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【热坛讲堂】关于提高原铁液质量的关键技术
资料来源于网络（马敬仲先生文章，《现代铸铁》），经整理后分享。仅供参考。多年前曾承马老当面指点论文，并给予职业发展的宝贵建议，受益终身！
目前，我国正处于从铸造大国走向铸造强国的关键时期，重要特点是：质量第一的观念已深入人心；质量一致性的要求逐步被企业所接受；生产各类高端铸件的企业日益增多；全国各地举行的铸造技术研讨会十分踊跃。原因很明确，铸件的高质量是铸造强国的首要标志。但凡长期从事铸造的工作者都有一个体会，铸造工序之多，影响因素之繁杂，分析现场各类缺陷之困扰及在众多因素下稳定生产高质量的铸件，其难度之大非专业人士所能感悟。生产实践证实，铸件的力学性能、铸造性能、加工性能及气孔、夹杂、缩松缺陷等存在的诸多现场问题，都与原铁液的质量有关，它是一个基础，这个基础不打好，会给后续的球化、孕育、浇注等带来众多 “麻烦”，即使设法弥补，也无法生产出高质量的铸件，其稳定性则无从谈起。关于铸件的高质量与稳定性，国内已有诸多文章从多角度、多方面论述，笔者要强调的是：优质的原铁液是生产高质量及高稳定性铸件的关键与基础。
目前，对原铁液质量的含义可从两个方面来进行探讨：一是原铁液质量的三个冶金指标———铁液温度、铁液的化学成分、铁液的纯净度；二是原铁液在共晶凝固时的形核潜能。前者是研究原铁液三个指标对铸铁材质性能的直接影响；后者是通过提高原铁液的冶金质量，控制铁液能按Fe-C（石墨）系转变，通过增加原铁液的形核潜能，增加石墨核心，以改善其组织与性能。
原铁液的三个冶金指标：
① 具有高温过热的铁液温度
下表为各类铸铁件对铁液温度的要求，无论是冲天炉还是感应炉都应达到表中的要求。
材质
| 灰铁
| 球铁/蠕铁
|
HT250
| HT300
| HT350
|
温度℃
| 1480-1520
| 1510-1540
| 1520-1550
| 1500-1550
|
② 具有准确而稳定的化学成分
准确是指化学成分的定位，稳定是指化学成分应具有较小的波动范围。影响铸铁组织与性能因素的有化学成分、冷速速度、过热温度、孕育工艺、气体含量及炉料等。化学成分的影响是首要的，化学成分包括三类成分，即：C、Si、 Mn、P、S五大常见元素，加入的合金元素及生铁、废钢中带入的微量元素。根据铸件的质量要求对这3种成分准确定位是保证铸件性能的关键。化学成分的稳定性就是将波动 值控制在一个窄的范围内，要求见表。
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③ 具有优良的纯净度
原铁液的纯净度包括三项指标：①较低的气体含量，即在气体含量中具有较低的O、H及合适的N含量在不产生N气孔的条件下发挥N对力学性能有益的影响；②较低的氧化夹渣及非金属夹渣；③在高端球墨铸铁中，要求极低的微量元素及更低含量的Mn、P、Ti、S，为了提高原铁液的纯净度，往往采用高纯生铁及优良的废碳素钢。在这三项指标下，形成低O纯净的优质铁液。
原铁液的形核潜能
铁液的形核潜能对共晶转变的石墨化影响甚大，研究铁液的形核潜能是近几年来提高铸铁性能的重要课题。生产实践中会发生下列现象：冲天炉熔炼灰铸铁时，在高废钢配比下，对冲天炉实行高温熔炼，熔炼温度越高，铁液渗 C 能力越强，焦炭不仅增C还增S，从而使石墨形态得到改善，A型石墨增多，分布也更加均匀，结果是铸铁性能提高，收缩减少，加工性能改善。这充分地说明了冲天炉的高温熔炼大幅度地增加了铁液的自发形核能力。国外一些企业为了在铁液中获得长效晶核，还在冲天炉中加入了 SiC，这项技术在我国开展不多，被多数企业所忽视。但是感应炉在高废钢配比及高温熔炼下得到的铁液却没有冲天炉铁液自发的形核能力，它结晶核心少，铁液过冷度大、白口大、收缩大，原因是它没有增C、增S的冶金过程。因此，必须在高废钢配比下，加入足够的增碳剂及增硫剂才能大幅度增加石墨晶核，提高铁液的形核能力。在电炉熔炼中采用高温、高废钢、高增C及增S的工艺，实际上是改善了铁液的形核能力。在电炉中对铁液进行孕育也是同样道理。因此，原铁液的形核能力是原铁液质量的一个重要表征，通常以共晶团数的多少、石墨的细化及白口倾向、收缩的减少来量化。
铁液质量冶金指标之一---铁液温度。
铁液温度是原铁液首要的冶金指标，铁液温度的高低不仅直接影响铸铁的力学性能、铸造性能、加工性能，还影响铁液质量另外两个冶金指标---铁液成分与纯净度。一个铸造企业能否生产出高质量的铸件，首先要看其铁液温度能否到1500-1550℃的过热温度，这是铁液质量必须达到的硬指标。
铁液的三个指标性温度为平衡温度、反应温度、临界温度。近代对铁液温度的研究来自于两方面：一是铁液温度对铁液中 C-Si-O 之间反应的影响，该反应中出现 2 个温度，即平衡温度与反应温度，反应温度又称沸腾温度；另一个是铁液温度对石墨与基体的影响，该影响的温度被称为临界温度。
铁液中C与Si皆可与铁液中的O进行反应。但是，是优先进行Si的氧化反应（即Si+O2=SiO2），还是优先进行C的氧化反应（即 SiO2+2C=Si+2CO↑），主要取决于铁液温度。这2个反应的转化点就是 SiO2+2C=Si+2CO↑反应的平衡温度T平，T平可通过热力学与具体的C、Si 量计算得出，但它仅是一个理论值，在实际熔炼中，真正产生 SiO2+2C=Si+2CO↑反应的温度，即铁液中的O以CO气体逸出的温度称为反应温度，此时反应生成的CO气体从铁液中逸出，使铁液沸腾，又被称沸腾温度 TF，它远高于平衡温度。
铁液到了沸腾温度后，铁液含O量下降，氧化夹杂下降，铁液纯净度提高，其原因是：铁液中的O大都以各类氧化物的形式存在（如SiO2、FeO、MnO 等），达到沸腾温度以后，铁液中所进行的SiO2+2C=Si+2CO↑反应，实际上是一个自脱O反应，该反应使铁液中的氧化夹杂大幅度下降，这点已被国外学者所证实，图1与图2为日本学者所作。
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铁液温度在平衡温度以下（1370℃），铁液进行Si+O2=SiO2反应，铁液 SiO2含量上升；平衡温度以上（1510℃），铁液进行SiO2+2C=Si+2CO↑反应，铁液中SiO2夹渣含量在静置下不断下降。
美国铸造协会在调查球墨铸铁生产厂时也曾做过2组试验：一组是在铁液温度1482℃时取样，一组在铁液温度1538 ℃时取样，结果发现其氧化夹渣皆大幅度减少。这个减少一个来自于平衡温度以上进行自脱O反应导致的氧化物减少，另一个是自脱O生成的CO气体，产生的铁液沸腾造成氧化夹渣及非金属夹杂物的聚集与上浮，使铁液净化。感应炉熔炼达1500℃以上时，可明显观察到这种沸腾与净化的现象。铁液的平衡温度可计算得出，数值并不高，但实际的反应温度较高，为了保持铁液较可靠与稳定的进行自脱O反应，一般都把铁液温度控制在1500-1550℃，并静置5-10min。
研究表明，铁液到达某一温度时，随着温度的上升，石墨与基体被细化，从而导致铸铁力学性能提升。但铁液温度过高后又会产生石墨核心减少、石墨畸变、白口倾向增大现象，导致铸件性能下降。国外有学者通过实践表明，该临界温度控制在1500~1550 ℃范围内为佳。
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高温过热的原铁液对铸铁质量的影响
原铁液的高温过热从2个方面提高了铁液的冶金质量：一是高温过热使铁液产生了自脱O反应，使铁液的含O量下降，成为低O的优质铁液，为球化孕育打下良好的基础，同时也减少了FeO、SiO2等氧化夹渣，净化了铁液；另一个作用是高温过热细化了石墨与基体，提高了铸铁的力学性能。这2个作用都对铸铁质量产生了有益的影响。
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2009年对国内技术相对较高的11家机床企业进行调查，其中铁液温度是重要一项。填写铁液温度的有9家，其中有5家达到1480-1510℃。与1450℃的4家企业相比，高温过热的铸铁抗拉强度高、CE高、成熟度高，高温过热使灰铸铁不仅获得高强度，还具有较高的CE，由于CE高，则还获得收缩小、流动性好的铸造性能及白口倾向小、石墨化程度较高的冶金性能，由于硬度下降，加工性能也得到了改善。
在对冲天炉进行调研时，山东某公司采用进口的35t/h热风冲天炉与感应炉双联，生产柴油机缸体、缸盖。冲天炉铁液温度1500~1520℃，与原铁液温度较低的冲天炉相比，抗拉强度提高20~30MPa，各加工车间普遍反应，铸件加工性能改善，刀具损耗降低 20%。
山东另一铸造企业生产机床铸件，采用10t/h冷风冲天炉。后来该企业关注的是铁液温度对铸件质量的影响，2015年8月开始了熔炼质量的提升，采用高温过热的铁液（1490~1510℃）及高废钢配比（55%）与微量合金化的熔炼工艺，生产高强度、高刚度、高CE、低应力的HT300高端机床铸件，其中 70%出口国外，获得用户好评。
数据表明：同等强度下具有较高的 CE，在CE 为3.76%下获得340MPa 的抗拉强度，表明铸铁具有收缩小、白口倾向小、流动性好的铸造性能；硬化度＜0.79，意味着同等强度下具有较好的加工性能；品质系数1.39，表示该灰铸铁具有集力学性能、铸造性能、加工性能于一体的良好的综合性能，这些都与高温过热的铁液是分不开的。
生产优质的球墨铸铁要求有高温低O低S的原铁液。优质球墨铸铁的表征之一是球化剂加入量少，在低残余Mg量下获得良好的球化率。但是要降低 w（Mg残）量，其影响的元素不仅是S，还有铁液中的O，氧化严重的铁液不仅消耗Mg，使球化剂变成了脱氧剂，严重地干扰了球化效果，还会产生大量的氧化夹渣。高温熔炼和铁液的低O是相连的，是与低氧化夹渣相连的。
在国内外企业调查中发现，同样采用电炉熔炼，同样的配料，同样的化学成分，甚至w（S）量一样，在制作球墨铸铁时却有不同的球化结果，其重要原因之一就是忽视了高温静置的熔炼工艺，为什么美国铸造协会将球墨铸铁的原铁液的最低温度定在1520℃，原因就在此。
埃肯公司推荐的一种INMICO390预处理剂有2个作用：第1个作用就是脱 O、脱S，使铁液的O、S维持在一个较低水平上，以稳定球化质量；第2个作用是增加石墨核心，其核心是由其脱O、脱S的反应产物组成。因此，高温静置对于减少球化剂、减少夹渣有着重要的作用。
冲天炉铁液的过热不可能有5~10min的时间，铁液经过过热区仅有30s，可是在这30s内能否使铁液达到1500-1550℃却十分重要，它需要更多焦炭的燃烧才能达到1700-1800℃的炉内高温，在此高温下对铁液质量产生了2个作用：一是铁液与焦炭接触产生的铁液渗C率显著增加，大幅度地增加了石墨核心；二是高温导致炉气中CO增多，燃烧系数下降，铁液的氧化程度减弱，形成高温低O的优质铁液，渣中的FeO含量是用来表征冲天炉铁液氧化程度的重要指标，冲天炉铁液温度越高，渣中FeO含量越低。为什么冲天炉渣中FeO 含量要求小于4%，就是为了获得高温低O的优质铁液，这对后续的球墨铸铁的球化及灰铸铁的孕育皆有重要的意义。
参考文献
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（来源：铸造微课
