赵鲁生 关于灰铸铁中的氮含量问题 for 百铸网

一．关于灰铸铁中的氮含量问题1.03年开始，在生产日本牧野机床铸件工厂工作时，日本人对冲天炉熔炼灰铁300铁水，要求不定期检测氮含量，当时检测的氮含量一般在100-120PPM。

为什么日本人以前检测氮？当时都不清楚，很盲目。

2.06年初，这个工厂新建工厂开始试生产，使用感应电炉熔炼，而老厂依然使用冲天炉熔炼。

在新厂的整个试生产期间，电炉使用的生铁，废钢等原材料与老厂完全一样，成分控制也基本相同，但是灰铁300力学性能却低于老厂冲天炉的性能。

3.追查原因，大家从孕育，增加硫含量，等措施之后，依然没有改善，最后只好降低碳含量，来提高电炉灰铁300的力学性能。

见光谱仪分析结果：（见照片，新潮铸造冲天炉和电炉成分）。

即冲天炉碳从3.2-3.2%改成电炉2.9-3.0%。

其余成分不变。

4.我把这个工厂一个月期间，新，老厂光谱仪化验结果做了对比，发现冲天炉钛含量一般低于0.025%，而电炉钛含量在0.04-0.06%。

钛含量不同是表面现象，实质问题是钛高，结合了强化灰铁基体的氮，影响了力学性能。

之后一直就把灰铁钛作为控制的主要元素来对待，去分析一些质量问题。

5.普什铸造的工作经历。

6.08-09年，和美国GE公司讨论生产灰铁汽缸体铸件，美国人也要求铁水检测氮和其他微量元素，如钛，铅等等。

其中钛要求小于等于0.025%，氮含量要求60-120PPM。

这些要求和自己熔炼灰铁的经验，即从冲天炉转变成电炉熔炼后，遇到的问题相符。

（见GE技术文件）7.灰铁熔炼从冲天炉转向电炉之后，非合成铸铁配料，同样原材料，碳当量一样，电炉铁水强度性能总是不如冲天炉高，细查原因，在冶金原理上有不同，却没有任何资料可以学习和介绍，但是从成分上看，可以查出微量元素含量不同，特别是钛含量不同。

冲天炉铁水钛含量与美国人要求一样，有时还更低，一般小于0.025%，而电炉铁水钛含量一般都在0.04-0.05%以上。

之后学习，知道钛强烈结合氮，而氮可以强化基体，是影响灰铁强度的因素之一，而冶金质量不同，还没有可靠的解释。

8.现在，国内专家在铸造技术会议上多次谈到，在灰铁中，要把氮作为合金元素来对待，使大家逐步认识到影响氮的合金元素，钛，甚至锆，都要注意控制。

在铸铁中，随着氮含量增加，铸铁强度增加，直至含量超过150PPM以上出现气孔为止，铸铁强度提高很多。

郝石坚在“现代铸铁学”一书中介绍，铸铁成分在：W（C ）3.12%，W(Si）1.35%，W （Mn)0.71%,W(S)0.09%,W(P)0.13%的铁水中随氮含量的增加，铸铁强度也逐步增加。

见下表：（摘自郝石坚“现代铸铁”P307.翟启杰老师也有文章专门论述灰铁中的氮。

）9.氮对灰铸铁抗拉强度的影响含量该试验以加入氰化钠改变铁水氮含量，以0.3%硅钙孕育。

10.大量合成铸铁配料在电炉熔炼灰铁中使用，以增碳剂配料加入，增加铁水碳含量，而带来铁水氮含量大大增加，特别是不好的增碳剂，氮含量极高，同时废钢加入很多，铁水氮含量综合累积，（加上孕育，树脂砂型芯）使铸件出现氮气孔问题，也在影响铸件质量。

很多文章介绍他们在解决氮气孔缺陷时，加入钛或者锆的合金，成功克服了灰铁铸件的氮气孔，但是从氮增加铸件强度方面来看，加上目前大量铸造企业准确分析铁水氮含量困难，最终控制铁水氮在合理的含量不足，也存在问题。

下表是最近看见章舟老师的一本书中介绍增碳剂的成分。

里面谈到含有氢，氧有新意。

11.氮含量过高，引起铸件产生气孔。

氮进一步增加，出现裂隙状氮气孔。

当然实际铸造，熔炼过程难免有其他气体溶入铁水，一旦有氢溶入，则产生气孔缺陷的氮最高含量要降低。

一般要求氮含量不要超过120PPM。

氮含量越高，灰铁强度越高，直至最后因气孔出现，强度突然降低。

虽然氢含量同时作用，产生气孔缺陷，但其在铁水中的最高允许含量比氮含量低一个数量级，灰铁中主要引起气孔缺陷的，还是氮。

12.国外铸件采购客户，在十多年前就要求检测灰铁中的氮含量，现在这些客户把灰铁铁水中氮含量检测要求，更加频繁。

牧野机床铸件采购日本人，现在要求这个铸造工厂每月检测一次铁水氮含量。

目前，大量灰铁铁水是以感应电炉熔炼，配料则多以合成铸铁，多加废钢和高温煅烧石油焦增碳剂，少用生铁配料。

这种熔炼工艺情况下，一般氮含量在80-90PPM左右。

13.今年6月份，在某某某某一个铸造工厂，看见他们把检测灰铁氮含量，也作为常规检测。

但是他们的氮含量经常在40-60PPM，感觉偏低。

可是他们的灰铁力学性能也没有遇到很大问题。

我曾经以60%废钢，30%回炉料，10%生铁配料合成铸铁，灰铁300.以前一直很稳定，钛含量一般小于0.025%左右.但是在一个常年使用硅-锆孕育剂的工厂，则连续2-3炉铁水力学性能不合格。

（碳3.0，硅孕育前1.4，钛0.02）。

而取消硅锆孕育剂，以硅-钡-钙孕育剂代替后，力学性能一下从270跳到350MPa。

当时不知道原因，几天之后，在某某一个铸造会议上，遇见X文和老师，他解释说：锆的固氮作用比钛还要强，这才明白过来。

这方面的认识，目前看还很粗浅，很多熔炼实际情况，影响因素很多，还有不同结果，需要继续学习认识。

（见照片某某氮含量）14.氮含量对灰铁力学性能有影响，但是很多实际情况难以解释。

a.氧氮仪分析结果是全氮含量，而对力学性能有影响的是溶解氮，化合氮影响小（王云昭老师要求查清氮分析，与力可技术人员交流是全氮含量，某某52分所把试样送某某兵器部52所总部，使用美国力可氧氮仪分析，热导法，全氮含量）。

b.大多数工厂化验氮含量手段不具备，偶有铸钢工厂光谱仪有氮通道，可以分析氮，准确度有问题。

c.硅，钛，锆等等与氮化合的微量元素,对灰铁性能影响的机制，原理不清楚。

生产实际中数据积累和试验研究不足。

d.个人经历，钛高于0.05%肯定明显影响灰铁力学性能。

锆也严重影响。

（举例海阳北方机械工厂试验合成铸铁。

碳3.0%硅1.4%，孕育后1.7%，钛小于0.02%）（南方知名铸造工厂，废钢90%，回炉料10%试验合成铸铁，有详细报告给我，钛含量非常低，力学性能勉强合格，估计使用了含锆的随流孕育剂）。

15.最近看了庞凤荣老师组织翻译，王云昭老师审校的日本人写的“反应论铸铁学”，书中看到专门有一章节谈铸铁中氮的行为。

日本人，美国人都在十几年前就注重铸铁中氮引起性能变化和影响，我们国内现在已经开始注意了。

王云昭老师在今年五月“铸造工业”技术会议上提出，要把氮作为铸铁中的合金元素来对待。

根据王云昭老师的要求，我在会议之后，去某某这个铸造工厂，追查铸铁氮含量的分析情况，结果是分析的氮是全氮含量。

铸铁里面的氮含量包括溶解氮和化合氮，影响力学性能的是溶解氮，化合氮包括与硅，钛，锆等等的化合物。

区别溶解氮和化合氮估计比较困难。

补充内容：1.灰铁熔炼从冲天炉转变为感应电炉，简单认识是感应电炉熔炼时间比较长，石墨结晶核心在高温下越来越少，容易形成白口，总的解释是冶金质量不如冲天炉好。

但是，具体，详细的理论解释很少，而在两种熔炼设备的微量元素含量不同方面，有不少理论说法。

2.感应电炉熔炼，对生铁等原材料中的各种元素烧损比冲天炉少很多，即保留了原材料，特别是生铁中的各种微量元素，其中危害元素是钛，铅，碲，等。

而冲天炉熔炼，各种元素烧损较大，其中危害元素烧损也较多，为了减少生铁中有害元素对铁水的影响，铸造界现在多以合成铸铁工艺和高纯生铁材料来熔炼铁水。

3.那么感应电炉熔炼铁水，如何使其冶金特性接近冲天炉铁水？近几年铸造工作者提出以下一些在使用的方法：a.感应电炉的功率密度配置比较大，保证熔炼时间缩短，即要快速熔炼。

（某某工厂10吨熔炼要3-4小时）。

b.严禁铁水在平衡温度以上的高温保温时间过长，减少高温下石墨结晶核心的减少。

（二氧化硅微晶问题）。

c.生产中如果需要把铁水分几次出炉，铁水在炉内保存时间过长，则以增加铁水石墨核心的各种处理措施来对铁水做“预处理”。

一般来讲，大件铸造车间，一炉铁水温度成分合格之后，都是马上出炉，或一包出完，或分2-3包出完，马上浇注铸件。

而流水线铸造车间，如果炉子配置较大，要分几次出完铁水。

（20吨铁水浇注一天。

10吨炉子分4次出完，等待1小时多，南方工厂例子，可以看彩色金相照片）。

d.预处理的操作有各种方法：留部分生铁，回炉料（除锈，除砂）或者0.05%-0.1%（高了影响石墨粗大）的高质量增碳剂，都在熔炼后期加入，目的是增加结晶核心。

e.铁水温度成分合格，准备出炉前，加入含锆，含钡的预处理剂，或者加入少量细颗粒的冶金碳化硅做预处理剂，再出炉，目的也是增加石墨核心。

f.灰铁汽缸体，缸盖铸造流水线车间，则是每次从大电炉出铁水之后，马上在炉内加入同牌号的回炉料，降低炉内温度到平衡温度以下，等下一包铁水准备出炉孕育时，再升温至规定温度出炉。

这些同牌号回炉料不仅降低了炉内保温温度，同时也有对铁水的预处理作用。

万仁芳老师介绍，二汽铸造工厂，都是这么操作。

否则铸件要出问题。

g.介绍++工厂流水线浇注灰铁250汽缸体情况。

金相照片。