5 铸铁的熔炼

5.1 熔炼对保证铸件质量的重要性

熔炼铁液是生产铸铁件的重要环节。铸件质量包括内在质量、外观质量以及是否形成缺陷等，这些都与铁液方面因素有直接的关系。如铁液的流动性、薄壁和结构复杂铸件的成型性以及冷隔缺陷等受铁液温度的影响，而熔炼的铁液化学成分是否符合要求，则对铸件的机械性能有直接的影响。铁液中的气体和非金属夹杂物含量不仅影响铸铁的强度和铸件的致密度，而且还与铸件形成气孔、裂纹等缺陷有关。随着机械制造科学的发展，对铸铁提出薄壁、高强度的要求，铸件的最小壁厚由过去4~6mm减小至2~3mm，这要求相应提高铁液浇注温度。铁液温度还对铸铁件的内在质量有重要的影响，如灰铸铁件的质量指标（GZ），即与铁液温度有显明的关系。在球墨铸铁生产方面，熔炼出铁液的温度及原始含硫量成为球化及孕育处理有否成功的先决条件。

5.2 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。

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3。

表3 配置HT20-40的金属料平均成分

3. 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。

4. 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。

5.3 有害成分

铸铁熔炼过程中，必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，碱性冲天炉能在一定程度上起到脱硫的作用。

炉渣碱度在一定范围内提高时，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。应采用一定比例的低磷生铁和废钢进行配料。

5.4 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，加入一定量的石灰石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。

6 铸铁的熔炼方法及其特点

熔炼铸铁的方法依照所用的熔炉设备而分为冲天炉熔炼，感应电炉熔炼，电孤炉熔炼，反射炉熔炼，以及由某些方法的联合，如冲天炉一电孤炉、冲天炉一感应电炉双联法等。

1．冲天炉熔炼法

（1）冲天炉构造冲天炉的基本构造示如图4。炉身、风箱及烟道等用钢板焊成。炉身内部通常砌以耐火砖层，以便抵御焦碳燃烧产生的高温作用。为了储存铁液，多数冲天炉都配有前炉。



图5 有芯感应电炉炉体部分构造图（容量20t）

1—感应线圈 2—轭铁 3—耐火材料 4—铁液 5—熔渣

（2）感应电炉熔炼的优缺点及其应用与冲天炉熔炼相比，感应电炉熔炼的优点是熔炼过程中不会有增碳和增硫现象，而且熔炼过程可以造渣覆盖铁液，在一定程度上能防止铁液中硅、锰及合金元素的氧化，并减少铁液从炉气中吸收气体，从而使铁液比较纯净。这种熔炼方法的缺点是电能耗费大。

感应电炉适用于熔炼高质量灰铸铁、合金铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁等。无芯感应电炉能够直接熔化固体炉料，而且开炉及停炉比较方便，适合于间断性生产条件。有芯感应电炉开炉及停炉不便，适合于连续性生产。这种炉子熔化固体炉料的热效率低，而对过热铁液的热效率高，故适于与冲天炉配合使用。目前这两种形式的感应电炉在铸铁生产上都得到应用。

3．电弧炉熔炼

（1）电弧炉构造及工作原理电弧炉熔炼是利用石墨电极与铁料（铁液）之间产生电弧所发生的热量来熔化铁料和使铁液进行过热的。生产上普遍使用的是三相电弧炉，其炉体部分的构造示于图6。在电弧炉熔炼过程中，当铁料熔清后，进一步地提高温度及调整化学成分的冶炼操作是在熔渣覆盖铁液的条件下进行。电弧炉依照炉渣和炉衬耐火材料的性质而分为酸性和碱性两种。碱性电弧炉具有脱硫和脱磷的能力。

（2）弧炉熔炼的优缺点及其应用电弧炉熔炼的优点是熔化固体炉料的能力强，而且铁液是在熔渣覆盖条件下进行过热和调整化学成分的，故在一定程度上能避免铁液吸气和元素的氧化。这为熔炼低碳铸铁和合金铸铁创造了良好的条件。电弧炉的缺点是耗电能多，从熔化的角度看不如冲天炉经济，故铸铁生产上常采用冲天一电弧炉双联法熔炼。由于碱性电弧炉衬耐急冷急热性差，在间歇式熔炼条件下，炉衬寿命短，导致熔炼成本高，故多采用酸性电弧炉与冲天炉相配合。



图6 三相电弧炉体剖面简图

7 铸造铝合金

7.1 铝合金的性能及应用

铸造铝合金的密度比铸铁和铸钢小，而比强度则较高。因此在承受同样载荷条件下采用铝合金铸件，可以减轻结构的重量，故在航空工业及动力机械和运输机械制造中，铝合金铸件得到广泛的应用。

铝合金有良好的表面光泽，在大气及淡水中具有良好的耐腐蚀性，故在民用器皿制造中，具有广泛的用途。纯铝在硝酸及醋酸等氧化性酸类介质中具有良好的耐蚀性，因而铝铸件在化学工业中也有一定的用途。纯铝及铝合金有良好的导热性能，放在化工生产中使用的热交换装置，以及动力机械上要求具有良好导热性能的零件，如内燃机的汽缸盖和活塞等，也适于用铝合金来制造。

铝合金具有良好的铸造性能。由于熔点较低（纯铝熔点为660.230C，铝合金的浇注温度一般约在730～750oC左右），故能广泛采用金属型及压力铸造等铸造方法，以提高铸件的内在质量，尺寸精度和表面光洁程度以及生产效率。铝合金由于凝固潜热大，在重量相同条件下，铝液的凝固过程时间延续比铸钢和铸铁长得多，放流动性良好，有利于铸造薄壁和结构复杂的铸件。

7.2 铸法铝合会的分类、牌号

铝合金按照加工方法的不同分为两大类，即压力加工铝合金和铸造铝合金（分别以YL和ZL表示）。在铸造铝合金中又依主要加入的合金元素的不同而分为四个系列，即铸造铝硅合金、造铝铜合金、铸造铝镁合金和铸造铅锌合金（分别以 ZL1X X，ZL2 X X，ZL3 X X和ZL4 X X表示），在每个系列中又按照化学成分及性能的不同而分为若干牌号。表3中列出了铸造铝合金国家标准所包括的几种铝合金的牌号。

表3 铸造铝合金的牌号

8 铸造铜合金

铸造铜合金是工业上广泛应用的一种铸造合金材料。铜基合金因具有良好的对淡水、海水及某些化学溶液的耐蚀性能而大量用于造船及化学工业。铜基合金又由于具有良好的导热性及耐磨性，故也常用于制造各种机器上承受重负荷及高速运转轴的滑动轴瓦轴套等。

铸造铜合金分为两大类，即黄铜与青铜。黄铜是以锌为主加合金元素的铜合金。在铸造黄铜中又因加入其它合金元素而形成锰黄铜、铝黄铜、硅黄铜、铅黄铜等。在铜合金中不以锌为主加元素的统称为青铜，如锡青铜、铝青铜、铅青铜、铍青铜等。在国家标准中规定铸造铜合金共有9种，计29个牌号。

9 其他有色合金

除了铸铝合金和铸铜合金以外，还有很多种铸造有色合金。其中比较常用的是铸造镁合金、铸造钛合金和铸造锌合金。镁合金和钛合金由于具有高的比强度，故多用于航空工业。其中钛合金还对多种腐蚀性介质具有很强的耐蚀性，故也用于制造石油化工设备上经受腐蚀作用的铸件。锌合金具有比较高的强度和优良的铸造性能，故广泛用于制造薄壁的和结构复杂的铸件。

 在铸造方法上，铜合金及其它有色合金除了采用砂型铸造外，还广泛采用金属型铸造、离心铸造、低压铸造以及石墨型铸造等多种特种铸造方法。

 

在铜合金铸造中，采用金属型铸造方法，以加速合金的凝固，对提高铸件质量，减少铸造缺陷，具有重要的作用。金属型铸造可细分晶粒（特别对于铝青铜和锰黄铜），减少气孔，提高合金的机械性能和气密性（对锡青铜特别重要），在铅青铜等高含铅量铜合金中，采用金属型（以及水冷金属型）铸造，能防止铜成分的偏析。又由于铜合金铸件中，筒形零件（轴承、衬套）等较多，故采用离心铸造方法较多。此外，大型铸铜件（如大型船用螺旋桨）还可采用低压铸造方法，以提高合金的致密度，并减少铸件在浇注过程中产生的夹杂物。某些铜合金（如铅黄铜）还可采用压力铸造方法。

镁合金由于铸造性能较差，特别是容易产生热裂，故大部分镁合金铸件仍是采用砂型铸造，仅小部分形状简单的铸件，可用金属型铸造。压力铸造方法在镁合金铸造中用得很少。

锌合金具良好的铸造性能，充填铸型能力强，且不产生热裂，故特别适宜于采用金属型和压力铸造。在大量生产中常用压力铸造方法生产薄壁和结构复杂的锌合金铸件。

 合金由于化学活泼性极强，在铸造过程中钛液与大多数铸型材料（包括各种型砂及钢铁）都发生相互作用，致使铸件被沾污，故只能用特殊的铸型材料（如氧化钍或石墨）来铸造。

10 铸造有色合金的熔炼

熔炼工艺对有色合金铸件的性能和缺陷有很大影响。多数有色合金易产生气孔和夹杂，尤其是钛合金、铝合金、镁合金和某些铜合金。一般的熔炼工艺流程是：

1）根据铸件技术要求所规定的合金牌号，可查出合金的化学成分范围，从中选定化学成分；

2）根据元素的烧损率和成分要求，进行配料计算，得出各种炉料的加入量，并选择炉料。若炉料受到污染，则需要进行处理，保证所有的炉料清洁、无锈，并在投料前进行预热；

3）检查和准备化用具，涂刷涂料，并预热，防止气体、夹杂物和有害元素的污染；

4）加料。一般加料顺序为：回炉料、中间合金和金属料，低熔点易氧化的金属料，如镁，在炉料熔化之后加入；

5）为了减少合金液的吸气和氧化的污染，应尽快熔化，防止过热，根据需要，有的合金液须加覆盖剂保护；

6）炉料熔化后，进行精炼处理，以净化合金液，并进行精炼效果的检验；

7）根据需要，进行变质处理和细分组织处理以提高性能，并检验处理效果；

8）调整温度，进行浇注。有的合金在浇注前要进行搅拌，以防发生比重偏析。