水冷金屬型球墨鑄鐵管中夾雜分析及控制措施

樊永輝

（安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)永通球墨鑄鐵管有限責(zé)任公司，安陽(yáng) 455133）

球墨鑄鐵管做為自來(lái)輸水管道的主要材料，與人們?nèi)粘ｏ嬎】迪⑾⑾嚓P(guān)，如果輸水管道出現(xiàn)質(zhì)量事故，會(huì)對(duì)人們的日常生活帶來(lái)重大影響。因此，提升球墨鑄鐵管的質(zhì)量，是每個(gè)鑄管人義不容辭的責(zé)任。水冷金屬型球墨鑄鐵管除了外形美觀(guān)，重要的是內(nèi)在質(zhì)量有保證，例如水冷金屬型球墨鑄鐵管延伸率較高（DN1000以上延伸率≥7%，DN1000及以下的管子延伸率≥10%）。水冷金屬型球墨鑄鐵管內(nèi)在高質(zhì)量除了可以控制好鐵基體中石墨球化率和大小，更重要的就是能夠解決管中夾雜問(wèn)題。下面本文就主要探討一下水冷型球墨鑄鐵管中的夾雜分析和控制措施。

1 水冷金屬型球墨鑄鐵管石墨雜質(zhì)成分分析

1.1 鐵水中含碳量和碳當(dāng)量的關(guān)系

根據(jù)各種元素對(duì)共晶點(diǎn)含碳量的影響，將這幾種元素含量以碳含量的增減形式表示，稱(chēng)為“碳當(dāng)量”，以CE表示，為簡(jiǎn)化計(jì)算，一般只考慮硅、磷元素的影響，具體如式（1）所示。

將CE值與共晶點(diǎn)碳量（4.26%）相比，就可以判斷出某一具體成分的鑄鐵偏離共晶點(diǎn)的程度，如CE值＞4.26%為過(guò)共晶成分；CE＜4.26%為亞共晶成分；CE＝4.26%為共晶成分?！疤籍?dāng)量”的高低不僅能夠衡量鑄鐵偏離共晶點(diǎn)的程度，還可以間接推斷出鑄造性能以及該鑄鐵產(chǎn)品石墨化能力的大小，是一個(gè)很重要的參數(shù)。

針對(duì)本文研究的離心球墨鑄鐵管，按不同管徑控制碳當(dāng)量CE值，其最終目的是為了控制鐵管含碳量，若鐵水中的含碳量逐漸降低，也即是減碳量增加，證明該離心球墨鑄鐵管石墨漂浮越嚴(yán)重，這時(shí)鐵水表面一般都會(huì)有一層渾濁的膜，很難清楚干凈，最終使得鐵管內(nèi)壁形成一層黑渣，這種黑渣這要是由漂浮的石墨和鐵的二次氧化物摻和在一起形成的，會(huì)對(duì)飲水者造成健康危害。

安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)永通球墨鑄鐵管有限責(zé)任公司對(duì)離心球墨鑄鐵管內(nèi)部原鐵液和試塊采用鉆屑法進(jìn)行取樣化驗(yàn)，具體數(shù)值如下表1所示。

表1 鉆屑法取樣化驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1可以看出，鐵水的含碳量越高，減碳量越多，當(dāng)鐵水的含碳量降低到3.56%時(shí)，幾乎很少發(fā)生減碳。從試塊的平均碳量來(lái)看，原鐵水含碳高的降到3.42～3.46%時(shí)將會(huì)趨于穩(wěn)定，如果這時(shí)在原鐵水中加入適當(dāng)?shù)暮栉?，使原鐵水達(dá)到要求的碳當(dāng)量，就可以避免碳和石墨漂浮現(xiàn)象的發(fā)生，減少管子內(nèi)壁的雜質(zhì)。

1.2 碳含量降低發(fā)生的原因

1.2.1 共精度改變

一般來(lái)說(shuō)都是鐵液自身發(fā)生改變，造成鐵液中CE值變大，使得整體共晶度提升，鐵液的碳濃度增大，碳含量降低。

1.2.2 鐵水溫度下降

在球化處理和澆注成型過(guò)程中，由于鐵水溫度下降造成，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，碳在鐵水中的溶解度與鐵水溫度有關(guān)，一般是隨溫度升高而增加、隨溫度下降而減少，鐵液受溫度下降影響，自然為碳自行成核析出創(chuàng)造了條件。此外，鐵液通過(guò)球化孕育處理后具有良好的形核能力，在鐵水溫度下降的情況下，很容易自行成核，到達(dá)一定尺寸，漂浮到鐵液表面，形成一層渾濁的膜脫離鐵液，這就是減碳的根本原因。

1.2.3 原鐵水的石墨化能力

原鐵水經(jīng)球化孕育處理后，具有很強(qiáng)的石墨化能力。當(dāng)溫度下降到一定程度，導(dǎo)致鐵水內(nèi)部CE值當(dāng)達(dá)到共晶點(diǎn)，有一部分碳形成的石墨漂浮到鐵液表面。

2 鐵水中雜質(zhì)來(lái)源類(lèi)型

2.1 鐵水各種元素被氧化

鐵水中硅含量對(duì)鐵水雜質(zhì)形成具有很大的影響。當(dāng)硅含量升高時(shí)，雜質(zhì)就容易產(chǎn)生，比如硅的氧化物可與鐵液中的各種氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成硅酸鹽，并且有些碳酸鹽不易溶于鐵水，就會(huì)上浮到鐵水表面。再比如，硅的氧化物與氧化鎂會(huì)形成鎂橄欖石和頑輝石，其中鎂橄欖石是主要的雜質(zhì)，但這些雜質(zhì)可以通過(guò)相關(guān)技術(shù)手段去除。但如果硅含量太低時(shí)，氧化物就不容易排除。由此可見(jiàn)，含硅量過(guò)高有助于夾渣的產(chǎn)生，從而進(jìn)一步清理。

在鐵液中，鐵的氧化物等微粒在高溫下是較強(qiáng)的還原劑。因此，在鐵液中存在相關(guān)反應(yīng)，如式（1）～式（3）所示。

上述反應(yīng)是鐵液碳含量隨著熔煉時(shí)間延長(zhǎng)而下降的主要原因。僅僅從反應(yīng)（3）來(lái)看，鐵液中的硅含量不會(huì)隨熔煉的時(shí)間延長(zhǎng)而下降，而應(yīng)該升高；但是硅也是脫氧的元素，根據(jù)熱力學(xué)定律，鐵液中的硅與鐵的氧化物存在相關(guān)反應(yīng)，如式（4）、式（5）所示。

鐵液表面的硅與空氣中的氧會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，如式（6）所示。

根據(jù)反應(yīng)（3）～（5），可以發(fā)現(xiàn)，Si02變成鐵液表面的爐渣，鐵液中硅的含量會(huì)隨熔煉時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。同樣道理，鐵液中的其它元素，如錳、鉻、鎳、銅在與空氣接觸的表面也會(huì)發(fā)生類(lèi)似的氧化反應(yīng)。

硫元素是鐵水中的有害元素，當(dāng)鐵液中含硫量過(guò)高時(shí)，鐵水中爐渣明顯增加，爐渣成分主要有硫化錳、硫化鎂、硫化亞鐵以及稀土硫化物，這些硫化物是球鐵件形成夾渣的主要原因。另外，當(dāng)硫含量過(guò)高時(shí)，就會(huì)增加鐵水的粘度，造成其他熔渣和金屬氧化物上浮到鐵水表面，在澆鑄過(guò)程中會(huì)殘留在鑄件中形成夾渣。因此，降低鐵水中的硫含量會(huì)減小夾渣的產(chǎn)生，如中頻電爐中熔煉的鐵水，硫含量少，很少見(jiàn)到夾渣。而沖天爐熔煉的鐵水含硫量高，就容易出現(xiàn)夾渣缺陷。因此鐵水中含硫量應(yīng)小于0.025%，避免夾渣的產(chǎn)生。

2.2 其他因素

第一，鐵液在通過(guò)球化劑球化處理過(guò)程中，容易產(chǎn)生的夾渣，夾渣成分多為氧化鎂，硫化鎂等化合物，懸浮、散落在鐵液中。

第二，熔煉過(guò)程中，爐襯、包襯材料等非金屬夾雜物散落在鐵液中。

第三，鐵液在轉(zhuǎn)運(yùn)、扒渣、清理過(guò)程中，產(chǎn)生的二次夾渣，主要成分是鐵液表面氧化膜破碎形成的殘留物，懸浮或包裹在鐵液中。

3 澆注溫度對(duì)夾雜的影響

鐵水澆注溫度的高低對(duì)夾渣的影響非常大，無(wú)論鐵水澆注溫度過(guò)高或者過(guò)低，都會(huì)使鐵鑄管產(chǎn)生缺陷。例如澆注溫度過(guò)低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致液體金屬粘度高，造成各種氧化物、硫化物不易上浮至鐵水表面，且液體金屬凝固較快，熔煉過(guò)程中的渣很容易殘留在鑄件中形成夾渣。但隨著鐵液溫度的升高，夾渣物隨著時(shí)間增加，會(huì)浮到鐵水表面，便于清除。如果鐵液溫度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致鐵水中再次出現(xiàn)夾渣，這種現(xiàn)象主要是由于液體金屬表面的劇烈氧化，導(dǎo)致?tīng)t渣變得太稀薄，不利于浮到鐵水表面而不易去除造成的，最后夾渣會(huì)隨液體金屬流入型腔。

另外，如果澆注溫度過(guò)低，模粉和隨流孕育劑會(huì)出現(xiàn)未完全融化情況，從而進(jìn)入鐵液內(nèi)，在離心力作用下積聚到管子內(nèi)壁，形成夾雜。其次，刷流槽時(shí)，流槽上涂料未清理干凈，隨著鐵水進(jìn)入管模，在離心力作用下積聚到管子內(nèi)壁，形成夾雜，這是目前鑄鐵管內(nèi)壁形成夾雜的一個(gè)主要原因。

4 控制措施

4.1 加強(qiáng)中頻爐中鐵液含碳量的控制

生產(chǎn)時(shí)，通過(guò)在電爐中加入廢鋼（約6～10%），將原鐵液中含碳量降至工藝要求范圍內(nèi)，調(diào)至合適的碳當(dāng)量。

4.2 在中頻電爐中對(duì)鐵液進(jìn)行過(guò)熱處理

首先，在一定范圍內(nèi)提高鐵水的溫度，延長(zhǎng)鐵水高溫靜置時(shí)間，使鐵水中雜質(zhì)能夠浮到鐵水表面，然后去除。同時(shí)，將鑄鐵中石墨及基體細(xì)化，提高鑄鐵一些性能。

其次.提高過(guò)熱溫度，延長(zhǎng)高溫靜置時(shí)間，使鐵液趨向于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，以減少爐料遺傳性。通過(guò)上述工藝，可以明顯減少鐵液中C形石墨數(shù)量及其尺寸。

4.3 提升鐵水過(guò)熱度

通過(guò)該工藝，鐵液中氮含量、氧含量會(huì)略有上升，但過(guò)熱溫度達(dá)到1450℃以后，氧的含量會(huì)大幅度下降，鐵液純凈度會(huì)有很大幅度的提高。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般將鐵液的過(guò)熱溫度設(shè)定在1500℃以上。

4.4 其他控制措施

較高的過(guò)熱溫度，或延長(zhǎng)高溫靜置時(shí)間，都可以使懸浮在鐵液中的夾渣上浮，從而提高鐵液的純凈度。但對(duì)于較大管徑的鑄管來(lái)說(shuō)，出鐵溫度一般較低（1480～1460℃），可采用短時(shí)將鐵液溫度至1500～1530℃，然后進(jìn)行高溫靜置3～5min，也可達(dá)到提升鐵液純凈度的目的。鐵液的純凈度的提高，既可減少因夾渣引起的鑄造缺陷，又可提高球化后的孕育處理效果，使組織和性能更加穩(wěn)定、可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

鐵水中的雜質(zhì)是影響水冷金屬型球墨鑄鐵管的質(zhì)量的最主要的原因，在生產(chǎn)中必須減少或去除鐵水中的雜質(zhì)，這樣才可以提升球墨鑄鐵管的質(zhì)量，保證城市供水的安全。