铸铁的熔炼方法及其特点
铸铁
是含碳量大于2.11或者组织中具有共晶组织的铁碳合金。工业上所用的铸铁，实际上都不是简单的铁一碳二元合金，而是以铁、碳、硅为主要元素的多元合金。铸铁的成分范围大致为：C2.4-4.0%,Si0.6-3.0%,Mn0.2-1.2%,P 0.1-1.2%,S 0.08-0.15%。有时还加入各种合金元素，以便获得具有各种性能的合金铸铁。
根据碳在铸铁中存在的形态不同，通常可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁。而灰铸铁中又可根据石墨的形态不同而分为普通灰铸铁，蠕虫状石黑铸铁，球黑铸铁以及可锻铸铁。
铸铁熔炼过程中，须将有害的元素成分（磷、硫以及其它干扰铸铁正常结晶和组织控制的微量元素等），控制在限量以下。
1）脱硫 冲天炉熔炼中铁液中硫的来源，一是炉料中固有的硫，二是从焦碳中吸收的硫。酸性冲天炉不具有脱硫能力，碱性冲天炉能程度上起到脱硫的作用。
炉渣碱度在范围内提高时，有利于降低铁液含硫量；温度提高时，铁液在熔炼过程中增硫量减少；炉气氧化性强时，渣中FeO含量增高，不利于脱硫反应的进行。适当提高焦铁比，减小送风强度，有利于脱硫。但当生产球墨铸铁件时，除了用热风冲天炉进行炉内脱硫外，还常采用炉外脱硫的措施。炉外脱硫的基本要点是尽量扩大脱硫剂与铁液之间的接触面积，以加强脱硫效果。常用方法有：利用电石脱硫的摇动包脱硫法、喷射脱硫法、机械脱硫法、机械搅拌脱硫法和多空塞脱硫法等。
2）脱磷 磷对铸铁的机械性能，特别是对球墨铸铁和可锻铸铁的韧性有害，因此要严格控制铸铁的含磷量。冲天炉熔炼的脱磷能力很弱。因此对铁液的含磷量只能通过配料来控制。应采用比例的低磷生铁和废钢进行配料。
根据碳在铸铁中存在的形态不同，通常可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁。而灰铸铁中又可根据石墨的形态不同而分为普通灰铸铁，蠕虫状石黑铸铁，球黑铸铁以及可锻铸铁。
1 灰铸铁
灰铸铁
通常是指具有片状石墨的灰口铸铁，这中铸铁具有机械性能、良好的铸造性能以及其它多方面的优良性能，因而在机械制造中业获得广泛的应用。
表1为灰铸铁的新的标准。该标准是以灰铸铁的抗拉强度作为分级依据的。由于灰铸铁对冷却速率的敏感性（壁厚效应），同一种牌号铸铁在不同铸件壁厚条件下的实际强度有很大的差别（薄壁与厚壁之间在强度上的差别达50-80MPa）。
表1为灰铸铁的新的标准。该标准是以灰铸铁的抗拉强度作为分级依据的。由于灰铸铁对冷却速率的敏感性（壁厚效应），同一种牌号铸铁在不同铸件壁厚条件下的实际强度有很大的差别（薄壁与厚壁之间在强度上的差别达50-80MPa）。
表1 灰铸铁分级
| 牌号 | 抗拉强度 MPa （kg/mm2） |
| HT 100 | ≥100 （10.2） |
| HT 150 | ≥150 （15.3） |
| HT 200 | ≥200 （20.4） |
| HT 250 | ≥250 （25.5） |
| HT 300 | ≥300 （30.6） |
| HT 350 | ≥350 （35.7） |
·2 球墨铸铁及蠕墨铸铁
球墨铸铁
和蠕墨铸铁一般是用稀土镁合金对铁液进行处理，以改善石墨形态，从而得到比灰铸铁有更高机械性能的铸铁。
球墨铸铁依照其基体和性能特点而分为六种：即铁素体（高韧性）球墨铸铁，珠光体（高强度）球墨铸铁，贝氏体（耐磨）球墨铸铁，奥氏体一贝氏体（耐磨）球墨铸铁，马氏体一奥氏体（抗磨）球墨铸铁及奥氏体（耐热、耐蚀）球墨铸铁。
蠕墨铸铁具有不同比例的珠光体—铁素体基体组织。铸铁性能与其石墨的蠕化程度（蠕化率）及基体有关。在石墨蠕化良好条件下，珠光体蠕墨铸铁的强度和硬度较高，耐磨性强。适于制造耐磨零件，如汽车的刹车鼓等。而铁素体蠕墨铸铁的导热性较好，在高温作用下，不存在珠光体分解问题，组织较稳定，适用于制造在高温下工作、需要有良好的抗热疲劳能力、导热性的零件，如内燃机汽缸盖、进排气岐管等。
球墨铸铁依照其基体和性能特点而分为六种：即铁素体（高韧性）球墨铸铁，珠光体（高强度）球墨铸铁，贝氏体（耐磨）球墨铸铁，奥氏体一贝氏体（耐磨）球墨铸铁，马氏体一奥氏体（抗磨）球墨铸铁及奥氏体（耐热、耐蚀）球墨铸铁。
蠕墨铸铁具有不同比例的珠光体—铁素体基体组织。铸铁性能与其石墨的蠕化程度（蠕化率）及基体有关。在石墨蠕化良好条件下，珠光体蠕墨铸铁的强度和硬度较高，耐磨性强。适于制造耐磨零件，如汽车的刹车鼓等。而铁素体蠕墨铸铁的导热性较好，在高温作用下，不存在珠光体分解问题，组织较稳定，适用于制造在高温下工作、需要有良好的抗热疲劳能力、导热性的零件，如内燃机汽缸盖、进排气岐管等。
3 可锻铸铁
可锻铸铁是将白口铸铁通过固态石墨化热处理（包括有或无脱碳过程）得到的具有团絮状石墨的铁碳合金。采用不同的热处理方法，可以得到具有不同组织和性能的可锻铸铁，即黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁。
当将白口铸铁毛坯件在密封的退火炉中进行热处理，即在中性炉气条件下退火时，得到的铸铁组织中有呈团絮状的石墨（退火碳）存在。这种石墨虽不很圆整和紧密，但它对基体的割裂作用则比灰铸铁中的片状石墨要小得多，因此它能使铸铁得到较高的强度及良好的韧性。铸铁的基体可以通过热处理来加以控制。使之成为铁素体或珠光体。用这种方法得到的铁素体基体可锻铸铁因组织中有石墨存在，因而铸铁的断面呈暗灰色，而在表层经常有薄的脱碳层呈浅灰色，故通称为黑心可锻铸铁。而珠光体可锻铸铁则是以其基体命名的。
当将白口铸铁毛坯件在氧化性质的炉气条件下进行退火时，铸件断面上从外层到心部，发生强烈的氧化和脱碳。在脱碳层中无石墨存在，铸铁的组织为铸素体。实际上，在小断面尺寸条件下，铸铁的组织基本上为单一的铁素体和退火碳。而在大断面尺寸条件下，表层为铁素体，中间区域为珠光体和铁素体及退火碳，而心部区域则为珠光体及退火碳（间或有少量铁素体）。这种铸铁断面由于其心部区域有发亮的光泽，而表层色泽较暗，故通称为白心可锻铸铁。
当将白口铸铁毛坯件在密封的退火炉中进行热处理，即在中性炉气条件下退火时，得到的铸铁组织中有呈团絮状的石墨（退火碳）存在。这种石墨虽不很圆整和紧密，但它对基体的割裂作用则比灰铸铁中的片状石墨要小得多，因此它能使铸铁得到较高的强度及良好的韧性。铸铁的基体可以通过热处理来加以控制。使之成为铁素体或珠光体。用这种方法得到的铁素体基体可锻铸铁因组织中有石墨存在，因而铸铁的断面呈暗灰色，而在表层经常有薄的脱碳层呈浅灰色，故通称为黑心可锻铸铁。而珠光体可锻铸铁则是以其基体命名的。
当将白口铸铁毛坯件在氧化性质的炉气条件下进行退火时，铸件断面上从外层到心部，发生强烈的氧化和脱碳。在脱碳层中无石墨存在，铸铁的组织为铸素体。实际上，在小断面尺寸条件下，铸铁的组织基本上为单一的铁素体和退火碳。而在大断面尺寸条件下，表层为铁素体，中间区域为珠光体和铁素体及退火碳，而心部区域则为珠光体及退火碳（间或有少量铁素体）。这种铸铁断面由于其心部区域有发亮的光泽，而表层色泽较暗，故通称为白心可锻铸铁。
4 特种铸铁
特种铸铁是指具有特殊使用性能的铸铁材料，主要包括抗磨铸铁、耐热铸铁和耐腐蚀铸铁。为了使铸铁具有这些特殊使用性能，需要使铸铁有组织。特种铸铁中既有非合金铸铁（例如普通白口抗磨铸铁），也有低合金铸铁、中合金铸铁和高合金铸铁（如中锰抗磨用球墨铸铁及高铬抗磨用白口铸铁等）。
对任何一种特种铸铁而言，首先是要求具备使用性能，如抗磨、耐热等。但由于是用来制造机器零件，需要保证有机械性能，主要是强度和塑性，为此需要在铸铁的化学成分设计上，考虑同时满足特定的使用性能和机械性能这两方面的要求。
由于特种铸铁中含有大量合金元素，使得其在熔炼和铸造性能方面，与非合金化的铸铁有显著的差别。大多数合金元素降低铸铁的铸造性能，而含有大量合金元素的特种铸铁的铸造性能通常是很差的，在铸造过程中容易产生多种铸造缺陷，因此需要针对各种铸铁在熔炼和铸造方面的特性，采取适当的工艺措施，防止缺陷的发生，以保证铸件的质量。
熔炼对保证铸件质量的重要性
对任何一种特种铸铁而言，首先是要求具备使用性能，如抗磨、耐热等。但由于是用来制造机器零件，需要保证有机械性能，主要是强度和塑性，为此需要在铸铁的化学成分设计上，考虑同时满足特定的使用性能和机械性能这两方面的要求。
由于特种铸铁中含有大量合金元素，使得其在熔炼和铸造性能方面，与非合金化的铸铁有显著的差别。大多数合金元素降低铸铁的铸造性能，而含有大量合金元素的特种铸铁的铸造性能通常是很差的，在铸造过程中容易产生多种铸造缺陷，因此需要针对各种铸铁在熔炼和铸造方面的特性，采取适当的工艺措施，防止缺陷的发生，以保证铸件的质量。
对铁液质量的基本要求
1．出炉温度
不同牌号灰铸铁件的浇注温度范围大致为1330-14100C。在一般情况下，铁液的出炉温度至少比浇注温度提高500C，故根据铸铁牌号（自HT100至HT350）和铸件结构条件的具体情况，铁液出炉温度应不低于1380-14600C。当需要浇注特薄（2-4mm）铸件时，出炉温度还应提高20-300C。为了满足浇注铸件的需要，不同牌号可锻铸铁的出炉温度应不低于1460-14800C。对球墨铸铁及其它变质处理的铸铁，在其球化一孕育处理过程中铁液的温度会有显著的下降，为了补偿铁液的温度损失，需相应提高铁液的出炉温度。
不同牌号灰铸铁件的浇注温度范围大致为1330-14100C。在一般情况下，铁液的出炉温度至少比浇注温度提高500C，故根据铸铁牌号（自HT100至HT350）和铸件结构条件的具体情况，铁液出炉温度应不低于1380-14600C。当需要浇注特薄（2-4mm）铸件时，出炉温度还应提高20-300C。为了满足浇注铸件的需要，不同牌号可锻铸铁的出炉温度应不低于1460-14800C。对球墨铸铁及其它变质处理的铸铁，在其球化一孕育处理过程中铁液的温度会有显著的下降，为了补偿铁液的温度损失，需相应提高铁液的出炉温度。
2．化学成分
熔炼得到的铁液化学成分需要满足铸件的规格要求。
用冲天炉熔炼时，配料计算是保证铁水化学成分合乎要求的首要环节。即根据铁水化学成分的要求，考虑冲天炉在熔炼过程中元素的变化和炉料的实际情况，计算出各种金属炉料的配合比例。
各种牌号铸铁要求的化学成分随铸件壁厚和铸造方法而异。例如，HT20-40铸铁的化学成分范围为：C3.3-3.5%、Si1.5-2.0%、Mn0.5-0.8%、S<0.12%、P<0.25%。用于配置HT20-40的金属料平均成分如表2。
熔炼得到的铁液化学成分需要满足铸件的规格要求。
用冲天炉熔炼时，配料计算是保证铁水化学成分合乎要求的首要环节。即根据铁水化学成分的要求，考虑冲天炉在熔炼过程中元素的变化和炉料的实际情况，计算出各种金属炉料的配合比例。
各种牌号铸铁要求的化学成分随铸件壁厚和铸造方法而异。例如，HT20-40铸铁的化学成分范围为：C3.3-3.5%、Si1.5-2.0%、Mn0.5-0.8%、S<0.12%、P<0.25%。用于配置HT20-40的金属料平均成分如表2。
表2 配置HT20-40的金属料平均成分
|
炉料名称
|
化学成分 %
|
||||
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
|
|
Z15生铁
|
4.19
|
1.56
|
0.76
|
0.04
|
0.036
|
|
回炉料
|
3.28
|
1.88
|
0.66
|
0.07
|
0.098
|
|
废钢
|
0.15
|
0.35
|
0.50
|
0.05
|
0.05
|
所用铁合金为含硅45%硅铁，含锰75%的锰铁。
熔炼过程中元素的变化为：Si –15%、Mn –20%、S +50%。
其配料计算如下：
（1）计算炉料中各元素的变化
a） 炉料含碳量: C铁水% = 1.8% + 0.5 C炉料%
已知铁水所需的平均含碳量为3.4%，按上式算得 C炉料%=3.2%；
b） 炉料含硅量: 已知铁水所需的平均含硅量1.75%，硅的熔炼烧损为15%，则
Si炉料=1.75/（1-0.15）=2.06%；
c） 炉料含锰量 已知Mn铁水=0.65%，熔炼烧损20%，故Mn炉料=0.65/（1-0.20）=0.81%；
d） 炉料含硫量 已知S铁水=0.12%，增硫50%，则：S炉料=0.12/（1+0.5）=0.08%；
e） 炉料含磷量 磷在熔炼过程中变化不大，P炉料=P铁水<0.25%
综合上列计算结果，所需配置的炉料平均化学成分为：
C炉料3.2%、Si炉料2.06%、Mn炉料0.81%、S炉料<0.08%、P炉料<0.25%
（2）初步确定炉料配比
a） 回炉料的配比:主要取决于废品率和成品率，它随具体生产情况而变化。此处取20%。
b） 新生铁和废钢配比:设新生铁为χ%，则废钢为80%-χ%。按炉料所需含碳量为3.2%，新生铁、废钢、
回炉料的含碳量各为4.19%、0.15%、3.28%，可列出下式：
4.19χ+0.15（80-χ）+3.28´20=3.2´100
得出χ=60.0%。故铁料配比为：Z15生铁60%、废钢20%、回炉料20%。
（3）然后按上述配比及各种炉料的成分，计算配合后的炉料成分如表3。
熔炼过程中元素的变化为：Si –15%、Mn –20%、S +50%。
其配料计算如下：
（1）计算炉料中各元素的变化
a） 炉料含碳量: C铁水% = 1.8% + 0.5 C炉料%
已知铁水所需的平均含碳量为3.4%，按上式算得 C炉料%=3.2%；
b） 炉料含硅量: 已知铁水所需的平均含硅量1.75%，硅的熔炼烧损为15%，则
Si炉料=1.75/（1-0.15）=2.06%；
c） 炉料含锰量 已知Mn铁水=0.65%，熔炼烧损20%，故Mn炉料=0.65/（1-0.20）=0.81%；
d） 炉料含硫量 已知S铁水=0.12%，增硫50%，则：S炉料=0.12/（1+0.5）=0.08%；
e） 炉料含磷量 磷在熔炼过程中变化不大，P炉料=P铁水<0.25%
综合上列计算结果，所需配置的炉料平均化学成分为：
C炉料3.2%、Si炉料2.06%、Mn炉料0.81%、S炉料<0.08%、P炉料<0.25%
（2）初步确定炉料配比
a） 回炉料的配比:主要取决于废品率和成品率，它随具体生产情况而变化。此处取20%。
b） 新生铁和废钢配比:设新生铁为χ%，则废钢为80%-χ%。按炉料所需含碳量为3.2%，新生铁、废钢、
回炉料的含碳量各为4.19%、0.15%、3.28%，可列出下式：
4.19χ+0.15（80-χ）+3.28´20=3.2´100
得出χ=60.0%。故铁料配比为：Z15生铁60%、废钢20%、回炉料20%。
（3）然后按上述配比及各种炉料的成分，计算配合后的炉料成分如表3。
表3 炉料成分
|
炉料名称
|
配比%
|
C%
|
Si%
|
Mn%
|
S%
|
P%
|
|||||
|
成分
|
数量
|
成分
|
数量
|
成分
|
数量
|
成分
|
数量
|
成分
|
数量
|
||
|
Z15生铁
|
60
|
4.19
|
2.51
|
1.56
|
0.94
|
0.76
|
0.46
|
0.036
|
0.022
|
0.04
|
0.024
|
|
回炉料
|
20
|
3.28
|
0.66
|
1.88
|
0.38
|
0.66
|
0.13
|
0.098
|
0.020
|
0.07
|
0.014
|
|
废钢
|
20
|
0.15
|
0.03
|
0.35
|
0.07
|
0.50
|
0.10
|
0.050
|
0.010
|
0.05
|
0.010
|
|
合计
|
100
|
|
3.20
|
|
1.39
|
|
0.69
|
|
0.052
|
|
0.048
|
|
要求成分
|
|
|
3.20
|
|
2.06
|
|
0.81
|
|
<0.08
|
|
<0.25
|
|
差额
|
|
|
0.00
|
|
0.67
|
|
0.12
|
|
合格
|
|
合格
|
（4）计算铁合金加入量
a） 硅铁加入量 今缺硅量0.67%，亦即每100公斤炉料需加硅0.67公斤。所用硅铁含硅量为45%，故每100公斤炉料需加硅铁量为0.67/0.45=1.5公斤
b） 锰铁加入量 同上法计算，每100公斤炉料需加入含锰75%的锰铁为：0.12/0.75=0.16公斤。
a） 硅铁加入量 今缺硅量0.67%，亦即每100公斤炉料需加硅0.67公斤。所用硅铁含硅量为45%，故每100公斤炉料需加硅铁量为0.67/0.45=1.5公斤
b） 锰铁加入量 同上法计算，每100公斤炉料需加入含锰75%的锰铁为：0.12/0.75=0.16公斤。
（5）制定配料单
根据配比和层铁量，确定每批炉料中各种炉料的重量，写出配料单。设已知层铁500公斤，可算得每批铁料的组成为：生铁 ：500´60%=300公斤、废钢：500´20%=100公斤、回炉料：500´20%=100公斤、45%硅铁：500´1.5%=7.5公斤、75%锰铁：500´0.16%=0.8公斤。
3．有害成分根据配比和层铁量，确定每批炉料中各种炉料的重量，写出配料单。设已知层铁500公斤，可算得每批铁料的组成为：生铁 ：500´60%=300公斤、废钢：500´20%=100公斤、回炉料：500´20%=100公斤、45%硅铁：500´1.5%=7.5公斤、75%锰铁：500´0.16%=0.8公斤。
铸铁熔炼过程中，须将有害的元素成分（磷、硫以及其它干扰铸铁正常结晶和组织控制的微量元素等），控制在限量以下。
1）脱硫 冲天炉熔炼中铁液中硫的来源，一是炉料中固有的硫，二是从焦碳中吸收的硫。酸性冲天炉不具有脱硫能力，碱性冲天炉能程度上起到脱硫的作用。
炉渣碱度在范围内提高时，有利于降低铁液含硫量；温度提高时，铁液在熔炼过程中增硫量减少；炉气氧化性强时，渣中FeO含量增高，不利于脱硫反应的进行。适当提高焦铁比，减小送风强度，有利于脱硫。但当生产球墨铸铁件时，除了用热风冲天炉进行炉内脱硫外，还常采用炉外脱硫的措施。炉外脱硫的基本要点是尽量扩大脱硫剂与铁液之间的接触面积，以加强脱硫效果。常用方法有：利用电石脱硫的摇动包脱硫法、喷射脱硫法、机械脱硫法、机械搅拌脱硫法和多空塞脱硫法等。
2）脱磷 磷对铸铁的机械性能，特别是对球墨铸铁和可锻铸铁的韧性有害，因此要严格控制铸铁的含磷量。冲天炉熔炼的脱磷能力很弱。因此对铁液的含磷量只能通过配料来控制。应采用比例的低磷生铁和废钢进行配料。
4．铁液纯净，含有的渣、气体、夹杂物量少。
为了将冲天炉熔炼中形成的夹杂物从铁液中去除，常在熔炼过程中按照炉料重量，加入量的石灰石CaCO3 作为溶剂。石灰石在高温下分解，与泥沙、灰分等化合形成低熔点的复杂化合物——熔渣。熔渣易于与铁液分离便于去除。当熔渣粘度高时，可加入一些萤石（CaF2），以降低炉渣熔点。
为了将冲天炉熔炼中形成的夹杂物从铁液中去除，常在熔炼过程中按照炉料重量，加入量的石灰石CaCO3 作为溶剂。石灰石在高温下分解，与泥沙、灰分等化合形成低熔点的复杂化合物——熔渣。熔渣易于与铁液分离便于去除。当熔渣粘度高时，可加入一些萤石（CaF2），以降低炉渣熔点。