摘要：灰铁铸件，采用高钡孕育剂孕育，延长孕育时间，消除渗碳体；球铁铸件，通过对原铁水使用高钡孕育剂进行脱氧预处理，在Mg残控制在0.035%~0.055%的情况下，使铸件的球化级别符合国家标准，降低铸件的缩松倾向。
　　关键词：高钡孕育剂   孕育时间  渗碳体   脱氧预处理   球化级别
　　2021年上半年，铸造生铁、废钢的价格大幅上涨。Q12一度达到5200元/T的水平，7、8、9月份保持在4700 - 4750元/T （含税）。废钢的价格，较去年的价格，上涨1000元/T左右。8-9月份，废钢压块保持在3700元/T~3800元/T（不含税）的价位。铸造原材料价格大幅上扬，铸件的价格却很难提升。为了减少铸造原材料成本大幅上涨的压力，很多生产中、低端铸件的中、小铸造厂，采用了废钢增碳的办法进行生产，甚至也使用废钢屑压块增碳的方式进行生产。结果，造成了这样、那样的质量问题。一些小的铸造厂，由于生产条件的限制，浇注时间达到15分钟以上，质量问题更为严重。
　　笔者有着三十年的铸造生产经验，针对浇注时间长、铸造原材料质量不好、铁水氧化严重的生产状况，使用高钡孕育剂进行生产，取得了较为理想的使用效果。现整理出来，供“同样生产条件的铸造厂”参考使用。
　　一  灰口铸铁件
　　1.  山东一家铸造厂，使用水平分型脱箱射压造型机生产灰铁铸件（HT200）。
　　1.1  生产条件：
　　1）采用2台1T的电炉进行熔炼；2）每炉，每次出铁1000kg；3）浇注包-100kg；4）出炉孕育0.6%；5）转包孕育0.2%；6）浇注时间：12-15分钟。
　　1.2  存在的问题：
　　该公司铸件重量较轻，浇注箱数多，浇注时间长，有的铸件浇注时间长达17、18分钟。浇注时间长，铁水降温严重，经常出现末浇包包头温度达到1280℃左右的情况.铸件渣气孔缺陷、冷隔缺陷非常严重。
　　为解决末浇温度低的问题，该公司采取了以下措施：1）对铁水包进行烫包；2）对浇注包使用液化气烤包器进行进行烘烤（接第一包铁水时，包衬温度达到500℃以上）；3）生产过程中，使用保温棉盖住“包口”，强化铁水包保温；4）浇注包，盖包盖保温；5）将铁水出炉温度提高到1580℃-1600℃.
　　1.3 出现的问题
　　由于种种原因，该公司采购了一批含Ba4%-6%的硅钡孕育剂进行生产，结果铸件出现料硬缺陷。见图一。

　　图一
　　对料硬铸件进行金相检查，铸件存在5%的渗碳体。
　　对料硬铸件化验成分（图二）。

　　图二
　　硬度检查：HB192（图三）

　　图三
　　从化验成分看S0.049，偏低。遂调整硫铁的加入量，使S达到0.08%左右（图五）。

　　图五
　　提高含S量后，铸件的加工性能有所改善，但还是偏硬。
　　该公司在9月中旬，更换了Ba10%硅钡孕育剂（见图六、图七）

  

　　图六                          图七
　　使用该孕育剂生产的灰铁铸件，没有发现“料硬”问题（图八）

　　图八
　　1.  山东某铸造厂
　　使用水平分型脱箱射压造型机生产纺织机用灰铁铸件P016。
　　1.1  生产条件：
　　1） 采用1T的电炉进行熔炼；2）每次出铁900kg；3）出炉孕育0.6%；
　　1.2  铸件形状

　　2.3出现的问题
　　铸件硬度低（图九）、石墨粗大-3级（图十）、珠光体-50%低（图十一）

　　图九

    

　　图十                         图十一
　　铸件成分

日期	C	S	Si	Mn	P	Cr
21-10-30	3.26	0.0245	1.77	1.06	0.0374	0.0559

　　2.4 问题解决
　　出铁时，改用Ba10的复合孕育剂进行孕育，孕育量0.6%。

　　图十二
　　铸件成分

日期	C	S	Si	Mn	P	Cr
21-11-2	3.22	0.081	1.73	0.948	0.01	0.376

　　3.  河北石家庄铸造厂  使用覆膜砂叠箱工艺，生产灰铁铸件（HT200）。
　　3.1 生产条件：
　　1）采用0.75T的电炉进行熔炼；2）每次出铁600kg；3）出炉孕育0.7%；4）炉前分析C：3.3%~3.4%  Si ：1.8% ~1.9%  Mn：0.9% ~1%
　　3.2 铸件形状

       

　　图十三
　　3.3 出现的问题
　　同一包浇注的泵体硬度差别非常大。有的硬度HB174，有的硬度HB212，渗碳体10%，无法加工。
　　3.4 问题解决
　　出铁时改用硅钡孕育剂进行孕育。按0.7%加入；批量生产KD75泵体6000余件，硬度均匀。 加工后，没有发现料硬泵体。
　　4.  问题分析
　   4.1  第1家铸造厂，浇注时间长，出铁温度高。铁水本身的晶核烧损严重，氧化严重。在使用普通孕育剂进行孕育的情况下，用于脱氧的Ba量不足，致使铁水结晶时形成了较多的渗碳体。
　　孕育剂能增加结晶核心。当这些外加的核心完全被铁液溶解，孕育也就失效。好的孕育剂，能缩短“异质形核”至“活化晶核数达到最大值”的时间；延长“活化晶核数达到最大值”至“铁液恢复到原有晶核数”的时间。高钡孕育剂适用于浇注时间长的灰铸铁，对低硫灰铸铁的孕育也很有效。高钡孕育剂的孕育效果可维持20min。
　　笔者长期使用高钡孕育剂生产灰铁铸件。采购孕育剂的质保书如下

   

　　图十四                                           图十五
　在生产过程中，对不同Ba含量孕育剂生产的泵体进行加工。
　　低Ba孕育剂生产的泵体，加工性能差。工人反映料硬、有白边。
　　高Ba孕育剂生产的泵体，加工性能好，无渗碳体。

    

　　图十六                                            图十七

　　4.2  第二家铸造厂
　　使用粘土砂工艺生产P016铸件。虽然检测硬度的部位，厚度29，不大。但与其接触的区域106×76×52，是一个铁疙瘩，铸件冷却非常缓慢。在该冷却条件下，石墨充分生长，变得粗大，铸件硬度低。
　　继续降低C、Si含量，CE降低，铸件硬度可以提上来。在不加大浇冒口的条件下，又容易产生缩凹缺陷（见图 十八 ）。在不降低CE的前提下，适当增加Cr的含量，使铸件的硬度得到提高（合金化）。

　　图十八

　　采用Ba10的孕育剂，提高、延长孕育效果，在同样的成分下，可以使石墨片长度等级提高1级，细化石墨，提高珠光体含量，进而提高铸件的硬度。
　　4.3  第三家铸造厂
　　刚开始生产泵体时，该公司使用硅粒做孕育剂。先期浇注的泵体，硅铁的孕育作用还存在，泵体硬度、加工性能良好。后期浇注的泵体，硅铁的孕育作用完全消失，结晶时析出大量渗碳体，泵体硬度高、无法加工。
　　硅铁的孕育作用，1.5min内达到峰值，8min后衰退到未孕育状态。鉴于使用硅铁做孕育剂，随时间衰退的非常快，铁水出炉，很少有铸造厂使用硅铁进行孕育的。为节省成本，有些铸造厂，在转包孕育的时候，使用硅粒进行孕育，也取得了一定的效果。
　　铁水出炉时，使用硅钡孕育剂，特别是使用高钡孕育剂进行孕育，孕育的有效性大大延长，避免了渗碳体的出现。
　　4.4  国内外一些高Ba孕育剂的化学成分

编号	商业名称	Si	Al	Ca	Ba	其他
1	法国 Ba10G	60-65	1.3-1.7	1.0	9~11	余
2	高Ba	60-65	≤2	≤3	8~12
3	俄罗斯	55-65	0.5-4.0	0.5-10	25-35
4	PRE-La	60-70	≤1.5	0.5-2.0	7-14	La适量

　　二 球墨铸铁件
　　高钡孕育剂作为预处理剂在球墨铸铁生产中的应用。
　　笔者对“福士科”陈子华老师写的论文《球墨铸铁预处理原理及生产应用实例》进行了深入研究，并应用于实践，取的了良好的效果。
　　1. 预处理的目的
　　对铁液的预处理，其目的是改善铁液的性能，增加单位面积的形核核心，降低铁液的过冷度。
　　2. 预处理剂功能元素具备的特点：
　　1）和铁液中O、S反应活性强，其氧化物、硫化物的标准吉布斯自由能要低；
　　2）这种元素的氧化物、硫化物密度尽可能小，最好和铁液类似；
　　3）这种元素的氧化物、硫化物的熔点要高；
　　4）这种元素的氧化物、硫化物的质点尺寸要适合作为形核质点。
　　La、Ba是能很好满足这些条件的元素。
　　3. 为什么需要对铁液进行预处理？
　　在球化反应中，需要定量考虑的反球化元素主要是S，一般根据S+Mg→MgS反应前后ω（S）、ω（Mg）量的变化来决定球化剂的加入量。除此之外，还有一个反应O+Mg→MgO容易被忽略。铁液中的ω（O）量与炉料的锈蚀程度、铁液温度、保温时间息息相关。正常熔炼的铁液，铁液中ω（O）量较低（＜40ppm）；非正常熔化的铁液，铁液中ω（O）量较高（＞80ppm），有时甚至高达120-140ppm。经过计算，因熔炼条件不一致，造成两种铁液的ω（O）量一个为20ppm，一个为120ppm，就相当于原铁液中有0.01%的ω（S）量波动，这是不容忽视的情况。
　　如果意识不到有相当于0.01%的ω（S）量在波动，不加以调整球化剂的加入量，就会出现严重的冶金质量问题。球化剂加入量相对不足，将使石墨球圆整度差，发生球化衰退。球化剂加入量相对过剩，将使得游离镁含量高，而导致皮下气孔、显微缩松等缺陷。为使球化反应前铁液对球化剂的需求保持在一个相对稳定的状态，就必须使球化前铁液的ω（S）、ω（O）量相对固定。
　　4. 预处理的应用要点
　　预处理工艺一定要在球化反应前进行，以便让Ba+O→BaO、Ba+S→BaS、La+O→La2O3、La+S→LaS等预处理反应在球化之前进行，为铁液球化处理提供良好的基础，同时形成大量的、长时间稳定存在的不易衰退的形核核心。
　　5. 预处理技术的主要优点
　　1）可去除铁液中的MgS、MgO等夹杂，净化铁液。
　　2）可大幅度增加单位面积石墨球数，细化石墨球，提高石墨球的圆整度和球化率。
　　3）使ω（Mg）量更低、更稳定，减小收缩，消除缩松。
　　4）可大幅度提高铁液的流动性。
　　5）可大幅度提高铁液的抗衰退能力。预处理剂中的Ba、La和铁液中的氧反应，生成的熔点高的氧化物、硫化物，这种质点不易熔化消失。这些物质的比重和铁液类似，不易漂浮和下沉。质点的尺寸非常小，在3μm左右，非常适合作为形核质点。
　　6. ω（Mg残）量的有效范围
　　根据原铁液含硫量的不同，形成完全球状石墨组织所需Mg量的范围一般为0.03~0.06%. 若铁液中硫和氧含量都很低，其他反球化元素较低，大约0.018%的Mg就足以形成全球状石墨组织。
　　在实际生产中，通常以检测残留镁量来判断球化反应是否正常？检测到的残留镁量是总Mg量，包括MgO、MgS、MgSiO3等化合物中的Mg.
　　球铁球化质量的好坏与ω（Mg残）没有直接的关系，真正起作用的
　　是游离ω（Mg）量。有时，ω（Mg残）量高，可能是化合态ω（Mg）量高，即ω（MgS）、ω（MgO）量高。感应电炉熔炼，炉料主要为生铁、废钢、低S的增碳剂，硫高的可能性不大。通过炉前快速C、S分析或光谱分析，原铁水中的S是可以在出铁球化前获悉的。因铁水氧化，铁液含FeO高，发生反应Mg+O→MgO，会导致Mg被大量消耗，生成过大的ω（MgO）量。而此时游离ω（Mg）量低，不仅不能获得良好的球化效果，而且会形成更多的缩松、夹杂。
　　铁水过度氧化，ω（MgO）量过高，游离ω（Mg）量过低，致使残
　　余Mg高达0.05~0.055，铸件仍会出现球化不良。
　　笔者公司对铸件的残余Mg量定为：1）因铸件结构，生产工艺限制，缩孔、缩松倾向大的铸件，残余Mg量0.03~0.045%；2）铸件缩孔、缩松倾向小的铸件，残余Mg量0.03~0.055%。
　　7. 预处理剂的选用
　　含Ba、La的预处理剂，比如福士科公司的Inoculin390，使用效果非常好。但是，其价格非常贵。除非生产高端铸件，生产对缩松缺陷有严格要求的铸件，很少有人会使用这种预处理剂。
　　根据预处理技术的原理，笔者创造性地使用高钡孕育剂作为预处理剂，对预进行球化的原铁水进行处理，取得了理想的使用效果。2015年，笔者曾写过一篇文章《冲入法球化处理工艺的改进》，对高钡孕育剂作为预处理剂进行预处理进行过阐述。
　　高钡孕育剂（含Ba9%-11%）的市场价格，比中钡孕育剂（含Ba4%-6%）的市场价格高5%左右，这对大多数铸造厂都是可以接受的。
　　8  冲入法球化工艺，高钡孕育剂对原铁水进行预处理的应用
　　笔者2016年以前，使用冲入法生产球铁铸件。调整好成分，向炉内加入含Ba 9% -11%、粒度3-6mm的高钡预处理剂，搅拌，助其溶解后，立即出铁球化。对原铁液进行预处理后，原铁液的含氧量维持在一个较低的水平。
　　在生产0.5kg ~ 300kg的球墨铸铁件时，使用6-2球化剂，加入量降低至0.82~ 1.05%。生产大件、厚壁铸件，球化剂加入量，靠上限。正常情况下，包尾铸件本体的球化率>80%。 参照《现代铸铁》2011年6月提供的一组数据，进行球化处理工艺对比

指标	国内冲入法	国外盖包法	球化浇注处理包	本项目
Mg的吸收率%	35	60	61	＞ 63
球化剂消耗量%	1.4	1.1	1.1	0.82 ~ 1.05
球化质量	差	优	优	优
铁液温度损失/℃	70	40	40	40 ~ 70
劳动条件	差	好	好	好

　　Mg吸收率（%）
　　={0.75×（原铁水含硫量% — 残余硫量%）+残余镁量%Mg}/镁加入量（%）
　　以2015年8月18日夜班生产柴油机平衡块为例：
　　原铁水S0.026，残余硫量0.022，残余镁量0.031%Mg ;球化级别：3级
　　球化剂加入量6.8kg，含Mg按6%计算，出铁775kg（球化剂加入量0.88%）
　　Mg吸收率（%）={0.75×（0.026%-0.022%）+0.031%Mg}/{0.88%×6%}=64.3%。
　　具体应用案例
　　2015年8月9日夜班1.5T/h生产柴油机平衡块，金相、化学成分检测如下

炉次	包次	球化级别	硬度  HB	C	Si	S	Mn	Mg	Re	Cu	Cr	铁水kg/包
一	1	3	229	3.68	1.9	0.019	0.81	0.048	0.02	0.32	0.25	730
	2	3	202	3.75	1.97	0.022	0.81	0.031	0.02	0.32	0.25	775
二	3	3	222	3.77	1.93	0.018	0.82	0.05	0.018	0.35	0.25	745
	4	3	217	3.84	2	0.017	0.8	0.043	0.023	0.34	0.25	755
三	5	3	241	3.77	1.92	0.016	0.79	0.051	0.024	0.32	0.25	735
	6	3	216	3.72	1.97	0.015	0.79	0.053	0.023	0.31	0.24	740
四	7	3	211	3.75	1.87	0.016	0.85	0.052	0.029	0.34	0.26	740
	8	3	217	3.65	1.89	0.013	0.85	0.049	0.027	0.33	0.25	745
五	9	3	241	3.83	1.82	0016	0.78	0.048	0.024	0.31	0.23	735
	10	3	231	3.83	1.89	0.017	0.77	0.044	0.024	0.31	0.23	730

　　平衡块的材质为QT600-3，铸件厚度为60~70mm。使用6-2球化剂（Mg5.5~6%），球化剂加入量为6.8kg/包（0.92%）。对铸件进行解刨，无缩松。

              

　　                                                                                                图十九
　　1. 喂丝球化工艺，高钡孕育剂对原铁水进行预处理的应用
　　冲入法球化处理工艺，对炉工素质要求较高。一方面，炉工的技术水平要高，知道怎么干，可以生产出合格的球铁铸件；另一方面，炉工的责任心要强。随着客户对铸件质量要求的提高，冲入法球化处理工艺，已不能满足生产的需要。2016年3月份起，笔者公司开始使用喂丝球化处理工艺生产球铁铸件。
　　1.1 喂丝球化要点
　　1）喂丝机采用“沧州宝鼎机械制造有限公司”的产品。
　　2）球化线采用2632（Mg30/RE3）；孕育线采用“2632孕育线，Si63%”
　　3）球化包采用高径比为2：1的细径加长喂丝球化包。
　　4）为确保喂丝球化效果，从电炉向喂丝球化包倒入铁水的时候，随铁水流冲入0.4%粒度3-6mm的高钡孕育剂。
　　1.2 喂丝球化案例一
　　聊城鑫泰克机械有限责任公司生产的行星架，汽车件，材质QT600-3

日期	包次	球化级别	球径大小级别	珠光体	硬度	抗拉  强度	延伸率	C	Si	Mn	Cr	Cu	Mg
18/9/25	1	2	6	75	216	728	10.9	3.53	2.53	0.42	0.1	0.53	0.064
						731	10.3
	2	2	6	75	213	776	9	3.62	2.54	0.42	0.1	0.56	0.055
						773	8.5
18/9/26	1	2	6	65	209	695	10.6	3.43	2.79	0.4	0.11	0.54	0.054
	2	2	6	75	213	780	7.1	3.67	2.74	0.38	0.11	0.52	0.061

　　对铸件进行解剖，铸件没有缩孔缺陷。

   

　　图二十：成品件形状              图二十一：热节处解剖

　　图二十二：检查铸件缩孔，热节处解剖

　　8.3 喂丝球化案例二
　　河北衡水某铸造厂生产的行星架

日期	包次	球化级别	球径大小级别	珠光体	C	Si	Mn	S	Cu	Mg
21/11/3	1	2	6	75	4.07	2.08	0.35	0.014	0.35	0.051
	2	2	6	75	3.98	2	0.34	0.014	0.37	0.045
	3	2	6	75	4.03	2.08	0.35	0.014	0.37	0.048
	4	2	6	75	4.08	2.06	0.34	0.015	0.31	0.034
	5	2	6	75	4.13	2.11	0.35	0.014	0.35	0.048

　　铸件解剖照片：无缩松

　　金相照片：

　　图二十三

　　衡水的这家铸造厂，将Ba10复合孕育剂应用在其他易缩松的铸件上（比如差速器壳），也取得了满意的效果。
　　9. 铁水氧化，球化不良案例
　　山东有一家铸造厂，使用钢屑压块（见图二十四）代替废钢，采用冲入法生产球铁铸件。

　　图二十四

　　铁水出炉球化前，未进行脱氧处理。因铁水氧化物含量高，浇注时间长，出现球化不良，球化级别6级。对球化不良件，化验成分，如下：

　　图二十五

　　同样是冲入法，使用高钡孕育剂脱氧后，0.038%的Mg残，可以使铸件球化级别达到3级。不对原铁液进行脱氧预处理，0.038%的Mg残，铸件球化级别达到6级。通过对比，说明使用高钡孕育剂对原铁液进行脱氧预处理，对确保铸件球化级别合格、稳定，是非常有益的。
　　三  结束语
　　1.  使用锈蚀严重的钢屑压块/铁屑配料，高温（>1550℃）出炉，浇注时间超过15min等恶劣生产条件下，生产灰铁铸件，出炉时，使用高钡孕育剂（Ba 10）进行孕育，可以有效解决铸件料硬的问题。使用高钡孕育剂，可以细化石墨，提高铸件的强度、硬度。
　　2. 生产对缩松要求不太苛刻的球铁铸件，使用高钡孕育剂（Ba10）对原铁水进行脱氧预处理，无论是对冲入法球化，还是对喂丝法球化，对确保铸件球化级别合格，非常有效；使用高钡孕育剂对原铁水进行脱氧预处理，同样碳当量条件下，石墨球变的细小（可提高1个石墨球大小等级），有利于抑制石墨漂浮。
　　3. 生产对缩松要求苛刻的球铁铸件，冲入法球化建议使用含高Ba、适量La的预处理剂，对原铁水进行脱氧预处理；喂丝球化建议出铁冲入高钡孕育剂（Ba10-12），喂丝球化线采用纯镧球化线。这样生产，球化后，石墨球细小，形成时间晚，对减轻缩松倾向非常有利。除此之外，还要注意砂型的硬度。铸件不得出现跑火、涨箱现象。跑火、涨箱的覆膜砂铸件，极易出现缩松缺陷。
　　参考文献：
　　【1】陈子华 球墨铸铁预处理技术原理及生产应用实例
　　《现代铸铁》2010，（5）:P32 - P34
　　【2】中国机械工程学会铸造分会 铸造手册-铸铁（第3版）机械工业出版社，2011，P 237
　　【3】球墨铸铁制造实务 2004        P29-P30
　　RIO TINTO IRON & TITANIUM  加拿大
　　宏德铸造材料有限公司  中国   广州
　　作者简介：王秀国（1971-     ），山东聊城人，高级工程师，1991年毕业于山东省机械工业学校铸造专业。长期从事铸铁熔炼的技术和管理工作。