100%廢鋼生產球鐵的技術及其專用變質劑

劉玉滿（中南鑄冶材料研究所，廣西桂林541000）

100%廢鋼生產球鐵的技術及其專用變質劑

劉玉滿
（中南鑄冶材料研究所，廣西桂林541000）

介紹了在中頻電爐熔煉的條件下，采用100%廢鋼生產鑄鐵（球鐵、灰鐵）的優勢和劣勢。優勢是原材料“四低”:成本低、硫低、磷低、錳低；劣勢是當鐵水在爐內采用增C劑，當C質量分數增至2.8%～3.0%時很難再增高，而且，由于增C劑的大量使用，使鐵水中的高碳相或原始碳相的大量存在而導致析出的石墨呈粗、厚、長形態，鑄件晶粒粗大，組織疏松，機械性能明顯下降。針對這種情況提出了采用專用變質—孕育復合劑在爐前作有效的處理，從而穩定地獲得高質量的球鐵和灰鐵鑄件的方法。并對專用變質—孕育復合劑的使用作了介紹。

全廢鋼熔煉；高韌高強球鐵；車標灰口鑄鐵；專用變質劑

不論是國內還是國外，生產高強高韌高品位球鐵都需要大量耗用高價的“優質原生鐵”，這種“優質原生鐵”的資源已日趨枯竭，優質原生鐵的價格將越來越高。在傳統和現行的高強高韌高品位球鐵的生產中，“優質原生鐵”的耗用量常占金屬爐料總量的50%～60%，而國內球鐵的市場價又很低廉，很多鑄造企業生產球鐵無利可圖。球鐵無利，生產灰鐵鑄件就更艱難。

“優質原生鐵”價格大漲，4 000多元1 t，而廢鋼價普遍下跌，很多地方不足2 000元1 t（指2016年市場價），針對這一問題，提出了100%廢鋼生產高質量高性能的球鐵的研究。

1 如何采用100%廢鋼生產球鐵

1.1 增C是難點

眾所周知，鐵碳合金碳當量理論在球鐵生產與科研中的應用是十分重要的，按傳統和現行的球鐵生產技術，其碳當量通?！?.0%為多，也就是說，不能只考慮碳量的高低，而是要著眼于碳、硅量的平衡，即碳硅當量，簡稱碳當量。只要C E≥4.0%，且工藝合理的話，生產球鐵是可行的。因此，既然廢鋼的含C質量分數一般為0.4%左右，含硅質量分數也是0.4%～0.6%為多，那么100%廢鋼熔煉過程最重要的手段就是增碳增硅。增硅容易，增碳也不難，但在中頻爐中把C質量分數由0.4%增至3.0%或更高，則不是很容易的事。這就是以100%廢鋼生產球鐵（也包括生產灰鐵）的主要矛盾，也是這項工藝技術的難點之一。

1.2 增C手段

增C無非是在熔煉過程把金屬液含C質量分數提高到3.0%以上，增C材料是增C劑，還原期增C是最佳期，此溫度區對增C劑燒損較小，吸收率較高，一般可達85%以上。

增C劑沒必要過早加入，有些廠家在熔煉初始就把相當量的增C劑壓埋于爐膛底部，實際上導致廢鋼熔化與碳粒燒損同步進行，這樣碳粒燃燒時間過長，耗損過大，增碳效果差。

鋼鐵水處于還原期溫度區加入增C劑（粒度2mm～3mm）于液面，不需攪拌或壓沉，只需將其在鋼鐵水表面輕輕扒動即可。因為鋼鐵液在中頻爐中是靠磁力“攪拌”而翻滾旋動，浮在液面上的增C劑隨鐵液翻滾而被吸收達到增C目的。

增C劑的加入量可按吸收率85%左右預算，分批加入置于液面，不要一次過于堆積。在還原期基本完成增C操作，根據爐后取樣化驗的結果再作調整，按常規的熔煉規律，此時已進入氧化期，即預出鐵期。為了節能省電，同時高溫熔煉時間過長也不利于爐襯的保護，爐壁腐蝕會加快，故后期（氧化期）增C調節或減C調節不宜拖延過長時間，宜快速調節：

1）如增C量過度，則減C至所需控制的范圍內，通過計算加入預算量的廢鋼即可。

2）如增C不足且欠C范圍很小，則適當補加增C劑于鐵液表面稍扒動幾分鐘立即取樣檢測，達到預控C含量范圍即可出鐵。

3）如增C嚴重不足（還原期增C操作欠缺所致），加大增C劑量仍收效甚微或很難再增的情況下，宜適當加入少量回爐鐵（可按w（C）＝3.3%～3.6%估算），很快即可將C調至預控范圍。為了穩定質量，回爐鐵宜用前一爐的澆冒口或廢品，一般加入占鐵水總量10%～15%即達理想效果。

其實，生產過程每爐割下的澆冒口是必然存在的，完全應該復用，按正常工藝出品率計算，回爐鐵的比例?！?0%，足夠在100%廢鋼熔煉時作后期C含量調整，根本不必添加原生鐵。

1.3 變質是關鍵

從遺傳性角度講，增C劑的大量使用必有“遺傳”。增C劑是“超高碳相”。碳在鑄鐵中的表現形式是析出石墨，“原C相”或“超高碳相”的石墨形態是“粗、厚、長”為特征，而高強度灰鐵的理想石墨應該是細小均勻分布，“粗、厚、長”石墨不僅對基體起“分割”作用，極大削弱強度，而且相當于在基體內形成許許多多的“空穴”，石墨粗大而長，鑄鐵結晶必晶粒粗大，晶間距增大，由此而導致基體組織疏松、組織致密度差，由此而決定著鑄件的機械力學性能低劣。對于球鐵，原鐵水中石墨粗大厚長，則球化處理的結果不良，即使球化了，其球團狀石墨粗大且不圓整，如同一個個“大球團”，球化級別根本達不到預期的要求，這樣的“球鐵”實乃低劣品，沒有工程應用的價值。球墨鑄鐵的處理，先決條件是要有優質的原鐵水，否則其“先天不足”帶來的后天缺陷（后遺癥）是很難提升等級的。要解決這個問題，必不可少的也是最簡單、最有效的就是對原鐵水進行變質處理。

鐵水變質和孕育往往是復合同步進行的，孕育中包含有變質，變質中包含有孕育。根據球鐵爐前處理的特點，可以說是孕育—變質—球化復合進行的，而且可以認為孕育—變質比球化過程是稍超前一步。其實，從出鐵槽中撒進孕育變質劑，或把孕育變質劑覆蓋于包中的球化劑之上，這實際上就是先發生孕育—變質，后續發生球化反應，原鐵水進入包內首先與孕育—變質劑接觸，后與球化劑反應，而且要等到球化劑在鐵水中“引爆”之后才真正進入“球化”階段，從“引爆”到鐵水平靜狀態，足有十多秒的時間。根據這一原理和處理工藝的特性，完全可以在爐前球化處理的同時，讓孕育變質劑超前一步與鐵水發生變質孕育，也就是說，把孕育變質劑覆蓋于球化劑之上即可。

由于鐵水中的C大部分來自增C劑，鐵水中的C（石墨）是“超高碳相”，甚至“原始碳相”，那么要把這些粗、大、厚、長的石墨變成細片狀石墨并通過球化處理轉變成細小圓整的球狀石墨，常規的孕育劑是難以實現的。于是提出了專用復合變質劑的研究與開發。

2 廢鋼全熔煉專用復合變質劑

高溫鐵水與孕育變質劑接觸發生孕育變質反應的時間極短，可以說是“瞬時”的，生產中實施“瞬時孕育”、“隨流孕育”就是利用這個原理。而瞬時孕育的孕育劑往往是易吸收細?；蚍蹱畹?，且熔點較低—即含有助熔和降低熔點的合金或礦物成分。由于大量使用增C劑，鐵水“高碳相”所必然產生的石墨形態差劣的“遺傳性”影響的客觀存在，使用的孕育變質劑應該是強效型的；由于球鐵鐵水處理時間較長，澆注延時性也較長，這種孕育劑又應是長效型的，這就是研究開發100%廢鋼生產球鐵和灰鐵的復合變質劑的指標和方向。

2.1 復合變質劑的特點

①粒度0.5mm～3mm，瞬時石墨化作用強；②含有強效、長效作用的合金成分；

③含有助熔、降熔的礦物和合金成分（比如適量M n可降熔點）；

④具有凈化鐵水、細化晶粒、除氣、除雜、精煉的復合功能；

⑤易形成輕質上浮易清除的干渣，確保鐵液高度純凈；

⑥成本低，使用方便，爐前爐后處理無污染，一料到位；

⑦通用于球鐵和灰鐵，通用于非全廢鋼的常規球鐵灰鐵的爐前孕育變質處理，加入量原則上同等。

2.2 專用孕育變質劑的使用方法

1）置于鐵水包內，覆蓋于球化劑之上；

2）加入（覆蓋）質量分數為≥鐵水量的1%；

3）變質劑壓蓋后，宜在上方再覆蓋一層硅鋁酸棉（亦稱保溫聚渣棉），防止出鐵水時把球化劑和變質劑瞬時沖浮而影響吸收效果；

4）球化劑的加入質量分數為1.1%～1.2%（由于廢鋼熔煉的鐵水含S量較低，球化劑的加入量也較低）；

5）出鐵水時在包內添加75%S i F e孕育劑質量分數為0.3%左右，粒度3mm～6mm；

6）球鐵出水溫度1 520℃～1 555℃為佳，灰鐵出水溫度宜＞1 480℃.

3 100%廢鋼生產球鐵的實際效果

2017年以來，中南鑄冶基地采用100%廢鋼生產的出口球鐵（Q T500-10，出口德國，橡膠機械重要機件），質量穩定，符合產品標準的要求。所生產的Q T500-10化學成分控制范圍為：w（C）（3.0～3.4%），w（M n）（0.6～0.7%），w（S i）（3.0～3.3%），w（S）（0.005～0.006%），w（P）（0.03～0.035%）；實測伸長率15%～20%，抗拉強度53 N/m2～58 N/m2，原材料成本大大降低。在熔煉后期可用冒口材料來調整鐵液中C的質量分數，所用冒口鐵屑的化學成分為：w（C）3.12%、w（M n）0.63%、w（S i）3.31%、w（S）0.005%、w（P）0.03%.圖2為專用變質劑。

圖1 作后期C含量調整所用冒口材料

圖2 100%廢鋼熔煉專用變質劑

3.1 技術效果

1）中南鑄冶基地自2017第一爐試生產以來，球化處理工藝穩定可靠，從未出現過球化不良的現象，石墨球細小圓整，球化級別1～2級良好；

2）經力學性能檢測：抗拉強度σb＞530 N/mm2，延伸率δ＞15%；

3）加工性能：鑄態和退火態加工性能良好，滲C體和磷共晶量極微；

4）中南鑄冶生產的Q T500-10化學成分控制范圍：w（C）3.0%～3.4%，w（M n）0.6%～0.7%，w（S i）3.0%～3.3%，w（S）0.005%～0.006%，w（P）0.03%～0.035%；

5）全廢鋼生產球鐵的技術劣勢是含C量過低，其優勢則是含S和P較低；

6）如采用全廢鋼生產珠光體或貝氏體球鐵，只需根據球鐵生產的傳統通用理論添加相關C u、C r、M o、V、S n等合金元素即可調節。

3.2 經濟效果

1）按每t生產球鐵用的優質原生鐵4 500元/t、加入質量分數55%計算，平均每生產1 t優質球鐵鑄件原材料成本降低1 000元左右；

2）球化劑+孕育劑的使用成本與傳統的處理技術相比幾乎不變，無增減。

4 技術前景與應用

1）100%廢鋼生產球鐵或灰鐵工藝穩定，質量可靠，解決了優質生鐵資源枯竭和成本高漲的重大難題。

2）采用全廢鋼生產球鐵時，球鐵生產的某些傳統理論需修正和補充，比如國內外多數文獻都強調含碳質量分數3.5%～3.9%，其實不然，無需那么高的C，許多文獻推薦配料中的原生鐵比例50%～65%也是片面的，或者說只適用于傳統的工藝與理論。同樣，在傳統文獻和傳統技術中，原鐵水含M n質量分數低于0.5%的限制范圍也應修正，高韌性球鐵（δ＞10%）的含M n質量分數在0.6%～0.8%之間的伸長率同樣穩定在15%左右。

3）100%廢鋼生產球鐵或灰鐵前景廣闊，專用變質劑已申報登記國家發明專利。

4）此項技術對球鐵和灰鐵生產均可適用，且爐前處理工藝與操作方法及變質劑的使用量相同，大大簡化了生產技術的管理。

TG23

A

1674-6694（2017）03-0054-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.03.018

2017-03-02

劉玉滿（1944-），男，高級工程師。