如今合成铸铁已非新鲜事物。在中频电炉中，大量使用废钢、钢铁屑、机杂铁、回炉料和增碳剂等低值炉料，通过电炉熔炼，再配合直读光谱仪在线检测技术来确定其化学成分，从而生产合成铸铁。这一铸铁生产方法对铸造企业而言是个不错的选择。并且，由于废钢、钢铁屑等被大量使用，铸造生产成本相应降低，新生铁等原材料价格一路疯涨的势头得以有效遏制，企业的生存压力也得到了极大缓解。
本文结合本企业近几年来的生产实践，来谈谈利用中频电炉合成高强度球墨铸铁方法的认识。
一、生产合成铸铁的主要原材料概况
废钢指的是废旧的钢铁结构件以及边角余料等。像 A3、45#、40Cr 这类普通材料，其含 CW≤1%、SiW≤1%、MnW≤1%，且硫、磷含量低。对于废旧的压力容器，需进行解体处理；薄小的废钢料则要进行打包。零散的废钢或者打包成块的废钢，能够直接加入到熔炉内，既不能卡炉影响布料，也不能残存汽、液体而引发爆炸。最好是废钢不要生锈，能够清除油污，国外介绍中甚至要求清除掉油漆和镀层。它可以在炉料中占比到50%以上，做到少用甚至不用新生铁。
在机加工时，钢铁件加工会去掉钢铁屑。其中，钢屑的化学成分和废钢一样。铁屑的化学成分因铸铁材质（普通灰铸铁或球墨铸铁）而有所差异，其主要化学成分在 CW2.5～4.0%之间，SiW1.5～3.5%之间，MnW0.3～2.0%之间。钢铁屑比较碎小零散，需要装袋或做成屑饼，这样便于司炉且能节省能源，同时也要清除油污和切削液，最好不要生锈。如果是散装料，会在熔炉内占据较大空间，一炉铁水需要多次在不同状态、不同温度下加料，特别是在炉料已融化、铁水已生成时再加入铁屑料，极易氧化发渣，影响熔炼过程正常进行。而即使是氧化严重的铁屑，在熔炉内没有铁水出现的早期加入，也能正常熔炼。一般情况下，铸件的切削余量（即铁屑量）占比大约不过 20%左右。
机杂铁包括拆卸的报废机器设备的钢铁零部件、机身、底座等。这些机杂铁的化学成分相对复杂，可能含有少量合金元素或非金属杂质。一般情况下，可以先清除其中的铝、锌、铅、锡等轻质低熔点金属和铜等有色金属，以及油污坭等杂质，然后再使用。在生产时，根据产品的要求，机杂铁的用量可以控制到 20%左右。而在生产球墨铸铁时，应尽量少用或不用机杂铁。
回炉料指的是在铸造生产过程中产生的浇冒系统、飞边、毛刺、铁豆、锅巴铁以及废品等。其化学成分便于掌握，不过需要先除掉表面的粘砂，并且除锈之后才能使用。它在整个铸造用料中的占比大概在 15%到 20%之间。
在合成铸铁的生产中，增碳剂起着比较关键的作用。熔炼过程中，因为废钢量加大，铁水含碳低，所以必须采用特殊手段进行增碳，从而用到了增碳剂。增碳剂无论是其材料本身，还是其使用方法，都对生产合成铸铁起到至关重要的作用。
5.1增碳剂中碳的存在形态
本人使用过的增碳剂包含柴炭粉、焦炭粉、煤粉、石墨电极粉、煤焦油、煅烧石油焦、天然石墨压粒等。然而，不论哪一种增碳剂，实际上起作用的仅仅是增碳剂中的石墨碳。
自然界中碳存在的普遍形式如表1
不定型碳
定型碳
焦炭、煤、石油焦
金刚石
石墨
比重（g/cm³）
1.98
3.51
2.3
熔点（℃）
3527~3547
沸点（℃）
4830
表1：碳在自然界中存在的普遍形式
增碳剂按照其中碳的晶体结构来划分，可分为晶体态的，也就是石墨增碳剂；还有非晶体态的，即非石墨增碳剂。
石墨增碳剂主要包含以下几种：石墨电极；石墨电极的边角料以及碎屑；天然石墨压粒等。另外，碳化硅（SiC）由于具有和石墨相似的六方结构，可将其视为具有特殊形态的石墨增碳剂。非石墨增碳剂主要有沥青焦、煅烧石油焦、焦炭粉、煅烧无烟煤、柴炭等。在生产上，建议使用晶体态的石墨增碳剂。
5.2增碳剂的粒度
增碳剂中的石墨熔点极高，为 3527℃。在铁水中，石墨是不可能熔化的。只有当增碳剂被铁水完全浸润后，石墨才能通过熔解和扩散进入铁水。在增碳剂与铁水的界面处，过饱和的碳会以石墨的形式析出并熔入铁水，从而在铁水中形成碳原子集团和碳分子团。随着时间的推移，石墨碳会不断地在铁水中溶解和扩散，形成增碳机制。所以，铁水的增碳过程就是增碳剂在铁水中不断溶解和扩散的过程，当然也包括其氧化烧损的过程。由于增碳剂的粒度大小不同，其溶解扩散和氧化烧损的速度也会不同。通常来讲，增碳剂的颗粒如果大，那么溶解速度就会慢，而烧损速度则小；要是颗粒小，溶解速度就快，烧损速度就大；因此，选择增碳剂的粒度需要依据熔炼炉的大小以及容量来决定。
电炉容量（吨）
≤1
1～3
3～10
增碳剂粒（㎜）
0.5～2.5
2.5～5
5.0～20
有人推荐如下选择范围②：表2
5.3影响增碳剂使用效果的几个因素
5.3.1增碳剂本身的质量
如前所述，增碳剂的石墨形态分为晶体态的石墨形和非晶体态的非石墨形。这本身就决定了石墨的形态。晶体态的石墨，其片层碳原子结合紧密。在铁水中溶解扩散后，会形成石墨原子集团和分子团。这种结构稳定，与铁水中的石墨形态相近，所以增碳效果明显。而非晶体态的增碳剂，其石墨本身不稳定，增碳效果差。
5.3.2增碳剂在炉料中的分布
增碳剂质量比铸铁轻，且与铸铁一样有导磁性，块度在炉料中最小。在铸铁熔化初期，受电炉磁场影响，容易从炉内“逸出”，这既影响环境又影响增碳效果。所以一般在布料时，会尽量把增碳剂放在熔炉的中下部位，然后在上面加其他炉料。这样一方面能在炉料刚开始熔化送电时防止增碳剂外逸，另一方面只要炉内开始化铁，增碳剂就能与铁液接触立即增碳。放在炉底的增碳剂还可缓冲铁料加入时对炉底的冲击，起到保护炉底炉衬的作用。容量大的电炉可以分次加入，这样便于增碳剂的溶解、扩散和吸收。
5.3.3铁水的温度
增碳剂在铁水中进行增碳，这个过程是其石墨在铁水中溶解、扩散并被吸收的过程。因此，增碳的过程遵循有关扩散的理论，并且是处于非稳定态的扩散，也就是遵循所谓的“菲克第二定律”。
碳的浓度为 C，扩散系数为 D，时间为 t，还有三维空间坐标 x、y、z，扩散系数与时间的关系如下：
D0——扩散常数、Q——扩散激活能、T——温度，
除碳的浓度外，温度会影响增碳效果，温度低时铁水不浸润增碳剂，增碳剂无法溶解也无法扩散；时间会影响增碳效果，不同的时间可能导致增碳效果不同；距离会影响增碳效果，距离的远近可能对增碳产生影响。只有当温度使铁材料熔化超过 1148℃铁液生成后，增碳剂才有可能完全浸泡在铁水中形成增碳的充分条件，温度再进一步升高后碳与氧发生氧化反应，增碳剂出现烧损却不利于增碳。经验是1420℃～1500℃时增碳效果最好。
5.3.4熔炼操作方法
增碳剂应放置在熔炉的中下部，使铁水充分浸润，等待增碳剂溶解扩散并被吸收等。铁水温度达到要求后，应有 2 至 3 分钟的保温增碳时间，不能立即扒渣出水。因为增碳剂比铁水轻，容易上浮到铁水表面，此时若立即扒渣，就会将表面的增碳剂搅和在炉渣中并一起扒出，从而浪费增碳剂，影响其使用效果。
二、合成球墨铸铁的熔炼工艺
2.1炉料配比
一般情况下，从铸造厂自身来看，铸件的浇注系统约占铁水的 10%。综合废品率产生的废品约占铁水的 10%。铸件的加工余量占铸件质量的 15%至 20%。这些部分构成了铸造回炉料大概在 30%至 35%。这些回炉料的化学成分生产者能够完全掌握。剩下的 65%至 70%的炉料可以全部用废钢。并且，可以依据废钢、机杂铁、生铁的价格差异进行灵活取舍，以控制生产成本最低。
2.2加料顺序
为确保增碳效果且保护炉衬，一般在生产合成铸铁时，先将 3～5%的散钢铁屑加入炉底垫底；接着加入约 60%的增碳剂；然后加入其余的成块废钢、钢铁屑；再加入剩下的增碳剂；最后加入回炉料以及硅铁、锰铁等合金材料。而在生产球墨铸铁时，为增加铁水中的石墨碳集团和碳分子团，特别加入约 10%的新生铁效果更佳。
2.3增碳剂的加入量
石墨增碳剂的碳含量在 90%以上，除了碳化硅（SiC）。碳的吸收率受多方面因素影响，一般按 70%左右计算。这意味着增碳剂中只有约 60%的石墨碳能被完全吸收进铁水中。所以，按 6:100 的比例加入石墨增碳剂，基本可以达到生产球墨铸铁所要求的碳量。
2.4化学成分的调整和最后确定
废钢、回炉料、增碳剂等配制合成的铁水是否符合生产要求，首先需要进行检验。如果不符合要求，就必须进行调整以达到要求。由于炉料以废钢为主，铁水中的五大元素都低于铁的要求，需要通过增碳剂增加碳含量、硅铁增加含硅量、锰铁增加含锰量等方式来调整。要在短时间内检验出这些元素并做出决策，以免影响生产进度，光电直读光谱仪正好可以担当此任。无论是国产的还是进口的光电直读光谱仪，都能满足铸造生产的需求，且绰绰有余。用光谱仪进行分析，在两分钟的时间内，就能够获得准确的结果。通过将分析结果与目标成分进行对比，各个元素能够被精准地加强控制。当碳的含量较高时，就继续往熔炉内添加废钢来降低碳的含量；当碳的含量较低时，就继续添加增碳剂来增加碳的含量。对于硅和锰的含量，也会根据含量结果以及铁水的总量，分别使用硅铁和锰铁来进行调整。铁水化学成分达到要求后，其碳含量为 Cw3.65%～3.80%，硅含量为 Siw1.8%～2.0%，锰含量为 Mnw0.3%～0.5%，磷含量 Pw≤0.7%，硫含量 Sw≤0.5%，接着按照球化处理球墨铸铁生产的工艺来生产出球墨铸铁。
三、合成铸铁的生产成本
生产合成铸铁时，废钢量能够加到 60%以上，也就是能多用 50%以上的废钢。以目前新生铁与废钢每 吨 1000 元的差价来计算，可以节约 500 元/吨的成本，还能增加 100 元/吨左右的增碳剂，最终能降低 400 元/吨左右的成本。如果新生铁与废钢的差价较大，那么节约的成本就会更多。一个每月生产 500 吨铸件的工厂，每个月可以节约 20 万元。只要二、三个月的时间，就能够节约一台高级的光谱仪检测设备。
五、结束语
中频电炉中，可大量使用废钢、钢铁屑和增碳剂当作炉料。这样完全能够生产出合格的球墨铸铁产品，其质量能达到 QT600 - 3、QT700 - 3 甚至 QT800 - 3 的要求。同时，还能降低生产成本，带来巨大的经济效益。
