1.灰铸铁冶金质量指标及其影响因素

1.1灰铸铁的冶金质量指标

（1）成熟度

成熟度计算公式为：

σb=1000-800Sc是根据试棒的化学成分计算得出的，此强度不受冶金因素的影响，而σb的测量则同时受到铁水化学成分（共晶度Sc）和冶金因素的影响。

当σ=1000-800Sc，即RG=1时，表示铸铁已达到正常水平。

当测得σb>1000-800Sc，即RG>1时，说明铸铁质量较高，冶金因素对抗拉强度的影响为正。

当测得σb即RG时，表示冶炼过程对冶金因素控制不佳，冶金因素对抗拉强度产生负面影响，材料潜力没有得到充分利用。

（2）硬化程度

适用于硬度186HB以上的硬度计算公式为：

HBS=930-744Sc是根据试棒的化学成分计算出来的硬度，这个硬度不受冶金因素的影响，但是HBS既受铁水的化学成分（共晶度Sc）的影响，又受冶金因素的影响。

当HBS=930-744Sc，即HG=1时，铸铁质量达到正常水平。

当HBS>930-744Sc，即HG>1时，表示铸铁的实际硬度高于计算值，切削性能较差，表明冶金因素对硬度有不利的影响。

当HBS即HG<1时，表明冶炼过程对冶金因素的控制较好，铸铁的切削性能良好。

1.2影响冶金质量的因素

冶金质量可以看作是铁水凝固时倾向于按Fe-G体系而不是Fe-Fe3C体系凝固，铁水按Fe-G体系凝固可以避免铸铁组织中出现游离碳化物这种不良组织，基体组织和石墨均处于良好状态，组织细小且分布均匀，因此可以充分发挥铸铁的固有潜力，充分提升和改善力学性能、铸造性能和切削性能。

冶金质量差的铸铁首先内部有碳化物和共晶渗碳体，石墨多为D型或E型，对基体破坏作用很大炉料废钢，造成铸铁强度下降，硬度升高。在熔炼设备、炉料成分等一定条件下，冶金质量主要受铁水温度、孕育处理等因素影响，铁水温度是孕育处理的前提条件，没有一定的过热度，不但冶金质量不能提高，孕育处理也就失去了意义。因此，铁水温度、化学成分、纯度是铁水的三大冶金指标，而铁水温度直接影响铁水成分和纯度的变化。 生产中发现，当炉温超过1470℃时，三角形试块呈银灰色，断口组织细密，白口宽度变小，试棒抗拉强度满足要求，铸造加工性能良好。

2. 利用大量回收材料和废钢生产的铸铁的性能

2.1 力学性能

在一定范围内提高铁水过热度，会细化铸铁基体组织和石墨，提高铸铁强度，降低其硬度；进一步提高过热度，会降低铸铁的形核能力，恶化石墨形态，甚至造成自由渗碳。因此存在一个临界温度，一般认为在1500～1550℃之间。但在目前的条件下，冲天炉一般不易达到这一温度。

1550℃以上。因此，用冲天炉冶炼铸铁时，应尽可能提高过热度，并采取孕育措施，让铁水在可控的条件下进行共晶凝固，这样可以进一步提高铸铁的力学性能。

国外利用大量废钢、回收料生产的铸铁与添加生铁生产的铸铁相比，抗拉强度明显高于后者，而硬度则低于后者，说明该铸铁的生产得到了有效的控制，通过优化铁水温度、孕育处理等重要冶金因素，可以充分发挥该铸铁的潜力，有效提高铸件的力学性能。

2.2 切削性能

较高的铁水温度和有效的孕育处理不但能提高铸铁件的力学性能，而且能改善其切削性能，原因如下：

（1）冶金质量好的铸铁，促使铁水按Fe-G体系凝固，抑制铸铁组织中Fe3C的生成及其对组织的不良影响，组织中出现纯净的基体和A型石墨，具有良好的强度和适当的硬度，避免了Fe3C等硬化相对工具的磨损。

（2）铁水过热度大，流动性好，经高温静置后，有利于非金属夹杂物的聚集、上浮和去除。铁水中存在着大量的非金属夹杂物，如各种元素的氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物及其复合化合物。这些化合物数量众多，分散性很强，如不及时去除，将使铸件的切削性能变坏。这些非金属夹杂物去除后，铁水纯净度越高，切削性能越好，刀具的耐磨性也越好。

（3）良好的孕育处理，可以改善高强度铸铁断面的均匀性，消除游离渗碳体，降低其白口倾向炉料废钢，显著提高铸铁的硬度和切削性能。

2.3 铸造性能

该类铸铁生产由于需要加碳等原因，所以要求炉温高，铁水过热度高，ω(O)含量低，铁水纯净度高，流动性好，有利于非金属夹杂物的聚集和上浮，对消除气孔、夹渣，铸造外观良好、轮廓清晰的铸件也十分有利。

灰铸铁在凝固过程中，由于石墨的析出，体积发生膨胀，膨胀量和膨胀时机受冶金质量和冷却速度的影响，如图1所示。

如图1所示，铸件在冷却过程中，首先经历较大的体积收缩如a1所示；随着温度的继续下降，铁水发生膨胀如b1所示；随着温度的继续下降，铁水发生膨胀如b2所示。二次收缩如c1所示。冶金质量好的铁水比冶金质量差的铁水，一次收缩小，即a2>a1；因为冶金质量好，石墨析出引起的体积膨胀增大，又由于出现得早，可以抵消部分一次收缩，所以其液态收缩小，有利于获得无缩孔的铸件。冶金质量好的铁水的二次收缩也比冶金质量差的铁水小，即c2>c1。 凝固层具有坚固的外壳，可以阻止由于石墨化而引起的铸件形状的扩大，有利于消除缩孔缺陷。

3.利用大量回收料、废钢生产高等级铸铁

3.1 生产点

3.1.1 碳化

为了更好地利用大量的再生料生产高牌号铸铁，必须选择合适的炉型和适宜的送风强度。笔者所在公司采用两排大间距冲天炉（10 t/h），生产HT250铸件，炉渣含碳量相对较高，易增碳，但由于送风强度控制不好，导致铁水白口倾向性强，限制了废钢使用量，废钢用量仅为20%。后来，对过高的送风强度进行了控制。通过调整冲天炉炉况，适当提高层焦比，使层焦比与送风量保持平衡，使金属料始终在较高的熔化水平上熔化；选用灰分少、气孔率小、固定碳高的焦炭。 焦炭成分如表1所示，粒度为φ130mm×120mm，使底焦保持适当的高度，使铁水充分碳化，同时使废钢量进一步提高到25%~35%。

焦炭固定碳含量大于85%，ω(S)含量小于0.5%，炉温超过1450℃，此时废钢使用量仅为25%~35%（其余为回炉料），回炉料使用率为20%~25%。根据计算，冲天炉即使碳化率达到100%，使用废钢量也只占炉料的60%左右。可见，生产该类铸铁的关键是铁水的碳化。

仅从铸件强度考虑，对于化学成分相同的铁水，废钢的比例越大，其力学性能越好。这是因为废钢碳化生成的石墨具有良好的形貌。废钢在该类铸铁中的用途，受增碳率的限制，无法进一步扩大。如何提高冲天炉的增碳率，如何进一步扩大废钢的用途，是我公司今后需要努力和探索的方向。

3.1.2 高温冶炼

为了保证孕育铸铁的性能，首先要保证整个生产过程中铁水保持较高的温度，一旦铁水温度下降，三角试块白口宽度会立刻增大，甚至完全变成白色，从而导致浇注无法进行。

3.1.3 ω(C)和ω(Si)的控制

在保证高温冶炼的条件下，控制孕育前原铁液中的ω(C)和ω(Si)量也是非常关键的。 由于该类铸铁所用炉料由回收料、废钢、锰合金组成，其ω(C)含量平均为3.5%左右，而该类铸铁的平均ω(C)含量约为3.2%（HT250），两者相差仅0.3%，通过添加废钢使ω(C)含量降低约0.3%（HT250），在炉内调整增碳部位的ω(Si)含量相对容易。加之废铸铁的平均ω(Si)含量为2%左右，而该类铸铁在孕育处理前ω(Si)含量约为1.3%，出炉铁水的ω(Si)含量刚好为1.3%--1.4%，所以炉后无需添加硅铁。因此，经过孕育处理后，化学成分最终可以达到满足预期的效果 要求。

3.2 生产结果

3.2.1铁水温度、碳化率与废钢使用量的关系

图2是根据笔者所在公司生产情况绘制的铁水温度、增碳率、废钢使用量关系图，当炉温为1450℃时，增碳率为30%，废钢使用量为30%；当温度升至1470℃左右时，废钢使用量上升到35%左右，增碳率约为35%；由于该类型铸铁生产不允许温度下降，所以很少有机会在低温下测试废钢使用量和增碳率，大部分测试点都在高温处。从图1可以看出，在焦炭质量和供风条件一定的条件下，温度越高，增碳率越高，使用废钢的比例越大。

利用大量回收料生产的高牌号铸铁能否成功生产出来，取决于铁水的碳化率；而碳化率又取决于炉温，炉温越高，铸件的冶金质量越好，力学性能、铸造性能和切削性能也越理想。

3.2.2 炉前检查

通过对三角试块检测发现，断口组织致密，呈银灰色，白口宽度不大，铸铁的力学性能、切削性能、铸造性能均处于良好状态。

3.2.3 组织与绩效

我公司按要求生产的HT250铸件化学成分如表2所示，经抗拉强度测试，金相组织（试样尺寸为φ20mm*10mm）如图3所示，由图3可以看出，石墨由90%A型石墨和10%B型石墨组成，石墨长度为3mm，由腐蚀后的金相照片可以看出，基体组织为铁素体+珠光体，其中珠光体体积分数为95%，无碳化物及磷共晶。

从试验结果可以看出，铸件ω(C)和ω(Si)含量较高，ω(Mn)含量较低，但抗拉强度已达到HT250要求的上限，接近HT300。这表明该类型铸铁的成熟度较高，冶金质量良好。金相组织中不存在碳化物和磷共晶，这与按Fe-G体系凝固的倾向相一致。

结论

利用回收料、废钢为主要原料生产高等级铸铁，可以大幅降低生产成本，节约能源和矿业资源，减少冶金企业对环境的污染，对我国国民经济的可持续发展具有积极意义。