球墨鑄鐵件在我國(guó)水泥裝備制造中的應(yīng)用

彭玉蓉，申占民

1 球墨鑄鐵的發(fā)展使用情況

1947年，英國(guó)鑄鐵研究所Morrogh發(fā)現(xiàn)，在過(guò)共晶鐵液中加入Ce并用硅錳鋯合金孕育，可獲得球狀石墨的鑄鐵，并于1949年申請(qǐng)了含Ce球墨鑄鐵的專(zhuān)利。同時(shí)，美國(guó)國(guó)際鎳公司發(fā)明了在鐵液中加入Mg制取球墨鑄鐵的工藝并取得專(zhuān)利，使球墨鑄鐵在1948年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

我國(guó)也是最早制造出球墨鑄鐵的國(guó)家之一，1949年我國(guó)清華大學(xué)教授王遵明在國(guó)內(nèi)用Mg成功制成了球墨鑄鐵。1965年無(wú)錫柴油機(jī)研制的沖入法取得成功并迅速在全國(guó)范圍內(nèi)推廣。

由于球墨鑄鐵成本低廉，綜合力學(xué)性能優(yōu)異，接近于鋼，在我國(guó)，通過(guò)科研和應(yīng)用人員幾十年的研究，球墨鑄鐵已成功地用于鑄造一些受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、耐磨性要求較高的零件。球墨鑄鐵已迅速發(fā)展為僅次于灰鑄鐵且應(yīng)用十分廣泛的鑄鐵材料。球墨鑄鐵工業(yè)化生產(chǎn)60多年來(lái)性能不斷提高，同時(shí)其制作工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，產(chǎn)量不斷提升。

目前中國(guó)是世界上球墨鑄鐵產(chǎn)量最大的國(guó)家，2015年我國(guó)鑄件產(chǎn)量4 560萬(wàn)噸，其中球墨鑄鐵件1 295萬(wàn)噸，占比28.4%，球墨鑄鐵的性能和質(zhì)量水平逐年提高。2009年我國(guó)對(duì)1988年版的球墨鑄鐵件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，發(fā)布了GB/T 1348-2009《球墨鑄鐵件》、GB/T 9441-2009《球墨鑄鐵金相檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)鑄造協(xié)會(huì)也于2015年發(fā)布了ZXB/T 0102.01-2015《固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵件》標(biāo)準(zhǔn)。球墨鑄鐵件已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，特別是球墨鑄鐵管，汽車(chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等廣泛采用球墨鑄鐵。隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)大斷面（壁厚＞100mm）的球墨鑄鐵件也增長(zhǎng)較快，在大型機(jī)床件、大型注塑機(jī)模板、船用件、燃?xì)廨啓C(jī)鑄件、風(fēng)電鑄件等都廣泛采用球墨鑄鐵。

球墨鑄鐵在鑄件中的比例在很大程度上代表了一個(gè)國(guó)家的鑄造技術(shù)和生產(chǎn)水平。從表1可以看出，盡管我國(guó)球墨鑄鐵件的產(chǎn)量和應(yīng)用范圍增長(zhǎng)較快，但球墨鑄鐵在鑄件中的比例仍低于英美等發(fā)達(dá)國(guó)家，還有很大的發(fā)展空間。由于球墨鑄鐵的成本低廉，綜合性能優(yōu)異，產(chǎn)量和其在鑄件總產(chǎn)量中所占比例逐年增高。由表2可以看出，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)球墨鑄鐵占鑄件總產(chǎn)量比例已經(jīng)達(dá)到世界平均水平。

2 球墨鑄鐵的類(lèi)型、特點(diǎn)

由于基體組織的差異，球墨鑄鐵常被分為鐵素體球墨鑄鐵、珠光體球墨鑄鐵、鐵素體-珠光體混合基體球墨鑄鐵。鐵素體球墨鑄鐵產(chǎn)量約占球墨鑄鐵件總產(chǎn)量的60%，在目前風(fēng)電和水泥設(shè)備的球墨鑄鐵件中，多數(shù)采用鐵素體球墨鑄鐵。鐵素體球墨鑄鐵按照生產(chǎn)工藝可分為熱處理態(tài)鐵素體球墨鑄鐵、鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵、熱硅固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵。

熱處理球墨鑄鐵是通過(guò)對(duì)材料加熱溫度及速率、保溫時(shí)間、冷卻速率等條件加以控制，以便達(dá)到預(yù)期組織及性能的金屬材料處理方法。實(shí)際生產(chǎn)中的熱處理工藝包含退火、正火、淬火等工序。在熱處理態(tài)鐵素體球墨鑄鐵中最具代表性的是風(fēng)電用低溫高韌性球墨鑄鐵。

表1 2008年各國(guó)球墨鑄鐵與鑄鋼、灰鐵以及全部鑄鐵的比例[1]

表2 2008～2013年我國(guó)球墨鑄鐵產(chǎn)量、鑄件總產(chǎn)量、球墨鑄鐵占比統(tǒng)計(jì)[2]

鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵因無(wú)需熱處理，既能簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝、縮短生產(chǎn)周期，又能避免熱處理引起的鑄件氧化及變形，可提高成品率和生產(chǎn)率，為企業(yè)節(jié)省人工及設(shè)備成本。采用鑄態(tài)球墨鑄鐵代替低溫退火球墨鑄鐵，生產(chǎn)每噸鑄件可節(jié)電300～400kWh，鑄件的成品率可提高10%，鑄件抗拉強(qiáng)度及耐疲勞性能分別可提高16%及76%。

硅固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵是利用硅元素的石墨化、鐵素體化及固溶強(qiáng)化作用生產(chǎn)的一種鑄態(tài)全鐵素體球墨鑄鐵。與傳統(tǒng)的混合基體球墨鑄鐵相比，硅固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵擁有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）硅固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵綜合力學(xué)性能較好，屈強(qiáng)比高，疲勞性能稍?xún)?yōu)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可減小鑄件壁厚，減輕鑄件質(zhì)量。

（2）基體組織為單一鐵素體，鑄件的硬度波動(dòng)范圍較窄，切削加工性能好，刀具使用壽命長(zhǎng)，機(jī)械加工成本較低。

（3）可大量使用含有珠光體穩(wěn)定元素和碳化物形成元素的廢鋼作為合成鑄鐵的原料，從而降低生產(chǎn)成本。

因此，對(duì)于抗拉強(qiáng)度500MPa級(jí)別的球墨鑄鐵而言，硅固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵的伸長(zhǎng)率是常規(guī)混合基體球墨鑄鐵的2倍，屈強(qiáng)比也由0.6增加至0.8，沖擊韌性與混合基體球墨鑄鐵大致相同，疲勞性能較混合基體球墨鑄鐵優(yōu)異。

3 球墨鑄鐵在水泥裝備上的應(yīng)用

自2000年以來(lái)，水泥產(chǎn)能擴(kuò)張的強(qiáng)勁需求帶動(dòng)中國(guó)水泥裝備行業(yè)規(guī)模的快速擴(kuò)張，2014年水泥專(zhuān)用裝備產(chǎn)量達(dá)到94.6萬(wàn)噸。目前國(guó)內(nèi)水泥裝備行業(yè)在加工能力方面整體上已經(jīng)適應(yīng)了水泥裝備大型化的需要，具備了大型水泥生產(chǎn)線(xiàn)成套設(shè)備的生產(chǎn)制造能力，但在裝備設(shè)計(jì)及加工制造水平上與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一些差距。單就鑄件而言，水泥主機(jī)裝備中鑄件占整機(jī)設(shè)備重量的20%～30%，但水泥裝備中鑄件絕大部分是鑄鋼件，幾乎很少采用球墨鑄鐵件，這一方面是由于目前的水泥裝備均為上世紀(jì)設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)我國(guó)的球墨鑄鐵件特別是大斷面球墨鑄鐵件的制造還比較少；另一方面，在本世紀(jì)前十年水泥裝備的大發(fā)展時(shí)期，由于水泥裝備需求旺盛，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)未能及時(shí)更新，同時(shí)，未能與國(guó)內(nèi)鑄造業(yè)的發(fā)展同步。

隨著近年來(lái)裝備“走出去”戰(zhàn)略的發(fā)展，在與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的對(duì)標(biāo)中我們發(fā)現(xiàn)，國(guó)外同類(lèi)水泥設(shè)備（如輥磨的磨盤(pán)、搖臂、輪轂，回轉(zhuǎn)窯的輪帶、托輪等鑄件）已經(jīng)大部分采用球墨鑄鐵件，甚至在一些耐磨產(chǎn)品中，如輥磨的輥套，其基體材料也采用了球墨鑄鐵件。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在生產(chǎn)大斷面球墨鑄鐵方面具有較高的水平，1991年國(guó)外已生產(chǎn)出195t的水泥輥磨磨盤(pán)。德國(guó)siempelkamp公司1983年生產(chǎn)了最大壁厚630mm、重量160t的沖壓機(jī)支架。我國(guó)大斷面球墨鑄鐵的研究起步于20世紀(jì)70年代，但是由于我國(guó)鑄造業(yè)整體水平不高，鑄造超大斷面球墨鑄鐵件一直很困難，直到本世紀(jì)初，超大斷面球墨鑄鐵的制造才有了突破。

在水泥主機(jī)設(shè)備中，除了結(jié)構(gòu)件外，鑄件占有很大的比重。比如在輥磨的鑄件中，主要集中在磨盤(pán)、搖臂及磨輥中，分別占總鑄件的比例約為60%、25%、15%。一些國(guó)外輥磨制造企業(yè)（F.L.smidth，Loesche等）不僅在磨盤(pán)鑄造中使用球墨鑄鐵，而且在磨輥輪轂、搖臂等重要鑄件中也用球墨鑄鐵代替鑄鋼，在實(shí)際應(yīng)用中取得非常理想的效果。

4 球墨鑄鐵鑄件和鑄鋼鑄件的區(qū)別

我們就分別采用球墨鑄鐵和鑄鋼工藝鑄造的輥磨磨盤(pán)作一比較，以說(shuō)明其區(qū)別。

磨盤(pán)是輥磨的重要部件，不僅電機(jī)的扭矩由磨盤(pán)來(lái)傳遞，而且磨輥加壓產(chǎn)生的粉磨力也通過(guò)磨盤(pán)傳遞到基礎(chǔ)，因此磨盤(pán)鑄造的質(zhì)量對(duì)于整臺(tái)輥磨具有至關(guān)重要的作用。國(guó)內(nèi)多數(shù)輥磨制造廠(chǎng)家磨盤(pán)材料采用的是鑄鋼件。

4.1 輥磨磨盤(pán)采用鑄鋼ZG 270-500鑄造工藝

某公司φ3.2m磨盤(pán)盤(pán)體材質(zhì)為ZG 270-500，最大外徑尺寸3 520mm，最大高度1 820mm，最大熱節(jié)355mm，單件重量37t，澆注鋼液65t，澆注鋼液是成品重量的1.75倍。要求盤(pán)體上下表面超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)滿(mǎn)足GB 7233中的Ⅲ級(jí)要求；磨盤(pán)R區(qū)要求磁粉探傷達(dá)到GB 9444的Ⅲ級(jí)。澆注溫度1 540～1 560℃。鑄造后需要進(jìn)行正火處理。

ZG270-500鑄鋼鑄造收縮率一般為2%。該鑄件上平面加工余量一般留23mm，下平面和側(cè)面加工余量18mm，鑄件截面最大處分型，手工樹(shù)脂砂組芯造型，一箱一型。該鑄鋼件凝固方式為順序凝固，在熱節(jié)處容易出現(xiàn)縮孔、縮松的缺陷。按模數(shù)法設(shè)計(jì)出磨盤(pán)大平面冒口尺寸,冒口尺寸為φ 800mm×1 200mm，發(fā)熱冒口共4個(gè)，中間腰帶和小平面熱節(jié)位置擺滿(mǎn)外冷鐵，鑄件工藝出品率66.5%，如圖1所示。

生產(chǎn)中，外模和砂芯均采用堿性酚醛樹(shù)脂砂，手工組芯造型，刷涂醇基鋯英粉涂料，合箱后熱風(fēng)機(jī)烘干；按照熔煉工藝煉制合格鋼液65 000kg，用精煉鋼包澆注；澆注成功的鑄件落砂后，經(jīng)正火+回火熱處理后粗加工。該鑄件最終強(qiáng)度檢驗(yàn)，屈服強(qiáng)度300MPa，抗拉強(qiáng)度542MPa，屈強(qiáng)比0.55。

4.2 輥磨磨盤(pán)采用球墨鑄鐵鑄造工藝

某公司φ3.4m磨盤(pán)盤(pán)體材質(zhì)采用QT400-18A球墨鑄鐵，磨盤(pán)鑄件凈重28t，鐵水37t，澆注溫度1 310～1 330℃，澆注鋼液是成品重量的1.32倍。采用底注式澆注，利用冷鐵加快熱節(jié)部位的收縮。由于石墨球析出和生長(zhǎng)過(guò)程中的石墨化膨脹抵消一部分收縮，球墨鑄鐵的收縮率較小，僅為0.7%～1%。但也正是因?yàn)槭蛎泴?dǎo)致向鑄型傳遞的膨脹壓力較大，若鑄型剛度低，石墨化膨脹時(shí)將造成型壁外移，增大縮松傾向。若要獲得滿(mǎn)意的球墨鑄鐵鑄件，首先需要保證鐵水質(zhì)量和鑄型剛度。鑄件上平面加工余量15mm，其他10mm，毛坯面4～5mm，具體工藝如圖2所示，成品檢驗(yàn)具體金相組織見(jiàn)圖3。

生產(chǎn)中，在嚴(yán)格執(zhí)行工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，只需要注意冷鐵的擺放和砂型強(qiáng)度即可獲得滿(mǎn)意的鑄件。該鑄件最終檢驗(yàn)屈服強(qiáng)度270MPa，抗拉強(qiáng)度395MPa，屈強(qiáng)比0.68。

通過(guò)對(duì)比分析（表3）鑄鋼和球墨鑄鐵的鑄造工藝我們可以看出：

（1）球墨鑄鐵密度低，屈強(qiáng)比高，有助于鑄件減重。

表3 鑄鋼和球墨鑄鐵的鑄造工藝對(duì)比分析

圖1 鑄鋼磨盤(pán)鑄造工藝

圖2 鑄鐵磨盤(pán)鑄造工藝圖

圖3 球墨鑄鐵金相組織照片

圖4 鑄鋼件熱處理工藝

（2）球墨鑄鐵收縮傾向小不需要補(bǔ)縮冒口，可提高工藝出品率。

（3）球墨鑄鐵的鑄造性能好，更易獲得成品鑄件，產(chǎn)品質(zhì)量高，一般都能達(dá)到UT探傷二級(jí)水平。

（4）球墨鑄鐵可通過(guò)型內(nèi)保溫代替熱處理，不需要再進(jìn)行正火處理；澆注鐵水溫度比鑄鋼低200℃左右。因此，球墨鑄鐵綜合能耗低，綠色節(jié)能。

根據(jù)材料[3]顯示，球墨鑄鐵QT400-18在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃時(shí)的比熱容分別為：473J/kg·K、502J/kg·K、523J/kg·K、548J/kg·K、569J/kg·K；鑄鋼ZG230-450的比熱容在100℃、200℃、300℃、400℃、500℃時(shí)分別為：494J/kg·K、510J/kg·K、507J/kg·K、540J/kg·K、557J/kg·K。如果都按照500℃-560J/kg·K比熱容計(jì)算，鑄鋼加熱溫度高1 560-1 330=230℃，鐵水多1.75-1.32=0.43倍，相同體積鑄鋼是球墨鑄鐵重量的1.1倍。不考慮熱損耗，據(jù)此計(jì)算相同規(guī)格的球墨鑄鐵件熔化鐵水消耗的熱能為：

Q=560×1 000×230×1.1×1.43=202 602kJ/t

折合電能為56kWh/t鐵水，則一個(gè)37t重的磨盤(pán)需要多耗電2 072kWh。

鑄鋼磨盤(pán)一般都需要正火+回火處理。如果按照?qǐng)D4進(jìn)行熱處理，比熱容按照557J/kg·K計(jì)算，則鑄鋼熱處理需要消耗的能量為：

正火：Q1=557×1 000×（920-20）=501 300kJ/t

退火：Q2=557×1 000×（580-300）=155 960kJ/t

熱處理總需要能量Q1+Q2=657 260kJ/t，折合電能183kWh/t，一件37t重的磨盤(pán)需要耗能6 71kWh。

因此，一件相同規(guī)格的37t磨盤(pán)采用鑄鋼制造比采用球墨鑄鐵制造多用電8 843kWh。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家在《中國(guó)制造2025》中指出：“制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。沒(méi)有強(qiáng)大的制造業(yè)，就沒(méi)有國(guó)家和民族的強(qiáng)盛。打造具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的制造業(yè)，是我國(guó)提升綜合國(guó)力、保障國(guó)家安全、建設(shè)世界強(qiáng)國(guó)的必由之路”。制造業(yè)的基礎(chǔ)在于材料，作為設(shè)備制造商和供應(yīng)商，必須了解和掌握國(guó)內(nèi)和國(guó)外適用于制造業(yè)的新材料。球墨鑄鐵材料作為鑄件材料已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，用球墨鑄鐵件代替鑄鋼件不但可以大幅降低生產(chǎn)成本，而且易于得到批量?jī)?yōu)質(zhì)的鑄件，且工期穩(wěn)定。球墨鑄鐵件剛度好，不易變形，石墨還具有潤(rùn)滑作用，減磨性好，能延長(zhǎng)磨盤(pán)等鑄件的使用壽命。

[1]盛達(dá).球墨鑄鐵工業(yè)生產(chǎn)60年的發(fā)展[J].現(xiàn)代鑄造，2009，（2）：56-60.

[2]王謙謙.硅固溶強(qiáng)化鐵素體球墨鑄鐵組織及性能研究[D].鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2016.

[3]魯惠民，陳運(yùn)運(yùn)，等.機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995：755-776.■