采用純鑭球化線。這樣生產，球化后，石墨球細小，形成時間晚，對減輕縮松傾向非常有利。除此之外，還要注意砂型的硬度。鑄件不得出現跑火、漲箱現象。跑火、漲箱的覆膜砂鑄件，極易出現縮松缺陷。
　　參考文獻：
　　【1】陳子華 球墨鑄鐵預處理技術原理及生產應用實例
　　《現代鑄鐵》2010，（5）:P32 - P34
　　【2】中國機械工程學會鑄造分會 鑄造手冊-鑄鐵（第3版）機械工業出版社，2011，P 237
　　【3】球墨鑄鐵制造實務 2004        P29-P30
　　RIO TINTO IRON & TITANIUM  加拿大
　　宏德鑄造材料有限公司  中國   廣州
　　作者簡介：王秀國（1971-     ），山東聊城人，高級工程師，1991年畢業于山東省機械工業學校鑄造專業。長期從事鑄鐵熔煉的技術和管理工作。