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作者简介:
冯胜山, 男，研究员，湖北工业大学机电研究设计院材料研究所所长兼铸造材料厂厂长，湖北省铸造协会副秘书长。主要从事铸造材料及工艺的研究与开发，已发表论文30多篇，获国家发明专利2项，获省级科技进步二、三等奖和技术发明三等奖共4项，被评为“湖北省有突出贡献的中青年专家”。 联系地址: 武汉市武昌石牌岭路118号 联系电话: 027-87862593，13908650085 电子信箱: fss8172@126.com
生产高强度灰铸铁件可采取哪些工艺措施？
近年来，很多单位研究并发展了适应具体生产条件和不同铸件要求（包括薄壁高强度灰铸铁件）的高强度灰铁的生产方法，归纳起来，有以下四种。
1、强化孕育铸铁
炉料中加入较多的废钢，采用优质铸造焦，以得到出炉温度大于1500℃和高碳当量的铁水，用高效孕育剂强化孕育从而得到高强度灰铸铁。过去生产孕育铸铁依靠加入较多废钢，降低碳量来提高强度，但这种方法工艺性能不好，白口倾向大，尤其是对薄壁铸件（最小壁厚3~10mm）。近代高强度孕育铸铁不用这种方法，靠高效孕育剂来强化孕育，提高性能。一般的方法是：碳当量在3.9~4.1%左右，温度1480℃左右，要求铁水氧化少，采用Si-Ca、Cr-Si-Ca、Re-Ca-Ba、Si-Ca、Si-Fe复合、稀土复合等高效孕育剂，进行孕处理。例如某厂5吨冲天炉，利用铸造焦，炉料中加入40%以上废钢，总焦比为7时，铁水温度1520℃~1540℃，炉渣中氧化铁含量低（1.8~3.0%）。经特种孕育剂孕育处理，当碳当量为4.28%时，试棒抗拉强度可达250MPa，相对强度RG=1.28，HB229，珠光体含量大于98%。又如某单位通过提高铁水过热温度，然后采用Re-Ca-Ba孕育剂对铁水进行孕育处理，烧注一批缸盖铸件，当碳当量为3.9~4.05%时，抗拉强度285~304MPa，相对强度RG=1.1~1.21，石墨形态好，加工后水压试验没发现缩松和漏水现象。
2、合成铸铁
所谓合成铸铁工艺，就是用感应电炉熔炼，炉料中用50%以上的废钢，其余为回炉铁和铁屑，经增碳处理得到的铁液。这种方法的优点是：
（1）炉科采用大量废钢，不用生铁，降低了铸铁成本；
（2）可获得含磷量低的铁水，减少磷量对缸体、缸盖等薄壁高强度灰铁缩松和渗漏缺陷的影响；
（3）可避免生铁遗传性影响，铸铁石墨形态好，珠光体含量高，机械性能好，在同样当量时强度可比冲天炉铸铁提高1~2个牌号。
我国某汽车厂利用合成铸铁工艺熔炼高强度灰铸铁生产缸体，效果很好，生产结果表明：
（1）采用合成铸铁熔炼工艺浇注的缸体机械性能高，当碳当量为4.0%时，抗拉强度大于250MPa，比冲天炉熔炼提高一个牌号；
（2）铁水断面敏感性小，缸体不同厚度断面及阶梯试块断面硬度分布均匀； （3）铸铁含磷量低，含杂质少，克服铸件渗漏缺陷； （4）成本低；
（5）熔炼工艺简单易行，容易撑握。 3、低合金化孕育铸铁
调整原铁水的化学成份使其达到较高碳当量，在炉内（或包内）加入少量铬、铜、钼等合金元素，获得高温低合金化铁水，再经孕育处理，得到石墨细小、珠光体含量高、片间距小的组织，从而获得高强度铸铁。用这种方法生产高强度灰铸铁，国外用得较广泛，效果比较稳定，合金元素多是Cu，Cr、Mo、Ni等。其最大优点是可使缸体、缸盖薄壁部分的基体组织得到95%以上珠光体，硬度差小。我国某些单位用0.3~0.7%Cr，瞬时孕育，控制铬/硅比值，解决了缸体、缸盖的生产问题。
4、调整铸铁常规化学成份及比例，获得高强度、低应力灰铸铁
在碳当量保持不变的情况下，适当提高Si/C比值是提高机床铸件强度和刚度重要途经之一。北京机床研究所等单位在这方面作了系统的研究工作，他们认为：通过调整化学成份，特别是改变硅/碳比值，使Si/C在0.5~0.9，再加上适当的孕育和合金化，可以获得具有良好综合性能的高强度灰铸铁件。
有关硅/碳比值的规律是：
（1）在相同碳当量下，Si/C比值高，抗拉强度可提高30~60MPa，相对强度高，相对硬度低，弹性性能好；
（2）在相同碳当量下，Si/C比值增加，残余应力有除低趋势，应力倾向也较小；
（3）提高Si/C比值，白口倾向小，断面敏感性小，而对铁水流动性，线收缩率无影响。 调整锰、硅含量，使含Mn量比含Si量高0.2~1.3%以上，得到另一种高强度低应力铸铁。灰铸铁含Mn在1.5~3.0%范围内，提高含Mn量，尤其是当Mn量大于Si量后，能显著细化共晶团，易于获得D、E型石墨和细珠光体基体。另外，控制灰铸铁中Mn、Si差值和Mn的绝对值，使Mn、Si差值在0~0.5%，Mn大于2%，还可以在灰铸铁中得到不同类型的硬化相。
因此，控制Mn、、Si差值和Mn绝对值，就能获得机械性能高，硬度均匀，耐压致密性好和耐磨性能好的高强度灰铸铁。这种高锰灰铸件在郑州纺织机械厂以及机床、缸套、液压件三个行业部分厂中生产，取得较好的效果。
铸造生产过程中的废弃物循环再利用
随着我国资源与环境压力的日益增大，政府部门已及时地提出了“实现可持续发展，建设资源节约型、环境友好型社会”的要求；提出了“要确保实现十一五规划中确定的能耗降低20％、主要污染物排放总量减少10％”的目标；并决定2007年在全国掀起新一轮“节能减排”的风暴，还提出“节能减排”是我国转变经济增长方式、提高经济效益的突破口。 铸造行业是能源和资源消费密集型行业，生产铸件要耗用大量的能源和多种原辅材料，同时在铸造生产过程中又会产生大量的废弃物。而当今废弃物的资源化被人们称为“二次物料的工业革命”，铸造厂三废(废砂、废渣尘、废气)的再生及再利用已成为各国铸造工作者和环保专家关注的焦点。
我国的铸件产量已经连续六年位居世界首位，我国的铸造企业已超过26 000多家，普遍规模较小，而且技术、设备和管理又相对落后，因此我国铸造企业的总废弃物排放量是世界最大，其环境污染与公害也是世界最大。 1 铸造是多种原材料熔炼后的复杂生产流程
铸造是一种采用多种原辅材料并经过冶金熔炼的极其复杂的生产工艺流程。铸铁件铸造至少可以分为：炉后备料、熔炼、球化孕育处理、砂处理、制芯、造型、浇注、落砂、清理、热处理及生产过程与铸件成品的检验等11个结构部分，其采用的原辅材料(包括金属与非金属)至少已有上百种。以一个完整的汽车铸铁件铸造生产过程为例，经统计“工序表”，它必经的生产工序就已多达70多道。铸造已是一门多学科、多专业交叉的复杂高科技行业。而现代铸造专业所涉及的学科也至少包括冶金熔炼、造型工艺、铸造设备、金属加工与焊补、材料力学、流体力学、模具设计、高分子技术、金相热处理、理化检测、无损探伤、计算机模拟分析、在线检测及自动化控制等专业及其技术，属边缘性的复杂学科。铸造生产在经过极其复杂而多样的工艺流程之后，所产生的废弃物是可观和复杂的。 2 铸造企业是资源能耗很大的生产组织
我国当前铸造行业最大的问题就是产品质量低、经济效益差、材料消耗高、环境公害大。我国铸造行业是国民经济耗能较多的行业之一，占机械工业总耗能的25％-30％。据统计，国家以每万元的GDP能耗作为指标，整个机械制造部门的万元GDP能耗为
0．18吨标准煤／万元，而铸造业约为0．80吨标准煤／万元，是整个机械制造业能耗水平的4．4倍，因此我国铸造业当然是机械制造业的降耗主要对象。 铸造行业既是耗能大户，也是污染大户。我国每生产1t合格铸件大约要排放粉尘50kg；废气1 000-2 000m3；废砂1．3～1．5 t；废渣300kg。因此，整个铸造行业每年排放的污染物总量约为：粉尘达1 000万t；废气为200-400亿m3；废砂为2 000—3 000万t；废渣为600万t。
仅2004全年我国铸造行业的“资源消耗”就达：焦碳总量300万t；生铁总量1 000万t；消耗新砂l 000万t；各种粘结剂消耗30-40万t；而对“废弃物的排放”统计数字则为：全年因金属熔炼、铸件热处理炉的加热等共排放S02达2．2万t，C02达438万t，CO达35万t，且排放的粉尘总计90万t，而废砂则总计为1 800—2 250万t。
以上数据足以说明我国铸造企业的资源和能源消耗是十分惊人的。铸造企业确实是资源和能源消耗很大的生产组织，然而发达国家每生产1 t合格铸件的“三废”排放量则不到我国的十分之一，可见我国在这方面的差距之大。 3 铸造企业承担着多种社会责任
任何一个企业都要承担一定的社会责任，对铸造企业来说，社会责任则更大，归纳起来主要有：
(1)产品质量责任 铸造企业生产的铸件首先要满足用户的需求，铸件的质量要包括其材料质量、内部健全性、外观(表面)质量和各种使用质量，要符合各项技术标准及其相关参数指标的要求。对汽车铸件来说，还有安全可靠和耐用寿命的要求。
(2)经济效益责任 铸造企业不但要对本企业的经营成本及经济效益负责，还应对用户负责，也要对国家和社会负责。由于多数企业管理粗放且经营不善，技术又相对落后，不但成本居高不下，而且废品率也很高。粗略估算，我国铸造业每年仅废品率一项的经济损失就达十几个亿。
(3)环境保护责任 多年来，我国铸造企业产生的大量废砂、废渣，有的排放到田间、地头、枯井、河边，不仅占用了大量的土地，也因废渣中含有硫、磷、汞等有害元素，致使周围居民不能饮用地下水；大量有害的毒气和烟尘在厂内外到处飞扬，造成了严重的大气污染。这些已经引起了全社会和国家的关注，也是铸造企业应该承担的责任。
(4)员工健康责任 由于铸造企业员工的工作环境差、温度高、噪音大、粉尘和毒气对工作环境污染严重，很容易引起尘肺病等各种职业病。因此，铸造企业必须要考虑不断地改善员工的作业环境，十分重视工厂的尘毒治理，加强各种防护措施，配齐劳动保护用品，作好防暑降温，定期检测环保是否达标并进行员工(女铸工为重点)的身体检查。对企业员工的身体健康负责是铸造企业不可推卸的社会责任。 4 铁合金铸件铸造生产过程中产生的废弃物
由于占我国铸件产量的70％是铁合金铸件，笔者在此就以铁合金铸件生产为例分析铸造生产过程主要废弃物的来源。
铁合金铸件生产过程产生的主要废弃物是废砂、废渣尘、废气，就是常说的“铸造三废”；也可以说成“四废”，即废砂、废渣、粉尘和废气。 4．1 废砂
废砂是铸造行业所产生废弃物的大头。我国年产铸件2 400万t以上，循环用砂量高达2000万t，以废弃10％计，每年要废弃的旧砂就至少达200万吨，而铸造用的砂又都是优质的石英砂，如果全部变成垃圾处理，既是极大的资源浪费，又严重污染了生存环境；而且环保法规的限制越来越严厉，其排放费用也将会越来越昂贵。 4．2 废渣
废渣是冲天炉熔化过程中的必然产物，据统计，每生产1 t合格铸件，就要排出废渣约300kg，全国铸造业每年共计产出废渣约达600万to一汽铸造有限公司铸造一厂年产约15万t，每年产生废渣大约2万to 4．3 粉尘
铸造粉尘主要来自二个方面，其一冲天炉熔炼过程中排出的烟气粉尘，它包括冶金烟尘、碳素烟尘和灰尘三种粉尘；其二来自砂处理系统、铸件落砂以及铸件清理过程中的铁砂粉尘。长期以来，我国对冲天炉烟气粉尘的要求指标并不高，仅为200mg／m3，这是欧洲现行标准的10倍，比印度还高50mg。我国铸造业每年排放的总粉尘量约为1 000万t，这也是个巨大的数字。 4．4 废气
铸造废气中含有大量的有害与有毒气体，它几乎来自铸造生产的各个过程，其中主要有：冲天炉熔炼过程中产生的烟气气体、铸件浇注后产生的烟气以及采用有机粘结剂制芯与造型过程产生的气体等等。据统计，我国铸造业目前的废气排放量已达到200-400亿m3之巨。
5 铸造企业新建或技改时,必须统筹废弃物的综合再利用工作
环境与资源已是当今世界的两个重大问题，如何保护生态环境和最大限度地节约资源已成为目前各国铸造工作者迫切追求的目标，为此，我国的铸造企业在新建或进行技术改造
时也应该同时统筹废弃物的综合再利用工作。此项工作应从以下几个方面着手：
(1)在设计改造方案时，要首先考虑增加对于环境保护的投入，建议应占总投资额的15％以上。
(2)采用机械化、自动化、封闭化的先进铸造设备来实现环境保护的目标。 (3)采用清洁的生产工艺改善作业环境。
(4)参照国外铸造企业废弃物的处理方法(表1)，开发铸造废弃物的资源化处理新技术。 (5)坚持循环经济的减量化原则、再利用原则、再循环原则，即3R行为准则。 (6)大胆实践，敢于开拓，坚持走自主创新之路。
表1 国外铸造厂废弃物的处理方法 名 称 处理方法
废砂 再生、建筑材料、复合材料、深埋 废水 沉淀、再生
熔铁炉渣 筑路材料、惰性物可进行地埋
炉子及浇包中废弃的炉衬 作为水泥厂及制砖厂的二次原料
冲天炉中收集的粉尘 具有高浓度的重金属，与水泥浆固结后深埋
震动落砂工段及浇 注线上收集的粉尘 作为水泥厂和制砖厂的二次原料
呋喃砂造型工部收集的粉尘 作为水泥厂和制砂厂的二次原料，也可热回收，惰性物地埋处理
从热回收装置中收集的粉尘 作为水泥厂和制砂厂的二次原材料 在清整时收集的粉尘 在熔化炉中再循环 在胺洗塔中产生的废溶解物 胺和酸再循环 6 铸造废弃物综合再利用项目
一汽铸造有限公司的几个专业铸造厂都是上世纪50年代的老厂，虽然已采用了国内外一些先进的造型、制芯、砂处理、熔炼和清理设备，但还是因为受到许多因素的限制，环境污染与作业环境并没有得到根本解决。这几年来，集团公司又投入资金进行了环境改造和废弃物的再利用项目。
6．1 旧砂脱脂后的再生利用
我公司在2005年1月成功建成了铸造废砂再生生产线。该线的处理对象是需排放的废型砂，它采用热法再生原理，即通过燃油加热使砂温达到700cC以上，将型砂中的有机物烧去；同时，对砂粒进行机械打磨，去除砂粒表面的粘土烧结膜。该法再生的砂子可用作芯砂的原砂。
该线投产以来各项技术指标均优于预期目标，每年可处理6 000t铸造废砂。该线所生产的再生砂目前主要用于壳芯，已成功大批量生产了卡车柴油机缸体等多种铸件。 6．2 造型后的废砂和熔炼后的水渣综合再利用
由于再生砂用量小，无法从根本上解决我公司每年近10万t的废砂排放量，我们进行了一种新的探索，即采用废砂压制各种形状步道砖。
废砂所制步道砖是利用铸造型砂、熔炼水渣加水泥和粘结剂等材料，经适当处理并施加高压免烧制成，重量比70％以上都是铸造废弃物。我们曾先后进行了100多个配方10多种材料的成型试验，通过调整粒度和各组分的加入量、添加特种添加剂，并通过严格的检测和数据分析，优选出了较理想的配方，有效保证了该砖的各项力学性能。经长春市建筑材料检测中心检测后，认定了该砖达到了国标路面砖的各项力学指标；特别是该砖的透水性很好，而且强度高又耐寒耐压，解决了生活区道路改造用砖的需要。此砖大量生产，可为企业带来