?隨著中頻電爐作為鑄鐵熔煉的主要手段在鑄造生產中的使用越來越廣泛，傳統的沖天爐熔煉新生鐵鑄造方法已被中頻電爐熔煉合成鑄鐵逐漸取代，廢鋼、鑄鐵屑、鋼屑等低質爐料和增碳劑組成的合成鑄鐵的應用以及清潔能源組成的“低碳、環保、可持續發展”所謂的“綠色鑄造”以其嶄新的姿態為廣大鑄造企業所接受。

??? 應該說合成鑄鐵并不是什么新鮮東西，早在上世紀八十年代國外就已經發展得相當成熟了，現階段，隨著我國冶金能力的整體改善和提高，電爐熔煉技術的普及特別是在線檢測技術的提高，加上原材料資源不時對生產成本造成威脅所帶來的壓力，用廢鋼、鋼鐵屑、機雜鐵、回爐料和增碳劑等低值爐料通過電爐熔煉，配合直讀光譜儀在線檢測技術確定其化學成分來生產合成鑄鐵，這一鑄鐵生產方法對鑄造企業來說確實是不錯的選擇，而且由于廢鋼、鋼鐵屑等的大量使用，鑄造生產成本也相應降低，新生鐵等原材料價格一路瘋漲的勢頭得到了有效遏制，極大地緩解了企業的生存壓力。

本文特就利用中頻電爐合成高強度球墨鑄鐵方法結合本企業近幾年來的生產實踐談談認識。

一.生產合成鑄鐵的主要原材料概況

1.廢鋼：相對來說就是廢舊的鋼鐵結構件、邊角余料，A3、45#、40Cr等普通的含CW≤1%、 SiW≤1%、MnW≤1%、低S、低P的材料;廢舊的壓力容器要通過解體，薄小的廢鋼料要打包，零散的或者是通過打包成塊的，要能直接加入到熔爐內，不能卡爐影響布料更不能殘存汽、液體引起爆炸；最好是不要生銹，能清除油污，國外介紹甚至要清除掉油漆和鍍層的。它可以在爐料中占比到50%以上，做到少用甚至不用新生鐵。

2．鋼鐵屑：在機加工過程中鋼鐵件因加工去掉的屑，其中，鋼屑的化學成分與廢鋼相同，鐵屑因鑄鐵的材質是普通灰鑄鐵還是球墨鑄鐵而有所不同，其主要化學成分在CW2.5～4.0%之間，SiW1.5～3.5%之間，MnW0.3～2.0%之間；鋼鐵屑碎小零散，要裝袋或做成屑餅以方便司爐和節省能源，同樣要清除油污和切削液，最好不生銹；若散裝料將會在熔爐內占較大空間，一爐鐵水要多次在不同的狀態、不同的溫度下加料，特別是在爐料已融化、鐵水已生成時再加入的鐵屑料極易氧化發渣，影響熔煉過程正常進行，而即使是氧化嚴重的鐵屑，在熔爐內沒有鐵水出現的早期加入，也能正常熔煉；一般情況下鑄件的切削余量也即鐵屑量占比不過20%左右；

3．機雜鐵：拆卸的報廢的機器設備鋼鐵零部件、機身、底座等，化學成分相對復雜，可能含有少量合金元素或非金屬雜質，一般情況下可清除其中的鋁、鋅、鉛、錫等輕質低熔點金屬和銅等有色金屬以及油污坭后再使用；生產時根據產品的要求其用量可以控制到20%左右，生產球墨鑄鐵時盡量少用或不用；

4．回爐料：就是鑄造生產時產生的澆冒系統、飛邊、毛刺、鐵豆、鍋巴鐵以及廢品等，其化學成分可以方便掌握，但要除掉其表面的粘砂以及除銹后才能使用。它的占比在15～20%左右；

5.增碳劑：應該說在合成鑄鐵的生產中增碳劑是一個比較關鍵的角色——熔煉過程中由于廢鋼量的加大，鐵水含碳低，必須采用非常手段進行增碳，由此用到了增碳劑；增碳劑——無論是其材料本身還是其使用方法都對生產合成鑄鐵起到至關重要的作用。

5.1增碳劑中碳的存在形態

本人使用過的增碳劑有柴炭粉、焦炭粉、煤粉、石墨電極粉、煤焦油、煅燒石油焦、天然石墨壓粒等，不過，不管是哪一種增碳劑，其實，起作用的只是增碳劑中的石墨碳。

自然界中碳存在的普遍形式如表1

表1????????????????? 碳在自然界中存在的普遍形式

石墨與金剛石屬于同素異構體，是結晶形碳即所謂“定形碳、結晶碳”；柴炭、焦炭等是不定形碳，焦炭是煤、石油焦干餾提取揮發分后所得到的，實際上與石墨具有相同的顯微結構。

石墨碳具有均一的六方晶體結構，晶體為一多層狀排列結構，在層的內部碳原子排列成六角形，每一個碳原子和另外三個碳原子在同一平面上以σ鍵相結合，形成無限的六角形蜂巢狀的平面結構層并生成大л鍵，使л電子在整個碳原子平面方向上活動，類似金屬鍵的性質，同一層內原子間的結合能很強，而在層與層之間靠分子間相互作用力結合，其結合能較弱。所以，石墨晶體中既具有共價鍵和金屬鍵性質，又具有層間結合的分子間作用力，屬混合鍵形的晶體。由于在層的內部，碳原子結合很強而在層與層之間結合很弱，這種結晶特性使得石墨具有很強的各向異性，容易分層滑移多向生長。不定形碳也是六方層片狀結構，只是與石墨相比其六方形排列不夠完整，其層間距離較大，結合力更弱。??

在鐵水中的石墨碳以“原子集團”和碳分子的形式存在

? ? ? ? ? ? ? ? ??
? ? ? ? ? ? ? ? ??? C——碳的濃度；D——擴散系數；

??????????????????????? ｔ——時間；x、y、z——三維空間坐標

擴散系數與時間的關系：

? ? ? ? ??

???????? Do--擴散常數、Q——擴散激活能、T——溫度，

也就是說除碳的濃度外，溫度、時間、距離等都會影響增碳的效果。溫度低時沒有鐵水浸潤增碳劑，增碳劑不能溶解也沒有擴散；只有當溫度使鐵材料熔化超過了1148℃鐵液生成后，增碳劑才有可能完全浸泡在鐵水中形成增碳的充分條件，溫度再進一步升高后碳與氧發生氧化反應，增碳劑出現燒損卻不利于增碳。經驗是1420℃～1500℃時增碳效果最好。

5.3.5熔煉操作方法

除了把增碳劑置放在熔爐的中下部，讓鐵水充分浸潤等待增碳劑溶解擴散被吸收等，當鐵水溫度達到要求的溫度后應該有一個2～3分鐘的保溫增碳時間，不要立即扒渣出水，因為增碳劑總比鐵水輕，容易上浮在鐵水表面，這時候若立即扒渣就會將表面的增碳劑攪和在爐渣中和爐渣一起扒出，而浪費增碳劑，影響增碳劑的使用效果。

二、合成球墨鑄鐵的熔煉工藝

2.1爐料配比

??? 一般情況下，就鑄造廠本身而言，鑄件的澆注系統占鐵水的10%左右、綜合廢品率產生的廢品占鐵水10%左右、鑄件的加工余量占鑄件質量的15%～20%左右，這些組成了鑄造回爐料大概在30%～35%左右，這些回爐料的化學成分可以完全被生產者掌握；剩下的65%～70%的爐料可以完全用廢鋼，并且，可根據廢鋼、機雜鐵、生鐵的價格差異做出靈活地取舍，控制生產成本最低。

2.2加料順序

為了確保增碳效果又保護爐襯，一般生產合成鑄鐵時加料順序是：3～5%的散的鋼鐵屑先加入爐底墊底，60%左右的增碳劑隨后加入，然后加入其余的成塊的廢鋼、鋼鐵屑，再加剩下的增碳劑，最后加回爐料和硅鐵、錳鐵等合金材料，生產球墨鑄鐵時為了增加鐵水中的石墨碳集團和碳分子團需要特別加10%左右的新生鐵效果更好。

2.3增碳劑的加入量

??? 除碳化硅（SiC）外，石墨增碳劑的碳含量都在90%以上，然而碳的吸收率受多方面因素的影響，一般只按70%左右計算，可以簡單理解為增碳劑中只有60%左右的石墨碳被完全吸收進鐵水中，這樣，按6:100的比例加入時基本可以達到生產球墨鑄鐵所要求的碳量。

2.4化學成分的調整和最后確定

通過廢鋼、回爐料、增碳劑等配制合成的鐵水是否符合生產要求，首先必須要經過檢驗，若不符合要求則必須調整以符合要求；因為爐料以廢鋼為主，鐵水中的五大元素都低于鐵的要求，增碳劑增加碳含量、硅鐵增加含硅量、錳鐵增加含錳量等，如此多的元素要馬上檢驗出來馬上抉擇才不至于影響生產進度，光電直讀光譜儀正好擔當此項工作，無論國產的還是進口的，滿足鑄造生產已是多多有余了。用光譜儀分析，兩分鐘內，就能得到準確結果，通過與目標成分對比，各元素可以精準地加強控制。碳高時繼續加廢鋼到熔爐內降碳，碳低時則繼續加增碳劑增碳；硅、錳含量也根據含量結果和鐵水總量分別用硅鐵、錳鐵調整。在鐵水化學成分達到要求后，Cw3.65%～3.80%、Siw1.8%～2.0%、Mnw0.3%～0.5%、Pw≤0.7%、Sw≤0.5%按照球化處理球墨鑄鐵生產的工藝生產出球墨鑄鐵。

三、合成鑄鐵的組織和機械性能

3.1合成鑄鐵的組織

由于合成鑄鐵使用了大量的石墨增碳劑增碳，原鐵水中存在大量的高碳微區和低碳微區，高碳微區使合成鑄鐵具有很高的石墨化能力，而低碳微區使鐵水具有很強的形成初生奧氏體的能力，低碳微區愈多奧氏體枝晶愈發達，晶粒愈細小均勻，愈易與后來生成的共晶奧氏體形成細密的三維網絡，在隨后的冷卻過程中，由奧氏體轉變的珠光體也很細小。同時，奧氏體周圍的鐵水增碳速度很快，達到過共晶成分時，在共晶溫度以上即可析出石墨晶核，從而也提高了鐵水的石墨化能力，這樣既有利于提高鑄鐵的強度，同時又改善了鑄件的切削性能