發(fā)布時間：2016-12-17 20:23

  本文關鍵詞：我國鑄鐵鑄造技術的回顧及展望，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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我國鑄鐵鑄造技術的回顧及展望

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1 鑄鐵熔煉技術

1.1 沖天爐技術

沖天爐仍穩(wěn)居鑄鐵熔煉設備之首，至今仍擔負著80%,以上重量的鑄鐵件的熔煉任務。

建國50多年來， 我國的沖天爐技術得到了快速的發(fā)展。在早期，我國鑄造行業(yè)沿用原蘇聯的直筒形三排大風口冷風沖天爐，經過多年來的生產實踐，結合我國具體情況，改進和創(chuàng)造了多種沖天爐爐型，如曲線爐膛多排小風口熱風沖天爐，倒置大排距兩排風口沖天爐，中央送風沖天爐排交叉風口沖天爐，旋轉進風沖天爐，卡腰沖天爐，無爐襯水冷沖天爐等。其它特種爐和煤粉化鐵爐，天然氣化鐵爐，國內也有過研究和應用，但使用還不普遍。尤其20世紀70年代以后，符合我國特點的爐型和熔煉技術已逐漸完善和成熟，形成了獨具我國特色的多排小風口和兩排大間距沖天爐系列。在操作技術上，從一度追求低焦耗到重視鐵水質量，進而講求提高技術經濟、勞動衛(wèi)生和環(huán)境保護的綜合指標，逐步正確地開發(fā)應用了從爐料處理、修爐、烘爐到配加料、鼓風、爐況控制、鐵檢驗等全過程的操作技術。

國外鑄鐵件生產中，熔煉時普遍采用鑄造用焦，熱風沖天爐和雙聯熔煉應用普遍，沖天爐富氧送風、除濕送風已得到應用，鐵液溫度高于1500度。國內鑄鐵件生產中，熔煉時鑄造焦應用比例不足1%，熱風爐和雙聯熔煉應用很少，富氧和除濕送風已經開始研究，出爐鐵液溫度大多為1400度左右。在比較短的歷程中，我們在沖天爐理論研究、爐子結構、修爐材料、送風系統(tǒng)、熱能利用、強化底焦燃燒、爐內氣氛調整控制、鐵水爐前檢驗、消煙除塵、非焦炭化鐵、配料及熔煉過程計算機優(yōu)化控制等諸多方面都取得了可喜的成績。

沖天爐技術的進步是我國鑄造業(yè)實現現代化的重要方面。50多年來，我們已經走出了一條獨具特色的沖天爐技術發(fā)展的成功之路，在我國的具體條件下發(fā)展了沖天爐理論和生產實踐。沖天爐熔煉的質量和效益與生產規(guī)模及爐子容量有密切的關系。從產業(yè)結構方面看，我國的相關企業(yè)追求小而全、大而全的生產結構，致使國內至今沖天爐林立，其中3t/h以下的小型沖天爐占大多數，由此而造成的資源浪費和環(huán)境污染已是不容忽視的問題。隨著我國企業(yè)股份制和集團化的發(fā)展，將為專業(yè)化鑄造廠的發(fā)展提供必要條件，但從我國多種所有制長期并存的經濟結構來看，鑄造廠大、中、小規(guī)模長期并存的格局也是必然的。5t/h以下中小型沖天爐還將長期占有大多數比例。因此，以提高操作技術為主，開發(fā)、推廣低能耗、少污染的沖天爐及其熔煉工藝是我國沖天爐發(fā)展的總趨勢。沖天爐的發(fā)展是圍繞著提高性能、提高生產率、降低消耗、改善操作、減少污染進行的。

沖天爐性能主要體現在碳的燃燒、爐料的加熱和冶金過程三方面。隨著鑄鐵生產批量的擴大和對鑄造生產率及鑄件質量要求的提高，沖天爐容量也不斷地增大。大容量的沖天爐熔煉狀況更穩(wěn)定，無論技術上還是經濟上都比小爐子更具優(yōu)勢。因此，在單一品種大批量生產中，用一臺大容量爐子取代多臺小爐子是合理的。在國際上，沖天爐最新發(fā)展主要為等離子體沖天爐、無焦沖天爐、新型回轉熔煉爐我國鑄鐵業(yè)布局分散、企業(yè)規(guī)模小，生產的社會化水平低，技術水平不等，技術成果的生產轉化率低。而沖天爐作為其基礎工藝設施，更是集中體現了這些特點，大量低水平運行的小沖天爐造成的環(huán)境污染、資源浪費和低質鑄件是不言而喻的。

在操作技術方面，由于長期以來自動化程度低，人工操作技術得以深入的發(fā)展。爐子的熔煉狀態(tài)對操作者的依賴很大，致使沖天爐的熔煉水平差別很大， 甚至同一臺爐子也會因為操作人員狀態(tài)的變化和更換操作者，而出現熔煉水平的波動。實現沖天爐操作的智能化、自動化才能從根本上避免操作者的隨機不良影響，使沖天爐按最佳狀態(tài)穩(wěn)定運行。我國沖天爐自動化研究起步雖晚，但進展較快，在自動優(yōu)化配料、上料、熔煉過程優(yōu)化控制方面取得了一些實用成果，使我國沖天爐的自動化操作水平提高了一大步，縮短了與世界先進水平的差距。

加入WTO將在我們面前展現一個競爭激烈的世界鑄件市場。我們不但要保持鑄鐵件生產大國的地位，還要成為鑄鐵件生產的強國。因此，沖天爐熔煉的發(fā)展將圍繞強化管理、促進技術改造、提高規(guī)模效益進行。我國沖天爐技術的發(fā)展方向主要有以下若干方面：

（1）走專業(yè)化生產道路，提高沖天爐作業(yè)率，向大型化、智能化、長期作業(yè)方向發(fā)展；
（2）爐料供應專業(yè)化、規(guī)模化；
（3）大力發(fā)展沖天爐配套技術，同時加強對沖天爐的控制和檢測；
（4）發(fā)展沖天爐.電爐雙聯熔煉技術；
（5）獲得高溫優(yōu)質鐵水是沖天爐熔煉的根本任務。

1.2 電爐技術

感應電爐熔煉鑄鐵，由于它具有鐵液溫度高、成分穩(wěn)定、污染少、便于調整鐵液成分的優(yōu)點，從20 世紀60年代初起，在一些工業(yè)發(fā)達國家開始普及。近年來，中頻感應熔煉爐的迅速發(fā)展給鑄鐵生產注入了新的活力。感應熔煉爐的發(fā)展和應用，使鑄鐵生產進入一個新階段。盡管工頻感應熔煉爐存在某些不足，但它在金屬熔煉、鐵液成分調整、金屬液的升溫和保溫，尤其作為其它熔煉爐的雙聯用爐仍在普遍應用。中頻感應熔煉爐適合熔煉鑄鐵，特別是合金鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵，它的迅速發(fā)展和所顯示的優(yōu)越性，使其近年來在鑄鐵生產中呈現出被廣泛應用的新趨勢。它節(jié)能降耗、生產率高，且具有較大的生產靈活性，對鋼鐵冶金企業(yè)等行業(yè)性機修廠及其它單件小批量生產極為有利；它自動化程度高，且配有雙供電電源與控制系統(tǒng)，同時具有熔煉和保溫雙重功能，對于諸如汽車鑄件和鑄鐵管生產的連續(xù)性作業(yè)非常適合；它既適用于冷料熔煉，又適宜與其它熔煉爐進行雙聯，具有廣闊的應用前景。

2 鑄鐵合金

2.1 鑄鐵合金概述

目前，世界鑄鐵件的生產狀況和趨勢是，灰鑄鐵件的比例明顯下降，但仍占優(yōu)勢。球鐵鑄件的產量持續(xù)增長，蠕鐵和特種鑄鐵也有了較大發(fā)展�；诣T鐵的全球產量趨向于逐年下降，但灰鑄鐵中的高強度鑄鐵所占的比重越來越大，廣泛用于制造汽車、拖拉機、農業(yè)機械、機床和通用機械等各個方面。我國灰鑄鐵約占鑄鐵件總產量的80%以上，而高強度灰鑄鐵的比重較小。如國內柴油機缸體鑄件比國外重30%以上，且抗拉強度在碳當量相同的情況下比國外低1-2級。在碳當量相同的條件下，我國生產的灰鑄鐵的拉伸性能比發(fā)達國家低1-2個牌號。今后，加強高強度灰鑄鐵的試驗研究無疑應是我國灰鑄鐵的發(fā)展方向。我國可鍛鑄鐵總產量在世界上名列前茅，雖然我國可鍛鑄鐵產量較大，但今后的需求量還將有所增大。所以，今后我國可鍛鑄鐵還將有一個大的發(fā)展。

目前，我國可鍛鑄鐵的生產與國外相比，主要有以下差距。a品種少，僅有黑心可鍛鑄鐵。國外珠光體可鍛鑄鐵生產得很多，且有焊接性能良好的白心可鍛鑄鐵。b質量差。國外多以電爐或沖天爐*電爐雙聯熔煉為主，且有先進的爐前控制與測試技術。而國內以小型沖天爐為主，且對原材料檢驗控制不嚴，爐前都憑經驗，先進的測試設備很少，這些都是產品質量不穩(wěn)定的重要原因。c鍍鋅工藝落后。d缺少耗能低、保溫性好、污染小的理想退火爐。以上差距都有待趕上，以使我國可鍛鑄鐵能向更高的水平發(fā)展。在鑄鐵產量縮減的情況下，球鐵在鑄鐵件中所占的比例依然在增大。

20世紀50年代，世界球鐵產量還很少，1960年也只有50萬噸，1970年猛增至500萬噸，到1980年已到760萬噸。在西方發(fā)達國家， 通常用球鐵件取代部分灰鑄鐵件和可鍛鑄球件。我國球鐵鑄件產量比較低，占鑄鐵件的比例遠小于西方發(fā)達國家。

此外，我國球鐵鑄件在質量和生產穩(wěn)定性方面的差距也較大。目前我國球墨鑄鐵生產較突出的問題是材質強韌性差、缺陷多。其原因除爐料、球化處理方法和球化劑等因素外，主要是球化處理前對鐵液含硫量要求過松。發(fā)達國家的球鐵生產時，當采用沖天爐或電爐與沖天爐雙聯熔煉時，爐外脫硫是必不可少的，使原鐵液含硫量達到≤0.001%的水平，這樣極大地降低了球化處理時球化劑的消耗及鑄鐵件中硫化物夾雜的含量。

為使我國球鐵生產能有大幅度的增長，必須大力推動實施能穩(wěn)定提供質量可靠的優(yōu)質球鐵件的配套技術。國內外在蠕化工藝和蠕化劑的研究方面都達到了很高的水平，所研制的蠕化劑種類繁多，可達近百種。我國稀土資源豐富�，F在，在生產中應用的蠕化劑主要是稀土硅鐵鎂合金、稀土硅鈣合金和稀土鎂鈦合金。國內外現有的蠕化處理工藝主要有沖入法、隨流法、氣動法、型內法等。蠕墨鑄鐵已用于大量生產，建有生產線（用感應電爐熔化），質量基本穩(wěn)定。我國在穩(wěn)定生產蠕鐵方面也取得了一定的經驗，尤其在汽缸蓋和排氣管方面。國內通常用沖天爐熔化，原鐵液質量差，雖用稀土鎂球化劑以保證鑄件質量，但材質動態(tài)力學性能和伸長率較國外水平低。

當前，影響國內蠕鐵發(fā)展的關鍵問題仍然是生產穩(wěn)定性問題， 這又主要表現為熔煉、處理等技術水平和生產管理水平有待提高上。隨著現代化工業(yè)的發(fā)展，對具有特殊性能的材料的需求量不斷增長，而我國特種鑄鐵（抗磨、耐蝕和耐熱鑄鐵）的發(fā)展速度較緩慢，技術水平和國外差距較大。為了適應新形勢下國民經濟發(fā)展的需要，特種鑄鐵的研究今后將成為我國鑄鐵發(fā)展的一個重要方向。

2.2 鑄鐵合金的發(fā)展

2.2.1 高強化、薄壁化是我國灰鑄鐵的發(fā)展方向。

我國高強度灰鑄鐵件與國外相比，主要差距是強度低、耐磨性差、壽命低、斷面敏感性大、加工性差。高強度灰鑄鐵的著眼點是提高碳當量，在保證良好的鑄造性能的同時獲得高的強度。但為獲得強度高、性能穩(wěn)定和品質均一的鑄鐵件，又必須嚴格控制碳當量，并從熔煉、檢測等方面來予以保證。

目前國外對高強度灰鑄鐵的生產，除作常規(guī)檢測外，還提出了十項新的檢驗指標，即鐵水溫度、鐵水純凈度、共晶團數、共晶度、相對硬度、相對強度、品質因數、彈性模數、過冷度、過冷度比。其中，共晶度一般在0.8-1.0左右較好；相對強度為1.15-1.20時，鑄鐵的性能最理想；相對硬度在0.8-1.0時，切削性能良好。品質因數愈高，材質愈好。過冷度一般控制在,6-8度之間，這時孕育效果最佳；過冷度比通�？刂圃�1.5-2.5之間；彈性模數之值愈大，鑄鐵抗拉強度愈大；共晶團愈細，鑄鐵的強度愈高。通過對上述指標的嚴格控制可達到穩(wěn)定的質量。我國高強度灰鑄鐵研究的重點是：a提高鐵液溫度，改善鑄鐵冶金質量，采用合成鑄鐵熔煉工藝；b 加強孕育處理技術，尤其是強化孕育鑄鐵的研究和推廣；c研究和推廣低合金化孕育鑄鐵；d調整化學成分、控制鑄鐵的Si/C比，以獲得高強度低應力鑄鐵。國內的實踐表明，若使Si/c比值在0.5-0.9，再加以適當的孕育和合金化，可獲得具有良好綜合力學性能的高強灰鑄鐵。另外，調整Mn,Si含量，使含Mn量比含Si量高0.2%-1.3%或以上，可以得到另一種高強度低應力鑄鐵。目前，我國的工廠大多無爐前快速測定C,Si含量的儀器，因而不能及時掌握C,Si的變化情況C,Si含量波動很大，致使鑄件質量難以穩(wěn)定，這是今后急需解決的一個問題。鑄鐵薄壁化、輕量化、強韌化是為了滿足工程界對工程材料節(jié)能性、回用性兩方面的要求，適應“人類可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略”的需要。

對汽車工業(yè)而言，降低整車自重對節(jié)能、減少廢氣排放有關鍵性的意義。鑄件的“薄壁高強”化正在工程界成為一種趨勢，其技術應用也將日益成熟并迅速拓展，在可以預見的將來，3-5mm的高強薄壁球鐵件將會大量出現在一般機電產品中。所謂“薄壁高強”，即生產中所指壁厚為4-6mm（國外為3.0-3.5mm），抗拉強度大于250MPa。而國內目前大多數工廠發(fā)動機仍使用HT200牌號材質標準。就材質而論，其主要原因是大多數工廠采用沖天爐熔煉，鐵液指標達不到要求， 特別是鐵液溫度低和化學成分波動大，使該類產品鑄件難以控制，從而導致廢品率高。其中屬于材質方面的主要是性能達不到高牌號要求，斷面均勻性差，滲漏嚴重，熱疲勞性能差。我國在“六五”至“八五” 期間，經過科研院所、大專院校與生產廠家的聯合攻關，對高強薄壁鑄鐵件的研究取得了較大進展，縮短了與國外先進水平的差距。與國外同類產品相比，在鑄件的使用性能和品質穩(wěn)定性方面，還存在著不小的差距。如在材料耐磨性方面，國外汽車一般第一次大修里程，汽油機為30萬km，柴油機大于50萬km。而國內分別是10-15萬km和25萬km。汽缸套使用壽命國外可達到6000-8000h，而國內只有 3000-5000h。由于耐磨性與材料的綜合性能密切相關，為滿足發(fā)動機不斷強化的要求，改善缸體的組織與性能和研究缸體新材料與新工藝，提高缸體耐磨性和使用壽命，已成為當前國內外學者和工程技術人員研究的重點之一。

2.2.2發(fā)展球鐵新品種、采用新的球鐵生產工藝

(1) 加強薄壁和大斷面鑄態(tài)球鐵技術的開發(fā)和應用。要保證鑄件的力學強度和切削加工等性能不致因壁厚減小而降低，其基本途徑就是使球墨鑄鐵的力學性能得到改善。最重要的兩個方面，一是白口化傾向的減低和抑制，二是石墨組織的改善。球化劑的合理選用和稀土（RE）元素的加入是實現高強度薄壁球鐵鑄造的關鍵。該技術的核心是在鑄造（熔煉）工藝中要保證RE/S=2-2.5。球化劑要選用Fe-Si-Mg-RE-Ca系材料，其中稀土元素（Ce.La.Pr）的加入并使之與硫保持一定比例是球化技術關鍵，同時嚴格控制P≤0.04%-0.06%,Be=0.003%-0.007%。實驗證實，當Mg/S≥5時，易生成白口；而RE/S≤2(時，出現球化不良；RE/S≥2.5時，也易出現白口。故在一般情況下要求硫含量越低越好的鑄鐵，此時（薄壁狀態(tài)）為了一定的球化率、晶粒細化和減少白口，則必須保持一定比例的硫含量。此點對于以廢鋼（S較少）為主要原料的熔煉廠應特別予以注意。

(2) 繼續(xù)開發(fā)和應用奧-貝球鐵。奧-貝球鐵是近幾十年來鑄鐵冶金研究的重大成就之一，它是迄今為止具有最好綜合性能的一種球鐵，尤其是高的彎曲疲勞性能和良好的耐磨性，因而獲得廣泛的注目和開發(fā)應用。奧貝球鐵的基體組織由板狀或針狀鐵素體25%-50%的穩(wěn)定殘余奧氏體和碳化物組成，，有時有少量的馬氏體存在，一般通過850-900度奧氏體化后在300-450度等溫淬火來獲得，其常規(guī)化學成分與通常的鐵素體或珠光體球鐵一樣。采用等溫淬火來獲得奧-貝球鐵，其熱處理費用高，難以普及，且因殘余奧氏體向馬氏體轉變這一加工硬化現象使得加工困難。國外出現了中斷熱落砂法、中斷正火法等新的生產奧-貝球鐵工藝，這些生產工藝成本低、能耗少， 且可行，因而具有研究和推廣的實際意義。

(3) 發(fā)展奧氏體球鐵。奧氏體球鐵在石油、化工、海洋與船舶、儀器儀表、食品、動力與冷凍、以及核工程等許多領域都具有廣闊的應用前景，因而成為近年來球鐵領域中的一個新的研究重點。盡管目前產量還不大，但有些國家卻發(fā)展很快，尤其德國的產量每年以10%的速度遞增，并且，一種以GGG-NiGrNb20-2為牌號的可焊接奧氏體球鐵已在德國問世，其化學成分（%）為：C≤3.0，Si1.5-2.6,Mn0.5-1.5,P≤0.4,Nb0.1-0.2,Ni18-22,Gr1.2-2.5,Mg0.08。瑞士Sulzer研制的新型Ni-Mn奧氏體球鐵在-196度下仍具有很好的沖擊韌性， 最近又出現了15%Ni-5%Mn,20%Ni-4%Mn系的經濟性很好、低溫用奧氏體球鐵。GGG-NiMn137牌號也開始用于制造熱核反應堆外殼承重結構、核潛艇高壓殼體等。我國鎳的貯量占世界第一位，而奧氏體球鐵的研究還是一個弱點，因此有待開發(fā)，尤其是高Ni奧氏體球鐵。

(4) 采用新的球鐵生產工藝。在熔煉方面，最好采用感應電爐或沖天爐-電爐雙聯熔煉，特別是沖天爐—爐外脫硫—電爐保溫的工藝流程能為制取球鐵提供優(yōu)質的高溫低硫原鐵液。在球化處理方面，現在國內外已有的方法達8種以上，國外廣泛采用GF轉包法和包蓋法，我國也正在推廣使用。在孕育方面，孕育劑的選擇應在一定的鑄件冷卻速度下使球化—孕育有一個最佳的搭配。孕育方法以瞬時孕育為佳，近十多年來，國內外已發(fā)展了五六種新的瞬時孕育工藝。此外，近年來發(fā)展的鐵液過濾凈化技術也已得到推廣應用，成為提高球鐵質量的一種很好的措施。

2.2.3 發(fā)展孕育技術

孕育推動了高強度灰鑄鐵的發(fā)展，并使球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵的生產更趨完美。凡是經過孕育處理的鑄鐵，都具有石墨細化、組織均勻和壁厚敏感性小的特點。隨著工業(yè)的發(fā)展，勢必有大量廢鋼要利用，電爐熔煉在鑄鐵熔煉中的地位日益突出。在該種熔煉、爐料條件下，孕育更是必不可少。孕育處理已經成為生產優(yōu)質鑄鐵產品的一種重要手段。在現代鑄鐵的生產中，灰鑄鐵以及球墨鑄鐵孕育處理的重要性正越來越受到人們的重視，而且這種情況肯定還會繼續(xù)下去。過去，對孕育的發(fā)展往往寄希望于新的孕育劑， 這無疑是必要的。但近年來，孕育方法的改進，特別是遲后孕育，受到了人們的重視。因此，今后在發(fā)展孕育劑的同時，對孕育問題的注意力可能轉向發(fā)展新的孕育方法。另外，必須在鐵液質量、鐵液成分、爐料組成、孕育技術、爐前快速檢驗與控制等環(huán)節(jié)采取措施，克服鑄造性能、白口傾向、力學性能以及希望高碳當量之間的矛盾。

2.2.4發(fā)展合金鑄鐵

合金化是提高鑄鐵性能的重要手段之一，隨著生產日益發(fā)展，鑄鐵合金化或微合金化必將發(fā)揮重要的作用。必須結合當地資源不斷開拓合金鑄鐵新品種， 利用先進手段不斷加深對現用合金鑄鐵的認識。

2.2.5發(fā)展鑄鐵件表面強化技術

對于特殊應用場合，往往希望鑄件表層具有特殊的性能。傳統(tǒng)鑄件的整體強化導致零件整體鑄造時工藝性能惡化、生產過程復雜、廢品率增加和合金元素浪費，并且增加了成本，從而限制了鑄鐵材質優(yōu)點的發(fā)揮。鑄鐵件表面層激光強化處理和鑄件表面合金化技術可以在普通鑄件表面形成冶金結合的合金層，使鑄件具有復合性能，以適應于特殊的應用場合。上述技術已經逐步用于耐磨零件的生產，取得了明顯的成效�？傊鲜鲨T鐵技術不是孤立的，加強鑄鐵復合化技術的研究和應用，以系統(tǒng)工程的觀點采取綜合措施，是獲得優(yōu)質、高強鑄件的根本保證。在此基礎上，加強質量管理、采用先進的檢測手段、提高鑄件的尺寸精度和表面質量也是必不可少的環(huán)節(jié)。

3 未來的發(fā)展方向

（1）以機床工業(yè)、能源工業(yè)、核能工業(yè)、石化工業(yè)及海洋工程為主要目標，以重、高、大、難為特點，開展重大技術裝備、鑄造技術的基礎理論研究。發(fā)展數值模擬、物理模擬及專家系統(tǒng)，使鑄鐵技術由“經驗”走向“定量”。
（2）以汽車工業(yè)，航空航天及核能工業(yè)為主要目標，以強韌化、輕量化、精密化、高效化為特點，開展鑄鐵新材料、新工藝的研究。
（3）為提高產品質量和生產率，增強我國工業(yè)產品在國際市場上的競爭能力，開展鑄造過程自動化、柔性生產單元和系統(tǒng)及集成制造技術的研究。
（4）激勵開展有潛在應用前景的鑄鐵技術應用基礎理論的研究。
（5）大力發(fā)展提供鑄鐵工藝材料及輔料的專業(yè)化、現代化的企業(yè)。
（6）發(fā)展綠色集約化鑄造，加大力度治理鑄造過程對環(huán)境的污染，加強對鑄造材料的再生和回用。(end)

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