做任何事情都要有一个目的。那么熔炼的目的是什么？为浇注工序提供合格的铁水（金属液），何谓合格？简单来说有三个参数：化学成分、温度和纯净度。

    一、化学成分

    对于铸铁而言，产品的交付是以性能为主要指标，化学成分只是一个参考指标。这一点技术及炉上人员要心里有数，根据产品结构对成分进行适当的微调是必须的。铸铁的成分主要为常规元素、合金元素、微量元素、杂质元素等。

    1.1常规元素C、Si、Mn、S、P

    1.1.1碳和硅都是强烈促进石墨化的元素，通过调整碳和硅的含量可以控制灰铁的组织和性能。灰铁的碳的质量分数大多在2.6%－3.6%，硅的质量分数在1.2%－3.0%。碳是构成石墨的元素，在一定范围内铁液中碳的质量分数越高，石墨的数量也就越多。硅是促进石墨化的元素。当硅的质量分数在1.0%－2.0%范围内增加时，硅促进石墨化的作用特别强烈。一般以碳当量综合考虑碳的硅的影响。CE=C+1/3（Si+P）碳当量过高，促使灰铁石墨片变粗、数量增多，基体中铁素体量增多，强度和硬度下降。碳当量过低，铸铁易出现麻口或白口组织，会导致灰铁铸造性能降低，铸件断面敏感性增大、内应力增加、强度下降、硬度上升、加工困难。因此，必须使灰铁的碳当量控制在合适的范围内。铸钢的碳当量表征铸钢的可焊接性，应当注意区别。

    1.1.2锰和硫都是阻碍石墨化的元素，但两者共同存在时，会形成高熔点的MnS，不仅无阻碍石墨化的作用，而且可有助于石墨化的非自发晶核。所以，锰能削弱硫的有害作用。此外，锰能促使珠光体形成并细化珠光体，从而提高灰铁的力学性能，灰铁中锰的质量分数一般为0.6%－1.2%。硫在高含量时有阻碍石墨作用，使铸件形成白口组织，同时还使奥氏体枝晶粗化，降低铸铁性能。硫还能使铁液的流动性降低，收缩量增大，使铸铁有较大的热裂倾向。因此，硫作为有害元素应加以控制，一般质量分数控制在0.15%以下（国外在0.1%以下）。但目前认为，为确保孕育效果，灰铁中含硫量并非越低越好，一般质量分数不低于0.05%-0.06%。锰不足的危害远远大于锰过量带来的危害，意思就是说在正常的条件下，锰稍高是没有坏处的。

    Mn=1.7S+0.3  S小于0.2

    Mn=3.3S

    当Mn含量大于1.2%时，锰应视为强化珠光体的合金元素。

    1.1.3磷使铸铁的共晶点左移，其作用程度和硅相似，故计算碳当量时，应计入磷的含量。当磷的质量分数大于0.3%时，会生成硬而脆，且熔点低的磷共晶，常以网状分布在晶界上，使铸铁脆性增加。降低铸铁的力学性能，尤其是降低韧性和致密性。磷量高往往是产生冷裂的原因。但磷共晶能提高铸件的耐磨性，且磷能降低铸铁的熔点和共晶温度，提高铁液的流动性，改善铸造性能。一般灰铸铁，磷的质量分数不应超过0.2%；高强度灰铸铁中磷的质量分数应低于0.06%；有耐磨和高流动性要求的，磷的质量分数可达0.3%-1.5%。气缸套、手榴弹爆破片、艺术铸造件等。

    1.1.4合金元素Cr、Mo、Cu、Ni、Ti、V       

    铬反石墨化作用属中强，共析转变时稳定珠光体；缩小γ区。当Cr20%时，γ区消失，一般用量0.15%-30%，灰铸铁中一般不超过0.5%，会有少量游离碳化物出现，但力学性能有所提高。铬可以提高奥氏体分解温度，稳定珠光体。改善铸铁的耐热性。

    钼，中强碳化物形成元素，在0.6%以下作用比较温和，不需要刻意调整C、Si成分。钼同时是强烈的稳定珠光体元素，细化石墨，提高强度硬度，改善力学性能。钼同时可以提高材质的淬透性，钼犹如催化剂，会增强其他元素产生偏析、生成碳化物的倾向，等温转变过程中生成贝氏体的倾向大，且比较稳定不易分解。

    铜与铁是互不溶解的。稳定并细化珠光体。  小于0.4%作用不明显，当大于1.5时，铜会以单质形态析出分布在晶界，降低力学性能。

    镍与铁是无限固溶的。中等促进石墨化，能力约为Si的1/3，降低奥氏体转变温度，扩大γ区，细化并增加珠光体，强化基体组织，提高力学性能。唯一的缺点就是大幅增加铸件的制造成本。

    钒，强碳化物生成元素。细化石墨，促进珠光体生成。只要基体不出现麻口组织，加钒总会提高力学性能。

    Ti促进D型石墨形成，减少N的危害

    1.1.5微量元素Sn、Sb

    为什么不用Sn、Sb、Bi，Sn、Sb虽无关石墨化却是珠光体强化元素，一般使用量在0.01%左右。这类元素在使用中应注意回用累积的问题。

    1.1.6有害元素Pb、Zn、

    感应电炉的熔炼过程和冲天炉的熔炼过程有很大的区别，在冲天炉中，各种杂质元素被氧化成渣经过流渣操作而带出铁液之外，而电炉的重熔过程因为缺少必要的化学过程，各种微量有害元素的累积作用不得不考虑。

    1.2不仅要考虑各种元素单独的作用，在实际的生产中，各种合金一般是复合使用，很少有单独使用某一元素的情况，更多的时候需要考虑的是各元素在整个体系中的综合作用，不要片面割裂的看待问题，我们中国人的思维非此即彼非黑即白，生产中尤要注意。如钼和磷共存时，易在晶界处形成脆性的磷钼四元化合物；当你的原材料P高，钼的含量是不是该控制在上限，以弥补P的消耗？又如铬的反石墨化能力与等量的硅的石墨化能力相抵消。当你需要添加铬来提高强度硬度的时候，是不是该考虑增加硅含量？

    1.3化学成分调整的原则：

    在满足铸件力学性能的前提下尽可能的提高碳当量。在保持碳当量不变的前提下提高Si/C比值（0.6-0.9），可以获得良好的性能指标.在生产高牌号的灰铸铁件时,国内普遍的做法是降低CE,对铁液进行合金化处理,从而保证铸件力学性能符合要求。材料牌号越高,铁液的CE越低,合金化元素越多,铁液的流动性降低,收缩倾向会更加明显,因此,需要适当提高Si/C的比值,一般将Si/C的比值控制在0.6~0.8。这样可以增强促进石墨化的能力,增加奥氏体枝晶的数量,减少铸件薄壁的白口倾向,改善铸件的力学性能和加工性能。

  二、温度

    2.1熔炼温度

    熔炼温度决定着合金的吸收和化学成分的平衡。应尽量避免高温加料熔化，使铁液处于高温沸腾状态，元素烧损加剧，氧化剧烈，杂质增加。那么如何避免？勤加料捣料，使炉内温度控制在1360以下。使用中频炉的都知道棚料，棚料的主要原因就是人懒，没有责任心。

    感应电炉炉口结瘤很大程度上就是炉温没提起来，也就是低温熔炼。低温熔炼对电气设备，功率因素都有影响。得尽快的纠正转变观念。在整个熔炼过程中,电炉熔炼由于其设备加保热原理的特性,本质上就是将原材料熔化和辅助液材料溶解扩散的过程,没有冲天炉熔炼过程中的系统除渣过程,对于原材料的表面洁净度要求较高,回炉料需要进行抛丸处理。电炉熔炼需要遵从“满炉快速熔化、快速出铁”的原则。在保护电炉炉衬使用寿命的基础上,热炉尽量使用大功率熔化炉料,减少铁液与外界气体接触,防止铁液在熔化过程中被氧化。另外,在熔化过程中需要专人査看熔化情况再分批加料,避免炉料出现“搭棚、结壳”现象。

    铁液的高温静置是生产高碳当量高强度灰铸铁的基础。高温系指铁液熔炼温度要达到1500℃-1550℃。静置指的是高温下静置8min-10min。高温静置的作用如下：

    a.细化石墨，细化基体；

    b.提高抗拉强度，弹性模数略有增加；

    c.铁液氧化程度降低，氧化夹杂显著减少；铁液纯净度提高；因夹渣减少导致流动性增加；

    d.铁液过冷度增加，为孕育才创造了良好的基础；

    灰铸铁的冶金质量显著改善，使成熟度增加，硬化度减少，品质系数增加。

    在高温熔炼时，操作者可看到铁液有的沸腾现象，并有气体逸出，这是铁液在进行“自脱氧”的反应，此时操作者应注意2点：

    ①铁液温度不要超过1550℃，以免造成铸铁的形核能力下降，石墨形态异化，过冷度过大而易出现自由渗碳体，导致强度下降。

    ②静置时间不要超过10min，以免铁液中的氧含量过低（<10ppm），造成孕育效果恶化。这是因为孕育必须具备两个条件，一是加入Si的孕育剂，二是铁液有一定的含氧量，可生成有效的SiO晶核作为有效石墨化孕育剂的必要条件，对灰铸铁而言，铁液中最佳氧的质量分数为（20-30ppm）。

    在电炉熔炼的过程中,使用大量废钢和增碳剂,用于石墨形核的外来核心较少,因此,铁液的过热温度和时间根据材料牌号而定,过热温度不能太高,过热时间不能太长,长时间高温放置的铁液需要加废钢、生铁等原材料调制后使用。

    2.2取样温度

    控制在1410-1430℃，取样过早，加入的合金尚未完全熔化，温度过高，元素烧损加剧，数据出现偏差，影响后期调整。

    2.3扒渣温度

    铸铁熔炼一般是不需要造渣的，那为什么要扒渣出水，而不是钢渣混出？在包中孕育的时候P2O5就会被还原出来----回磷。出铁提温前尽量的扒干净渣子很重要。回磷避免不了的，或多或少都会有。现在中频冶炼的多，采用的返回料多，上面有大量的油污，导致含P量越来越高，也没有好的办法解决。另一方面，无论球化处理或孕育处理，熔渣都会额外消耗球化剂和孕育剂。

    2.4出炉温度

    一般是经验数据根据实际的生产流程，保证孕育，球化等操作过程的温降，一般控制在1500℃以上，现在很多的人呼吁提高出炉温度，这是建立在大量的实践数据上的出来的结论，也是很有科学依据的。温度高有利于浮渣排气，冶金质量高，在一定范围内提高铁液的过热温度，延长高温静置的时间，会导致铸件石墨形态及基体组织细化，提高铸铁强度。SiO2+2C=Si+2CO 氧以CO形式逸出，铁液沸腾，沸腾温度大约1475度，此时逸出的气体可使浮渣上浮，铁液中的溶解氧下降，提高铁液纯净度。短流程作业，温降不大，铁液没有足够的静置时间，需要通过孕育剂的粒度等措施来配合，

    如果铁液在感应电炉中保温时间过长又处于高温状态，微细的晶态石墨和外来晶核核心都逐渐溶于铁液，石墨化的核心大幅度的减少，这样的铁液过冷度很大，对孕育的回应能力也差，不可能通过孕育处理使铸铁具有符合要求的微观组织，即使化学成分合适也不能用于生产。俗称死铁水。有关这方面的资料，可以查阅公众号历史消息《关于铁水长时间保温的思考》。

    2.5浇注温度

    一个大概的原则：在保证充型的前提下，浇注温度越低越好。浇注温度每提高100度，铁液的收缩倾向增加1.6-1.8%，浇注温度越高，铁液的液态收缩越大，铸件产生缩孔缩松的倾向也越大。但同时浇注温度低是造成铸件产生白口最显著也是最常见的原因。浇温低，流动性充型能力差，这是应该避免的。同时，实型铸造与传统铸造有很大的区别，需要额外的热量来气化泡沫塑料。有关这方面的资料，可以查阅公众号历史消息《浇注温度的选择》。

    三、洁净度

    冶炼过程很重要，铁水要纯净夹杂少才能有更好的流动性。

    3.1夹渣

    首先得明白一个观点，铁水不是化合物而是混合物，在高温铁水中存在大量未溶未熔的粒子，包括石墨微晶、碳化物颗粒等。有关夹渣的详细资料，可在公众号输入关键词进行搜索。

3.2 O、N、H（可以放在第一小节一起讨论，）

    O：铁液中的溶解氧既可以阻碍石墨化又可以促进石墨化，未化合的氧阻碍石墨化，使铁液的白口倾向加大，但在孕育处理的时候，与Si生成SiO2微粒，增加石墨结晶的外来晶核。铁液氧含量增加，断面敏感性增大。增加孕育剂、变质剂的消耗。含氧量提高，铸件易产生气孔。C+FeO=CO，在铸件凝固降温时，CO有可能留在铸件内形成皮下气孔，这种气孔一般呈簇状，位于铸件顶部。来源：生锈严重的炉料，长时间高温保温，

    N：阻碍石墨化，增加碳化物的稳定性，促进D型石墨的生成，提高硬度，恶化加工性能。在一定含量（小于100ppm），可以增加珠光体量并使之稳定，促进蠕虫状石墨生成，提高灰铸铁的强度，与钛锆等固氮元素生成稳定的氮化物，氮气孔为裂隙状来源：增碳剂、呋喃树脂、废钢。可以采用加入钛锆等合金减低氮的危害。

    H：强烈稳定碳化物和阻碍石墨化，反白口及氢气孔。氢气孔产生在铸件上表皮下1-3mm处，加工后发现孔内光亮，外形圆整或扁圆，且有一层发光的连续石墨膜。来源：潮湿的炉料，有机物（油脂、塑料），砂型中的水分，雨天作业等。O、N、H的预防及控制主要是操作人员的责任心和细节管理的到位。

    四、配料

    4.1废钢

    使用大量废钢充分浸润并配合适当孕育处理的灰铸铁石墨尺寸缩短1-2级，凹钝头石墨增多并且A型分布，基体珠光体量多，共晶团小1-2级，抗拉强度提高，白口倾向及壁厚敏感性显著降低，综合性能较高。传统观念认为废钢多会增大铁液的收缩倾向，而不愿意多使用废钢，喜欢多加生铁在生产上是不合适的。

    4.2生铁

    生铁的组织遗传性。生铁中含有大量的粗大的过共晶石墨，这种粗大的石墨在低温熔炼的情况下是很难消除的，使得凝固过程中的石墨化膨胀作用减弱，铸件的收缩倾向加大，而且粗大石墨会使铸件性能下降。因此在电炉生产高强度铸铁时，大量使用生铁是不合适的也不经济。有关组织遗传性的详细资料，可以查阅公众号历史消息《金属液及其遗传性》。

    4.3增碳剂

    合成铸铁生产工艺必须要使用高质量的增碳剂，即经过高温石墨化处理的晶体石墨增碳剂。增碳剂的增碳是通过碳在铁液中的溶解和扩散进行的。（注意是溶解而非熔解）使用增碳剂配料，碳量取上限，尽可能的后期降碳而不增碳，因为后期增碳是非常困难的。

    4.31碳化硅：加入熔炉内的碳化硅转化成铸铁的碳和硅，一是提高碳当量；二是加强了铁液的还原性，大大减轻锈蚀炉料的不利作用。加入碳化硅可以防止碳化物析出，增加铁素体量，使铸铁组织致密，显著提高加工性能并使切削面光洁。增加球墨铸铁单位面积石墨球数，提高球化率。对于减少非金属夹杂物和熔渣，消除缩松，消除皮下气孔也有良好的作用。碳化硅可以促进A型石墨的形成，改善冶金质量碳化硅的加入量，通常只要加入铁液量的0.8%-1.0%就可以了。碳化硅的加入方法是：电炉熔炼铁液，在坩埚熔融1/3炉料时，加入到坩埚中部，尽量不要接触炉壁，然后继续加入炉料熔炼。对于灰铸铁，以SiC含量为85%～90%的冶金碳化硅效果最好；对于球墨铸铁则以SiC含量为97%～98%的结晶碳化硅效果最好。

    为进一步提高电炉熔炼的铁液质量和稳定性,通常在熔化过程中加入SiC进行预处理可以改善石墨结晶析出的生核条件,提高铸铁的共晶转变温度,降低铁液的过冷度,増加共晶团数,有利于生成细小均匀的A型石墨,改善铸件的加工性能。SiC的熔点较高,只能以溶解和扩散的形式进入铁液中,一般是随炉料分批加入、加入量约为金属炉料总量的1%,由于各铸造企业自身的炉况条件和作业方式不同,可以通过试验选取企业具体条件下的最佳用量。

    4.4回炉料。多数情况下回炉料的管理是失控的，很多人想当然的认为回炉料的成分和铁水的成分是相同的。在产品要求不高的情况下，这种情况可以接受。在生产高要求铸铁时，尤其是球墨铸铁时，回炉料的成分及质量对铸件有很大的影响。

    4.5感应电炉熔炼铁液，可以有效地控制铁液温度，精确的调整化学成分，元素烧损少，硫、磷含量低，对于生产球墨铸铁、蠕墨铸铁和高强度灰铸铁非常有利。但是感应电炉熔炼铁液的形核率减少，白口倾向大，易于产生过冷石墨，虽然强度和硬度有所增加，但铸铁的冶金质量并不高。

    4.5.1加料顺序

    根据相关理论，熔炼分成三个阶段：固体炉料-熔化，熔化-达到平衡温度，平衡温度-出钢温度。有数据表明在第一阶段和第三阶段，缓慢升温或者停留时间过长，铁液质量会变差。炉料熔化过程中（从固态炉料到铁液）缓慢升温将导致钢液质量变差；铁液熔化后迅速提温到出钢温度并出水，可以得到性能最好，缺陷最少的铸件，反之熔化后提温速度不快，铁水质量将变差，铸件性能也不好。所以现在所提倡的快熔快出是目前感应电炉最合理的配电制度。

    总而言之,铸造人员必须了解目的、确实作业时机与程序,亦须在最低成本指标下,实行最优化制程,以得到高质量的组织。

    4.5.2合金加入方法

    铬铁的加入既可以在炉内加入，也可以采用包内出水冲入。钼铁的在650℃左右，钼铁会直接升华变成白烟而烧掉。因此钼铁最好是加入在底部，上面用其他材料压住。