介紹如何得到最佳鑄件內在質量
方法/步驟
一．概述：
(一)解析鑄造生產全過程，其核心環節是熔鍊合格的鐵水，注到合格的鑄型中成形，合格的鑄型主要保證鑄件的形狀和尺寸精度。合格的鐵水內在質量，是保證鑄件的使用效能，保證使用壽命，使用的可靠性。故鐵水的熔鍊質量是鑄造生產過程中的關鍵環節。
(二)鑄造行業，是一個跨冶金和機械，涉及專業面非常廣泛的行業，影響因素非常多，生產過程控制難度非常大。穩定生產質量，除嚴格控制進料外，實現生產過程自動化，最大限度排除人為因素的干擾，用裝置系統保證工藝過程的質量和穩定性，已是我國當前提高生產質量、提高生產效率、降低成本的有效措施。
(三)隨著社會的發展和進步，人們環保意識的提高，對環保的要求也愈來愈高，應有相應的環保措施。以達到相應的環保要求。
(四)在生產過程中，如何充分利用能源，節約能源。也是當前我們的重要任務之一。
二．鑄件內在質量的控制技術引數分析
鑄造生產是一個古老而新興的行業，也是機械行業重要基礎件行業。決定著機械裝置的使用壽命和使用的可靠性。通過數千年的生產實踐積累，科學研究，從巨集觀認識深入到微觀理論，有了巨大的發展，不斷揭示鑄件生產過程的技術控制原理、具體的控制引數，只要在生產過程中、穩定完成技術引數的控制，就可保證鑄件的使用效能，從而保證機械裝置的使用壽命、使用的可靠性。
要生產高質量的鑄件，首先就需研究影響鑄鐵效能的因素，也就是如何提高熔鍊鐵水的純淨度：如何獲得好的石墨形態；化學成分波動範圍的控制等，研究解決上述問題的技術控制引數：並研究採用什麼熔鍊方法達到目的。現以表示之。
鐵水純淨度的控制：
1．元素氧化燒損產生的氧化物夾雜物；
2．熔解氧產生的熔鍊性氣孔；
3．硫含量的控制，防止硫共晶的產生；
4．磷含量的控制，防止磷共晶的產生；
5．限制微量元素含量在干擾量以下。
鐵水熔鍊過程控制：
1．鐵水氧化的控制：
2．消除石墨遺傳性，獲得良好的石墨形態；
3．控制化學成分的波動範圍，獲得準確的化學成分；
4．鐵水熔鍊溫度的控制；
5．最佳熔鍊方法的選擇和相應的裝置系統。
(一)鐵水純淨度技術引數的控制
1．元素燒損及氧化物夾雜
鐵水中的矽、錳元素的氧化燒損，是通過爐氣中的氧和二氧化碳吸附於鐵滴表面後熔入鐵水中。此時熔解氧為原子態。首先與鐵原子反應生成氧化亞鐵，由於矽、錳與氧的親和力大與鐵原子、矽、錳原子將生鐵原子從氧化七亞鐵中還原出來，自身被氧化形成矽、錳氧化物夾雜。
眾所周知：鐵水的氧化主要產生在熔化帶。由於空氣中的氧在氧化帶已基本燃燒光。形成二氧化碳；故鐵水在熔化帶被氧化的氧原子主要由二氧化碳提供的，減少熔化帶的二氧化碳量就能控制鐵水在熔化帶被氧化，由於二氧化碳遇紅熱焦碳被還原，是吸熱反應，故提高還原帶的爐氣溫度可減少爐氣中二氧化碳的含量，減少矽、錳燒損。故熱風沖天爐能有效控制元素氧化燒損。
2．鐵水氧化性氣孔的產生與控制
沖天爐鐵水中的熔解氧，一部份如上所述，與鐵水中矽、錳反應生成氧化物夾雜。
a．一部份溶解氧在石墨表面吸附，氧化石墨生成一氧化碳氣。
即：(C)石墨 [O]={CO}↑
b．當生成的氯化亞鐵於鐵水中的碳接觸時，碳還原氧化亞鐵，也是生成一氧化碳氣孔。(FeO) (C)={CO}↑ (Fe)
高溫鐵水有利於氣泡上浮去除。這種熔鍊過程中鐵水氧化生成的氣孔叫熔鍊性氣孔.
3．鐵水硫含量的控制
在沖天爐熔：煉陳過程中，焦碳中的硫將有60%進入鐵水中。如何控制硫進入鐵水，是沖天爐熔鍊質量控制的重要任務之一。首先了解硫進入鐵水的過程，才能找到控制鐵水增硫的途經。
焦碳在風口區燃燒達到高溫時，焦碳中的硫呈氣體狀態逸出，在風口區與氧反應生成二氧化琉(SO2氣體。隨著爐氣上升，與鐵料產生增硫途徑有二：
a．當二氧化硫與尚沒氧化的潔淨金屬爐料表面或鐵滴表面吸附對，產生增硫反應：
3[FeSO2]=(FeS) 2(FeO) △F2…(1)
b．對於已氧化的金屬爐料表面．有如下反應：
10(FeO)SO2=(FeS) 3Fe3O4 △F…(2)
式中的氧化亞鐵包括上式反應生成的和爐渣中的。
以上兩個放熱反應在沖天爐條件下都可以進行，但反應式（2）順向性比(I)大，故在金屬表面氧化嚴重時，增硫劇烈。試驗表明，金屬爐料的滲硫深度可達I～3毫米。當鐵料原始含硫量為0．082％時，增層內硫量可達0．45％之多。由此可知，清除金屬爐料的鐵鏽，可減少增硫。
在沖天爐熔鍊過程中能否創造條件脫硫呢?據脫硫的三大條件，即高溫、高鹼度、低氧化性。這在一般沖天爐中是無法滿足的，只有在先進的熱風水冷沖天爐熔鍊條件下，才能滿足上述條件-在熱風水冷沖天爐熔鍊過程中，由於高溫、鐵水氧化性低，無爐襯，可造鹼性渣，當鐵水在1500～1550℃，平均1530℃，爐渣鹼度控制在1.7-2.3時，可穩定地將鐵水硫含量降到0．04％，在包中輔以脫硫措施或採用爐前連續脫硫，就可將硫控制在0.02-0.03％，充分滿足球鐵生產和轉爐熔鍊高階鋼的需要。
4．鐵水中磷的控制
一般在沖天爐熔鍊過程中磷基本上無大變化。磷量的控制主要是從金屬爐料控制。
5．微量干擾元素，微量干擾元素應控制其含量在作用量以下。在熔鍊過程中，高溫有利於低熔點干擾元素的氧化、燒損。其含量相應的減少。但控制主要從金屬爐料的選擇解決之一。在沖天爐熔鍊過程中。
(二)鐵水熔鍊過程因素的控制
鑄鐵與鋼之所以不同，是因為有了石墨的存在，對石墨形態的控制，就是鑄鐵熔鍊過程控制關鍵之一；同時在熔鍊過程中必須保證獲得各種基體組織的成分要求，也就是化學成分的波動範圍的控制：也需保證在滿足機械效能的前提下，獲礙良好的加工效能等等。
1．石墨形態的控制
不同的石墨形態，可以得到不同效能的鑄鐵，各種不同自的鑄鐵均有一個共同的要求，即石墨應是細小的、均勻的，對孕育鑄鐵的石墨則應是短而鈍頭的，對球墨鑄鐵來說，石墨應是園整的，我國鑄鐵生產的原材料有新生鐵(鑄造生鐵)、回爐料、廢鋼等，新生鐵有大量的粗大過共晶石墨乾和共晶石墨，回爐料以共晶石墨為主，也存在少量的過共晶石墨。因此，在熔鍊過程中，要保證得到上述要求的：石墨形態．首先就必須將粗大的過共晶石墨和共晶溶解到結晶臨界半經以下，在重新結晶的條件下，才能得到上述要求的石墨形態。這就是消除石墨遺傳性。只要存在原始石墨，在隨後的重新結晶時，碳原子就會在原始石墨上生長造成石墨的大小不均勻及尖頭石墨。石墨尖頭會造成尖端虛力集中，在應力作用下尖端裂口延伸以致斷裂，降低另件使用的可靠性和安全性。
根據我們以及世界各國的研究，粗大的過共晶石墨在鐵水溫度達到1500C，並保持6～9秒鐘可以熔化到結晶臨界半經以下，只有在這樣的熔鍊條件下，生產的高牌號孕育鑄鐵或球墨鑄鐵的質量和效能是可靠的。故生產孕育鑄鐵、球墨鑄鐵對鐵水的熔鍊溫度是有要求的，其鐵水熔鍊溫度應控制在1500℃以上。最高不超過1550℃。以1530℃為最佳。
2．鑄鐵熔鍊方法的選擇
不同的鑄鐵熔鍊方法，具有不同的熔鍊條件。其熔鍊的鐵水澆出的鑄件效能也差異。
德國人GopatV．PanchathanV在1978年曾做過沖天爐，迴轉爐、電爐熔鍊的鐵水效能對比試驗，發現沖天爐熔鍊的鐵水鑄件相對強度高，使用效能好，相對硬度低，加工效能好。而電爐熔鍊鐵水的相對強度低。使用效能較差，相對硬度較高，加工效能較差。迴轉爐居中。二汽陳勉已總工在九華山鑄造學會年會上介紹：要得到好的汽車鑄件，採用沖天爐熔鍊鐵水最佳。大家都知道，二汽是採用電爐熔鍊的。
為什麼沖天爐鐵水優於電爐呢?沖天爐熔鍊過程是熔化帶熔化的鐵滴在焦碳表面滾動中下落的，造成了鐵水微觀增碳的不均勻性，故其結晶過冷度較小，結晶晶粒細化，不易產生白口，而電爐熔鍊鐵水是在隔絕碳的情況下進行的，同時造成碳原子分佈的均勻化，使其結晶過冷度增大，使鑄件表面白口傾向增加。據國內外統計，相對衝天爐鑄件其加工刀具磨損增加35％，加工工時增加45％。增加了機械加工成本。
3．化學成分波動範圍的控制。
在一般有爐襯冷風沖天爐中，隨著熔鍊時間的延長，爐襯的燒損，爐徑將不斷地擴大，如補焦不及時，量不準確，將造成低焦頂面波動增大，不僅溫度降低，鐵水氧化燒損增加，同時增大了化學成分的波動範圍，要控制碳的波動在士0．10％是困難的。如採用熱風水冷無爐襯沖天爐，熔化過程中爐襯穩定不變，消除了上述問題，化學成分波動範圍能得穩定的控制。從而保證各種鑄鐵牌號的準確穩定生產。
4．鐵水的最佳熔鍊溫度控制
綜上所述，保證鐵水的內在質量熔鍊溫度應在1500℃以上，最佳值應是1530℃，在該溫度鐵水氧化物夾雜、氣孔最低抑制增硫，消除石墨遺傳性，穩定化學成分波動範圍均能得到保證。如果超過1550℃，將增加鐵水的結晶過冷度，對使用效能不利。
故從鐵水內在質量分析，鐵水的熔鍊溫度範圍應是1500～1550℃，最佳溫度1530℃。
三．鑄鐵的生產工藝過程引數
在鑄鐵生產過程中，各種不同的鑄鐵都有不同的工藝摻數要求。現分述如下：
(一)孕育鑄鐵的生產工藝過程引數要求。
孕育鑄鐵要求得到細小的、短而均勻的、鈍頭的石墨，保證其同一斷面的效能齊一性和不同斷面效能均勻性。其生產工藝的引數要求如下：
1．鐵水熔鍊溫度1500～1550℃，穩定1530℃最佳。以保證獲得鐵水的高純淨度，消除石墨的遺傳性，經孕育處理得到細小的，均勻的，短而純頭的石墨形態。
2．孕育處理溫度，應保證在孕育處理過程中，使孕育劑迅速溶解於鐵水中，並在微觀中存在濃度差，保證在隨後的冷卻凝固的結晶過程中形成足夠多的結晶核心，一般處理應控制在1450℃左右為佳。
3．澆注溫度，一般據鑄件壁厚確定以汽車鑄件為例，據鑄件壁厚形狀不同，一般在1400～1440℃範圍內。
綜上所述，為保證孕育處理溫度，前爐出鐵溫度不得低於1450℃。如以5t／h沖天爐為例，前爐出鐵三包後，鐵水前爐降溫一般穩定在50℃左右，則鐵水過橋溫度應在1500℃以上，才能保證隨後的處理引數。這與熔鍊控制溫度是一致的。
(二)球墨鑄鐵生產工藝過程引數要求
球墨鑄鐵的生產，目的是要求得到細小的、圓整的、均勻的球狀石墨。具體要求分述如下：
1．鐵水的熔鍊溫度：
a．要得到細小的、圓整的、均勻的球狀石墨形態，首先就得將過共晶石墨溶解到結晶臨界半徑以下，熔鍊溫度高於1500℃。
b．要得到好的延伸率和強度效能，必須使晶粒邊界上氧化物夾雜、熔鍊性氣孔最少。據前所述相應的熔鍊溫度應在1500℃以上
c．控制硫含量在0.03～0.02％，控制焦碳加入量，控制氧化帶以上的二氧化碳量，以減少焦碳中硫進入鐵水量，其熔鍊溫度應大於1500℃，溫度愈高，控制效果愈好。在1530℃最佳。
如果採用高科技的熱風水冷沖天爐，有高的熔鍊溫度：低的氧化性氣氧，無爐襯操作，同時將爐渣的鹼度控制到1．7～2．3，可爐內脫硫，使硫量降到0．04％左右，此時，只需在爐前加簡單的連續脫硫裝置或採用包內脫硫方法即可穩定地控制硫含量在0．02～0．038%最佳值範圍內，可節約球化劑、穩定球鐵生產，得到高質量的球墨鑄鐵。
終上所述，球鐵鐵水的熔鍊溫度應高於1500℃，穩定在1530℃左右最佳。不超過1550℃。
2．球化處理溫度：
合適的球化處理溫度，應保證球化劑充分的作用，比重比鐵輕的氧化物，夾雜和氣體能充分上浮渣中，其適合的處理溫度國際、國內均在1400℃，過高球化劑損失大，過低不利於氧化物夾渣和氣體上浮。
3．孕育劑加入溫度，一般結合具體鑄件的澆注溫度確定。但必須控制孕育劑顆粒度和澆注溫度的配合。採用瞬時孕育方法較好。
綜上所述，球墨鑄鐵鐵水過橋溫度應控制在1500℃以上，以1530℃左右最佳。
四．鑄鐵熔鍊裝置的最佳選擇
綜上所述，在各種熔鍊裝置中，以熱風水冷沖天爐為最佳。現分別介紹如下：
(一)熱風水冷沖天爐的綜合優勢
1．鐵水熔鍊質量高：以典型鑄件發動機缸蓋為例，可穩定控制廢品率在5％以下。國外為2-3%
2．生產效率高：一次點火開爐，可連續熔鍊3個月以上。適應現代化大規模連續生產的需要。國外100～120T／h的熱風水冷沖天爐正在發展。
3．高節能：由於一次點火可連續工作三個月，與普通沖天爐比節省大量的底焦；以及採用了自熱、外熱式熱風，回收了大量的熱能。故可綜合節能50％。
4．低成本：據上所述，不僅回收大量的熱能，節省焦碳，還節約了大量的耐火材料。減少鐵合金的燒損。不計廢品率的降低，一臺15T／h爐，每天工作兩班，以上四項每月至少可節省30萬元以上，年計共360萬元。
5．高標準的環保措施：整個除塵系統是封閉的無洩漏，採用布袋除塵器可控制煙塵含量在<50mg/m3；熱風裝置已燃盡所有的一氧化碳徹底消除了一氧化碳對大氣的汙染，其煙囪可很低，看不到黑色的煙囪。其潔淨度己大大好於現在的環保要求。
6．高的裝置投資回收率，目前我們生產的全自動控制的IOTh熱風水冷沖天爐交鑰匙工程，從國外引進相同的裝置系統需4500萬元人民幣和要求90%以上的固定碳的鑄造焦，故我們生產的裝置一般不到一年即可收回全部投資。
（二）熱風水泠沖天爐系統的結構特點：
1．沖天爐本體，為高爐爐形，乾式爐底，電動或氣動爐底啟閉機構。前爐組成。
2．水冷系統：插入式銅質，迴圈水冷風嘴，雨淋式迴圈水冷爐殼，水冷卻塔，水泵組、水池組成。
3．熱風系統：由霧化水冷裝置控溫的燃燒室，換熱器、熱風管道等組成。
4．爐氣冷卻塔，有自然風冷、強制風冷，多管水冷等任選。其中以自然風冷最好。
5．除塵系統：由料塞、抽氣室、爐氣管道、電控野風閥、除塵器。引風機煙囪組成的封閉除塵系統。排入大氣的煙塵不含一氧化碳，煙塵含量可控制在<50mg／m3，一般在30～40mg／m3。
6．加料系統：由輔料組合鬥，金屬爐料斗，振動給料組合裝置，加料小車，加料桶。電動提升機組成。
7．爐渣粒化系統，由爐渣溜槽、水池、撈渣機、可控爐渣儲存卸料斗等組或。
8．電控系統：完成從加料到出鐵水全過程的自動化操作調控系統，只需一人在中控室設定、調整工藝引數操作即可。
以上系統，使用80％以上固定碳的焦碳，出鐵溫度穩定控制在1500～1550℃，基本穩定在1530℃。而國外要求固定碳為90％以上的鑄造焦，價格相差一倍以上，而且購買困難．系統示意圖附後，使用壽命在十年以上。