高炉铁水在铸件生产中的应用

高炉铁水在铸件生产中的应用

【摘要】对高炉铸造生铁铁水及铸铁产品的生产过程进行了介绍。从灰铸铁与球墨铸铁两种材料产品的生产过程与检测结果论述了高炉铁水直接应用的可行性。

【关键词】高炉铁水；灰铸铁件；球墨铸铁件

1 高炉铁水介绍

高炉铁水通常分为两种：铸造生铁铁水及炼钢生铁铁水。这里只介绍铸造生铁铁水在铸铁件生产中的应用。

高炉铁水是高炉铁厂通过对铁矿石进行还原冶炼处理得到的产品，一般不能直接用于铸件生产，主要原因是其化学成分及机械性能不能直接满足铸件要求。高炉铁水的化学成分波动范围一般为：

C：3.7-4.8%；Si：1.2-1.6%；Mn：0.5-0.9%；P：0.06-0.1%；S：0.02-0.04%

抗拉强度σb一般为80-120Mpa，延伸率δ约为0%。金相石墨形态为粗大的片状石墨加共晶石墨。

2 铸件的生产

目前我国灰铸铁件的生产一般采用冲天炉或冲天炉+保温炉进行熔炼，熔炼热量来源为焦碳的燃烧。焦碳燃烧产生大量的CO2和SO2气体。并随之产生大量的废渣和灰尘。因此冲天炉熔炼污染较大。

球墨铸铁件的生产一般采用中频感应电炉。相对于冲天炉生产来说，电炉生产质量稳定、劳动条件有较大改善、环境污染减少。但电炉熔炼耗电大，在电力供应紧张的今天，耗电量大已成为制约铸造企业发展的重要问题。

铸件生产的原材料通常采用铸造生铁、废钢铁与回炉料。其中铸造生铁为即为上述高炉铁水经冷却处理而来。

3 高炉铁水在铸件生产中的应用

铸件在生产过程中需将铸造生铁与废钢铁、回炉料等重新进行熔炼。如果能将高炉铁水做简单处理之后直接浇注铸件，则可节约二次熔炼的能耗和原料损耗，缩短生产流程与生产周期，降低人工费用，从而使生产率与经济效益得到显著提高。

3.1高炉铁水在灰铸铁件生产中的应用

在铸造生产中，灰铸铁材料一般要求化学成分为：

C：3.4-3.7%；Si：1.4-2.4%；Mn：0.6-1.0%；P：0.15%max；S：0.12%max.

抗拉强度σb>241Mpa，硬度HB=187-255

从高炉铁水的成分来看，高碳含量使得其工晶度大于1，石墨形态为粗大的片状石墨与共晶石墨。

高炉铁水的出铁温度一般在1350-1450℃，以特制铁水运输罐从高炉铁厂运到铸件生产厂，如果运输距离在一百公里以内，则温度下降不会超过100℃。

当然为了满足铸件化学成分及机械性能的要求，需要将高炉铁水进行适当的处理，以调整碳、硅、锰等成分的含量。

可在现有冲天炉+保温炉双联熔炼的生产过程中，取消冲天炉熔炼过程，直接采用高炉冶炼的铸造生铁铁水，与保温电炉内已熔融的废钢、回炉料铁水充分混合，升温调质，以取得铸件要求的化学成分，进而达到机械性能要求。（采用碳硫快速分析仪及光谱分析仪监控成分）。

用高炉铁水生产的灰铸铁件，由于金相结构中石墨片粗大，因此其导热性大大提高。这里以汽车制动鼓为例说明，其典型化学成分如下：

C：3.43%；Si：1.82%；Mn：0.88%；P：0.08%；S：0.11%.

拉力σb为275Mpa，硬度HB=195

金相结构：珠光体99%，A型石墨>90%，石墨长度3级。

达到上述成分、金相及性能要求的制动鼓，按美国FMVSS 121仿疲劳测试程序，可以通过在80公里及100公里/小时的行驶速度下，紧急制动100次而产品不断裂的要求。

由此可见，只要控制好灰铸铁生产过程中的升温、调质过程，采用高炉铁水可以得到满足要求的灰铁铸件。

3.2高炉铁水在球墨铸铁件生产中的应用

在铸造生产中，球墨铸铁材料一般要求化学成分范围如下：

C：3.4%min；Si：2.2-2.75%；Mn：0.1-0.5%；P：0.06%max；S：0.03%max.

抗拉强度≥448MPa 屈服强度≥310 MPa 延伸率≥12%

同样需要关注高炉铁水的成分：高碳高硅使得其碳当量较高。而当球墨铸铁中的碳当量高于4.5%时，则非常容易导致石墨析出异常，如开花、漂浮等。但从高炉铁水的成分来看，即使是在未孕育增硅以前，铁水的碳当量已接近或超出此范围。所以，如果采用通常的处理浇注工艺，铸件上极容易出现石墨漂浮现象。

石墨漂浮是高碳球铁铸件的材料缺陷之一。有关文献认为，漂浮石墨主要是由过共晶铁水中析出过饱合碳长大聚集上浮而成，其构成为石墨。这些上浮石墨运动到上部一定区域以后，由于受高粘度铁水的粘滞作用而停止运动，并依次堆积，从而形成漂浮区。石墨上浮的动力主要来源于比重差异及凝固过程中的共晶膨胀力。

了解到石墨漂浮的机理以后，就不难找出利用高炉铁水直接生产球墨铸铁件的方法了。

可在通常的中频感应电炉熔炼过程中，取消生铁的熔炼而直接采用高炉铁水，与中频电炉内已熔融的废钢、回炉料铁水充分混合、升温、出炉之后，采用中镁、低硅、低稀土球化剂以冲入法进行球化处理。同时需设计浇注系统使得铁水在型中顺序凝固，并采用悬浮浇注法，以抑制石墨漂浮。从而达到铸件所要求的化学成分、金相及机械性能要求。

这里以汽车轮毂为例，说明用上述方法浇注出的产品，典型化学成分如下：

C：3.79%；Si：2.47%；Mn：0.31%；P：0.04%；S：0.019%；Mg：0.049%.

机械性能：拉力为510MPa，硬度为180HB。

金相结构：珠光体25%，球径6级，球化率85%。

达到上述成分、金相及性能要求的汽车轮毂，按美国SAE J1095疲劳测试标准，若按轮毂轴承负载能力不同而施以不同的力矩，产品可达到40万至100万次而不裂。

由此可见，只要解决了球墨铸铁生产过程中的石墨漂浮问题，并控制好球化过程，采用高炉铁水完全可以得到满足要求的球墨铸铁件。