转帖我国铸铁铸造技术的回顾及展望

云松 · 发表于 2011-11-17 23:33:41

1 铸铁熔炼技术
1.1 冲天炉技术
冲天炉仍稳居铸铁熔炼设备之首，至今仍担负着80%,以上重量的铸铁件的熔炼任务。建国50多年来，我国的冲天炉技术得到了快速的发展。在早期，我国铸造行业沿用原苏联的直筒形三排大风口冷风冲天炉，经过多年来的生产实践，结合我国具体情况，改进和创造了多种冲天炉炉型，如曲线炉膛多排小风口热风冲天炉，倒置大排距两排风口冲天炉，中央送风冲天炉排交叉风口冲天炉，旋转进风冲天炉，卡腰冲天炉，无炉衬水冷冲天炉等。其它特种炉和煤粉化铁炉，天然气化铁炉，国内也有过研究和应用，但使用还不普遍。尤其20世纪70年代以后，符合我国特点的炉型和熔炼技术已逐渐完善和成熟，形成了独具我国特色的多排小风口和两排大间距冲天炉系列。在操作技术上，从一度追求低焦耗到重视铁水质量，进而讲求提高技术经济、劳动卫生和环境保护的综合指标，逐步正确地开发应用了从炉料处理、修炉、烘炉到配加料、鼓风、炉况控制、铁检验等全过程的操作技术。国外铸铁件生产中，熔炼时普遍采用铸造用焦，热风冲天炉和双联熔炼应用普遍，冲天炉富氧送风、除湿送风已得到应用，铁液温度高于1500度。国内铸铁件生产中，熔炼时铸造焦应用比例不足1%，热风炉和双联熔炼应用很少，富氧和除湿送风已经开始研究，出炉铁液温度大多为1400度左右。在比较短的历程中，我们在冲天炉理论研究、炉子结构、修炉材料、送风系统、热能利用、强化底焦燃烧、炉内气氛调整控制、铁水炉前检验、消烟除尘、非焦炭化铁、配料及熔炼过程计算机优化控制等诸多方面都取得了可喜的成绩。冲天炉技术的进步是我国铸造业实现现代化的重要方面。50多年来，我们已经走出了一条独具特色的冲天炉技术发展的成功之路，在我国的具体条件下发展了冲天炉理论和生产实践。冲天炉熔炼的质量和效益与生产规模及炉子容量有密切的关系。从产业结构方面看，我国的相关企业追求小而全、大而全的生产结构，致使国内至今冲天炉林立，其中3t/h以下的小型冲天炉占大多数，由此而造成的资源浪费和环境污染已是不容忽视的问题。随着我国企业股份制和集团化的发展，将为专业化铸造厂的发展提供必要条件，但从我国多种所有制长期并存的经济结构来看，铸造厂大、中、小规模长期并存的格局也是必然的。5t/h以下中小型冲天炉还将长期占有大多数比例。因此，以提高操作技术为主，开发、推广低能耗、少污染的冲天炉及其熔炼工艺是我国冲天炉发展的总趋势。冲天炉的发展是围绕着提高性能、提高生产率、降低消耗、改善操作、减少污染进行的。冲天炉性能主要体现在碳的燃烧、炉料的加热和冶金过程三方面。随着铸铁生产批量的扩大和对铸造生产率及铸件质量要求的提高，冲天炉容量也不断地增大。大容量的冲天炉熔炼状况更稳定，无论技术上还是经济上都比小炉子更具优势。因此，在单一品种大批量生产中，用一台大容量炉子取代多台小炉子是合理的。在国际上，冲天炉最新发展主要为等离子体冲天炉、无焦冲天炉、新型回转熔炼炉。我国铸铁业布局分散、企业规模小，生产的社会化水平低，技术水平不等，技术成果的生产转化率低。而冲天炉作为其基础工艺设施，更是集中体现了这些特点，大量低水平运行的小冲天炉造成的环境污染、资源浪费和低质铸件是不言而喻的。在操作技术方面，由于长期以来自动化程度低，人工操作技术得以深入的发展。炉子的熔炼状态对操作者的依赖很大，致使冲天炉的熔炼水平差别很大，甚至同一台炉子也会因为操作人员状态的变化和更换操作者，而出现熔炼水平的波动。实现冲天炉操作的智能化、自动化才能从根本上避免操作者的随机不良影响，使冲天炉按最佳状态稳定运行。我国冲天炉自动化研究起步虽晚，但进展较快，在自动优化配料、上料、熔炼过程优化控制方面取得了一些实用成果，使我国冲天炉的自动化操作水平提高了一大步，缩短了与世界先进水平的差距。我们不但要保持铸铁件生产大国的地位，还要成为铸铁件生产的强国。因此，冲天炉熔炼的发展将围绕强化管理、促进技术改造、提高规模效益进行。我国冲天炉技术的发展方向主要有以下若干方面：
（1）走专业化生产道路，提高冲天炉作业率，向大型化、智能化、长期作业方向发展；
（2）炉料供应专业化、规模化；
（3）大力发展冲天炉配套技术，同时加强对冲天炉的控制和检测；
（4）发展冲天炉.电炉双联熔炼技术；
（5）获得高温优质铁水是冲天炉熔炼的根本任务。
1.2 电炉技术
感应电炉熔炼铸铁，由于它具有铁液温度高、成分稳定、污染少、便于调整铁液成分的优点，从20 世纪60年代初起，在一些工业发达国家开始普及。近年来，中频感应熔炼炉的迅速发展给铸铁生产注入了新的活力。感应熔炼炉的发展和应用，使铸铁生产进入一个新阶段。尽管工频感应熔炼炉存在某些不足，但它在金属熔炼、铁液成分调整、金属液的升温和保温，尤其作为其它熔炼炉的双联用炉仍在普遍应用。中频感应熔炼炉适合熔炼铸铁，特别是合金铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁，它的迅速发展和所显示的优越性，使其近年来在铸铁生产中呈现出被广泛应用的新趋势。它节能降耗、生产率高，且具有较大的生产灵活性，对钢铁冶金企业等行业性机修厂及其它单件小批量生产极为有利；它自动化程度高，且配有双供电电源与控制系统，同时具有熔炼和保温双重功能，对于诸如汽车铸件和铸铁管生产的连续性作业非常适合；它既适用于冷料熔炼，又适宜与其它熔炼炉进行双联，具有广阔的应用前景。

云松 · 发表于 2011-11-17 23:50:58

3 未来的发展方向
新世纪的到来给我国铸造业带来了大好的发展机遇和严峻的挑战。同样，铸铁业在积极采用高新技术改造传统产业，充分挖掘铸铁材料的巨大潜能等方面必将紧跟时代的步伐，预计未来在以下若干方面将得到发展。
（1）以机床工业、能源工业、核能工业、石化工业及海洋工程为主要目标，以重、高、大、难为特点，开展重大技术装备、铸造技术的基础理论研究。发展数值模拟、物理模拟及专家系统，使铸铁技术由“经验”走向“定量”。
（2）以汽车工业，航空航天及核能工业为主要目标，以强韧化、轻量化、精密化、高效化为特点，开展铸铁新材料、新工艺的研究。
（3）为提高产品质量和生产率，增强我国工业产品在国际市场上的竞争能力，开展铸造过程自动化、柔性生产单元和系统及集成制造技术的研究。
（4）激励开展有潜在应用前景的铸铁技术应用基础理论的研究。

云松 · 发表于 2011-11-17 23:50:31

2 铸铁合金
2.1 铸铁合金概述
目前，世界铸铁件的生产状况和趋势是，灰铸铁件的比例明显下降，但仍占优势。球铁铸件的产量持续增长，蠕铁和特种铸铁也有了较大发展。灰铸铁的全球产量趋向于逐年下降，但灰铸铁中的高强度铸铁所占的比重越来越大，广泛用于制造汽车、拖拉机、农业机械、机床和通用机械等各个方面。我国灰铸铁约占铸铁件总产量的80%以上，而高强度灰铸铁的比重较小。如国内柴油机缸体铸件比国外重30%以上，且抗拉强度在碳当量相同的情况下比国外低1-2级。在碳当量相同的条件下，我国生产的灰铸铁的拉伸性能比发达国家低1-2个牌号。今后，加强高强度灰铸铁的试验研究无疑应是我国灰铸铁的发展方向。我国可锻铸铁总产量在世界上名列前茅，虽然我国可锻铸铁产量较大，但今后的需求量还将有所增大。所以，今后我国可锻铸铁还将有一个大的发展。
目前，我国可锻铸铁的生产与国外相比，主要有以下差距。a品种少，仅有黑心可锻铸铁。国外珠光体可锻铸铁生产得很多，且有焊接性能良好的白心可锻铸铁。b质量差。国外多以电炉或冲天炉-电炉双联熔炼为主，且有先进的炉前控制与测试技术。而国内以小型冲天炉为主，且对原材料检验控制不严，炉前都凭经验，先进的测试设备很少，这些都是产品质量不稳定的重要原因。c镀锌工艺落后。d缺少耗能低、保温性好、污染小的理想退火炉。以上差距都有待赶上，以使我国可锻铸铁能向更高的水平发展。
在铸铁产量缩减的情况下，球铁在铸铁件中所占的比例依然在增大。20世纪50年代，世界球铁产量还很少，1960年也只有50万吨，1970年猛增至500万吨，到1980年已到760万吨。在西方发达国家，通常用球铁件取代部分灰铸铁件和可锻铸球件。我国球铁铸件产量比较低，占铸铁件的比例远小于西方发达国家。此外，我国球铁铸件在质量和生产稳定性方面的差距也较大。目前我国球墨铸铁生产较突出的问题是材质强韧性差、缺陷多。其原因除炉料、球化处理方法和球化剂等因素外，主要是球化处理前对铁液含硫量要求过松。发达国家的球铁生产时，当采用冲天炉或电炉与冲天炉双联熔炼时，炉外脱硫是必不可少的，使原铁液含硫量达到≤0.001%的水平，这样极大地降低了球化处理时球化剂的消耗及铸铁件中硫化物夹杂的含量。为使我国球铁生产能有大幅度的增长，必须大力推动实施能稳定提供质量可靠的优质球铁件的配套技术。国内外在蠕化工艺和蠕化剂的研究方面都达到了很高的水平，所研制的蠕化剂种类繁多，可达近百种。我国稀土资源丰富。现在，在生产中应用的蠕化剂主要是稀土硅铁镁合金、稀土硅钙合金和稀土镁钛合金。国内外现有的蠕化处理工艺主要有冲入法、随流法、气动法、型内法等。蠕墨铸铁已用于大量生产，建有生产线（用感应电炉熔化），质量基本稳定。我国在稳定生产蠕铁方面也取得了一定的经验，尤其在汽缸盖和排气管方面。国内通常用冲天炉熔化，原铁液质量差，虽用稀土镁球化剂以保证铸件质量，但材质动态力学性能和伸长率较国外水平低。当前，影响国内蠕铁发展的关键问题仍然是生产稳定性问题，这又主要表现为熔炼、处理等技术水平和生产管理水平有待提高上。随着现代化工业的发展，对具有特殊性能的材料的需求量不断增长，而我国特种铸铁（抗磨、耐蚀和耐热铸铁）的发展速度较缓慢，技术水平和国外差距较大。为了适应新形势下国民经济发展的需要，特种铸铁的研究今后将成为我国铸铁发展的一个重要方向。
2.2 铸铁合金的发展
2.2.1 高强化、薄壁化是我国灰铸铁的发展方向。
我国高强度灰铸铁件与国外相比，主要差距是强度低、耐磨性差、寿命低、断面敏感性大、加工性差。高强度灰铸铁的着眼点是提高碳当量，在保证良好的铸造性能的同时获得高的强度。但为获得强度高、性能稳定和品质均一的铸铁件，又必须严格控制碳当量，并从熔炼、检测等方面来予以保证。目前国外对高强度灰铸铁的生产，除作常规检测外，还提出了十项新的检验指标，即铁水温度、铁水纯净度、共晶团数、共晶度、相对硬度、相对强度、品质因数、弹性模数、过冷度、过冷度比。其中，共晶度一般在0.8-1.0左右较好；相对强度为1.15-1.20时，铸铁的性能最理想；相对硬度在0.8-1.0时，切削性能良好。品质因数愈高，材质愈好。过冷度一般控制在,6-8度之间，这时孕育效果最佳；过冷度比通常控制在1.5-2.5之间；弹性模数之值愈大，铸铁抗拉强度愈大；共晶团愈细，铸铁的强度愈高。通过对上述指标的严格控制可达到稳定的质量。我国高强度灰铸铁研究的重点是：a提高铁液温度，改善铸铁冶金质量，采用合成铸铁熔炼工艺；b 加强孕育处理技术，尤其是强化孕育铸铁的研究和推广；c研究和推广低合金化孕育铸铁；d调整化学成分、控制铸铁的Si/C比，以获得高强度低应力铸铁。国内的实践表明，若使Si/c比值在0.5-0.9，再加以适当的孕育和合金化，可获得具有良好综合力学性能的高强灰铸铁。另外，调整Mn,Si含量，使含Mn量比含Si量高0.2%-1.3%或以上，可以得到另一种高强度低应力铸铁。目前，我国的工厂大多无炉前快速测定C,Si含量的仪器，因而不能及时掌握C,Si的变化情况C,Si含量波动很大，致使铸件质量难以稳定，这是今后急需解决的一个问题。铸铁薄壁化、轻量化、强韧化是为了满足工程界对工程材料节能性、回用性两方面的要求，适应“人类可持续发展战略”的需要。对汽车工业而言，降低整车自重对节能、减少废气排放有关键性的意义。铸件的“薄壁高强”化正在工程界成为一种趋势，其技术应用也将日益成熟并迅速拓展，在可以预见的将来，3-5mm的高强薄壁球铁件将会大量出现在一般机电产品中。所谓“薄壁高强”，即生产中所指壁厚为4-6mm（国外为3.0-3.5mm），抗拉强度大于250MPa。而国内目前大多数工厂发动机仍使用HT200牌号材质标准。就材质而论，其主要原因是大多数工厂采用冲天炉熔炼，铁液指标达不到要求，特别是铁液温度低和化学成分波动大，使该类产品铸件难以控制，从而导致废品率高。其中属于材质方面的主要是性能达不到高牌号要求，断面均匀性差，渗漏严重，热疲劳性能差。我国在“六五”至“八五” 期间，经过科研院所、大专院校与生产厂家的联合攻关，对高强薄壁铸铁件的研究取得了较大进展，缩短了与国外先进水平的差距。与国外同类产品相比，在铸件的使用性能和品质稳定性方面，还存在着不小的差距。如在材料耐磨性方面，国外汽车一般第一次大修里程，汽油机为30万km，柴油机大于50万km。而国内分别是10-15万km和25万km。汽缸套使用寿命国外可达到6000-8000h，而国内只有 3000-5000h。由于耐磨性与材料的综合性能密切相关，为满足发动机不断强化的要求，改善缸体的组织与性能和研究缸体新材料与新工艺，提高缸体耐磨性和使用寿命，已成为当前国内外学者和工程技术人员研究的重点之一。

2.2.2发展球铁新品种、采用新的球铁生产工艺
(1) 加强薄壁和大断面铸态球铁技术的开发和应用。要保证铸件的力学强度和切削加工等性能不致因壁厚减小而降低，其基本途径就是使球墨铸铁的力学性能得到改善。最重要的两个方面，一是白口化倾向的减低和抑制，二是石墨组织的改善。球化剂的合理选用和稀土（RE）元素的加入是实现高强度薄壁球铁铸造的关键。该技术的核心是在铸造（熔炼）工艺中要保证RE/S=2-2.5。球化剂要选用Fe-Si-Mg-RE-Ca系材料，其中稀土元素（Ce.La.Pr）的加入并使之与硫保持一定比例是球化技术关键，同时严格控制P≤0.04%-0.06%,Be=0.003%-0.007%。实验证实，当Mg/S≥5时，易生成白口；而RE/S≤2(时，出现球化不良；RE/S≥2.5时，也易出现白口。故在一般情况下要求硫含量越低越好的铸铁，此时（薄壁状态）为了一定的球化率、晶粒细化和减少白口，则必须保持一定比例的硫含量。此点对于以废钢（S较少）为主要原料的熔炼厂应特别予以注意。
(2) 继续开发和应用奥-贝球铁。奥-贝球铁是近几十年来铸铁冶金研究的重大成就之一，它是迄今为止具有最好综合性能的一种球铁，尤其是高的弯曲疲劳性能和良好的耐磨性，因而获得广泛的注目和开发应用。奥贝球铁的基体组织由板状或针状铁素体25%-50%的稳定残余奥氏体和碳化物组成，有时有少量的马氏体存在，一般通过850-900度奥氏体化后在300-450度等温淬火来获得，其常规化学成分与通常的铁素体或珠光体球铁一样。采用等温淬火来获得奥-贝球铁，其热处理费用高，难以普及，且因残余奥氏体向马氏体转变这一加工硬化现象使得加工困难。国外出现了中断热落砂法、中断正火法等新的生产奥-贝球铁工艺，这些生产工艺成本低、能耗少，且可行，因而具有研究和推广的实际意义。
(3) 发展奥氏体球铁。奥氏体球铁在石油、化工、海洋与船舶、仪器仪表、食品、动力与冷冻、以及核工程等许多领域都具有广阔的应用前景，因而成为近年来球铁领域中的一个新的研究重点。尽管目前产量还不大，但有些国家却发展很快，尤其德国的产量每年以10%的速度递增，并且，一种以GGG-NiGrNb20-2为牌号的可焊接奥氏体球铁已在德国问世，其化学成分（%）为：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奥氏体球铁在-196度下仍具有很好的冲击韧性，最近又出现了15%Ni-5%Mn,20%Ni-4%Mn系的经济性很好、低温用奥氏体球铁。GGG-NiMn137牌号也开始用于制造热核反应堆外壳承重结构、核潜艇高压壳体等。我国镍的贮量占世界第一位，而奥氏体球铁的研究还是一个弱点，因此有待开发，尤其是高Ni奥氏体球铁。
(4) 采用新的球铁生产工艺。
在熔炼方面，最好采用感应电炉或冲天炉-电炉双联熔炼，特别是冲天炉—炉外脱硫—电炉保温的工艺流程能为制取球铁提供优质的高温低硫原铁液。在球化处理方面，现在国内外已有的方法达8种以上，国外广泛采用GF转包法和包盖法，我国也正在推广使用。在孕育方面，孕育剂的选择应在一定的铸件冷却速度下使球化—孕育有一个最佳的搭配。孕育方法以瞬时孕育为佳，近十多年来，国内外已发展了五六种新的瞬时孕育工艺。此外，近年来发展的铁液过滤净化技术也已得到推广应用，成为提高球铁质量的一种很好的措施。
2.2.3 发展孕育技术
孕育推动了高强度灰铸铁的发展，并使球墨铸铁、蠕墨铸铁的生产更趋完美。凡是经过孕育处理的铸铁，都具有石墨细化、组织均匀和壁厚敏感性小的特点。随着工业的发展，势必有大量废钢要利用，电炉熔炼在铸铁熔炼中的地位日益突出。在该种熔炼、炉料条件下，孕育更是必不可少。孕育处理已经成为生产优质铸铁产品的一种重要手段。在现代铸铁的生产中，灰铸铁以及球墨铸铁孕育处理的重要性正越来越受到人们的重视，而且这种情况肯定还会继续下去。过去，对孕育的发展往往寄希望于新的孕育剂，这无疑是必要的。但近年来，孕育方法的改进，特别是迟后孕育，受到了人们的重视。因此，今后在发展孕育剂的同时，对孕育问题的注意力可能转向发展新的孕育方法。另外，必须在铁液质量、铁液成分、炉料组成、孕育技术、炉前快速检验与控制等环节采取措施，克服铸造性能、白口倾向、力学性能以及希望高碳当量之间的矛盾。
2.2.4发展合金铸铁
合金化是提高铸铁性能的重要手段之一，随着生产日益发展，铸铁合金化或微合金化必将发挥重要的作用。必须结合当地资源不断开拓合金铸铁新品种，利用先进手段不断加深对现用合金铸铁的认识。
2.2.5发展铸铁件表面强化技术
对于特殊应用场合，往往希望铸件表层具有特殊的性能。传统铸件的整体强化导致零件整体铸造时工艺性能恶化、生产过程复杂、废品率增加和合金元素浪费，并且增加了成本，从而限制了铸铁材质优点的发挥。铸铁件表面层激光强化处理和铸件表面合金化技术可以在普通铸件表面形成冶金结合的合金层，使铸件具有复合性能，以适应于特殊的应用场合。上述技术已经逐步用于耐磨零件的生产，取得了明显的成效。总之，上述铸铁技术不是孤立的，加强铸铁复合化技术的研究和应用，以系统工程的观点采取综合措施，是获得优质、高强铸件的根本保证。在此基础上，加强质量管理、采用先进的检测手段、提高铸件的尺寸精度和表面质量也是必不可少的环节。

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