1 原材料的选用
1.1 炉料
电炉熔炼炉料主要有3种，分别是废钢、回炉料和生铁。与冲天炉熔炼相比较，感应电炉没有显著的熔炼反应和自身的造渣系统，对原材料表面的清洁程度和干燥要求更高，如果炉料锈蚀严重，有油污，将会导致铁液氧化严重和纯净度低，并恶化铁液的熔炼质量，进一步影响铸铁的基体组织和石墨形态，为提高铁液的纯净度和铁液化学成分的稳定性，应选用生铁、碳素钢和经过抛丸清理的回炉料，并强化对原辅材料的管理。另外，随着废钢中高锰废钢的比例增高，电炉熔炼过程中尤其要关注铁液锰含量的变化。
1.2 碳化硅
目前，碳化硅材料在铸造领域作为预处理剂和脱氧剂被广泛使用和认可，它是一种工业上人工合成的矿物原料，碳化硅组分中含有铸造生产中的重要元素C和Si。碳化硅的熔点为2 700℃，一般不会发生熔化，在感应电炉熔炼的过程中，只能以溶解和扩散的方式逐渐缓慢进入铁液中，按下列方式进行：
Si C+Fe→Fe Si+C（非平衡石墨）
其中，上式Si C中的Si和Fe结合生成Fe Si，而碳是非平衡石墨，将作为石墨析出的核心。这种非平衡的新生碳具有较高的活性，不均匀地分布在铁液中，可以在局部产生高浓度的“碳峰”，因此，可以作为一种形核剂，这样不但可以促进生成A型石墨，细化片状石墨，而且增加晶核数量，提高石墨化程度，减少白口倾向，从而提高铸件的力学性能
1.3 增碳剂
由于在感应电炉没有冲天炉焦炭的熔炼反应，需要外加增碳剂以满足原铁液的化学成分要求。增碳剂一般分为石墨化增碳剂和非石墨化增碳剂，由于增碳剂的质量对电炉中加入高比例废钢来熔炼灰铸铁的影响非常关键，一定要选用经过高温石墨化处理后碳原子呈片状石墨的增碳剂。增碳过程实质上就是碳在铁液中的溶解扩散和氧化烧损过程。增碳剂的粒度大小不同，其溶解扩散速度和氧化烧损速度也不同。在一般情况下，增碳剂颗粒大、烧损小，溶解扩散速度慢；反之，增碳剂颗粒小、烧损大，溶解扩散速度也快。在生产中，增碳剂粒度的选择应根据电炉炉膛大小和容量来综合考虑。相关资料表明
1.4 增硫剂
1.5 炉料配比
根据资料研究表明
2 化学成分的控制
2.1 基本元素
铸件的组织决定着灰铸铁的力学性能，而化学成分对铸件的组织有重要影响。因此，在实际的生产中，应根据灰铸铁件的牌号、壁厚、结构复杂程度等因素优化化学成分设计，严格控制各元素的波动范围，这对于保证灰铸铁件的质量和性能非常关键。
C、Si、Mn、P、S是灰铸铁的基本元素，C和Si元素具有强烈促进石墨化作用，如果碳含量和硅含量偏高，会导致石墨粗化，铁素体体积分数增多，珠光体体积分数减少，铸铁的强度和硬度下降。在目前生产的高牌号灰铸铁中，为保证高强度铸件的性能要求，需要选择适当的碳当量，一般将原铁液碳当量控制在3.8%～3.9%，这样可以改善铸铁的铸造性能，减少白口、缩孔、缩松和渗漏缺陷，降低废品率，这对于薄壁铸铁件尤为重要。当铁液的碳当量一定时，还要注意Si/C值，不同的Si/C值会使铸铁的力学性能和组织产生较大的差异，生产实践证明，控制Si/C值在0.6～0.7，铸铁可保持合适的硬度和较高的抗拉强度。
Mn和S元素是阻碍石墨化的元素，其中Mn元素能促进和细化珠光体，可提高铸铁的强度和硬度。传统理论认为，S元素是铸铁的有害元素，但是在灰铸铁的生产中，Mn和S元素结合能生成Mn S细小颗粒，可以作为石墨形核的外界核心，有利于生成均匀的A型石墨。为了提高孕育效果，一般控制w(S）≥0.06%。锰含量和硫含量一般应满足：Mn%=1.73S%+0.3%，相关资料表明
P元素在灰铸铁中一般被认定为有害元素，容易在晶界形成低熔点的多元磷共晶，并造成铸铁冷裂。采用高比例废钢工艺，铁液磷含量应控制在0.03%以下。
2.2 微量元素
铁液的纯净度是衡量铁液品质高低的重要因素。铸件中除了含有C、Si、Mn、P、S元素外，还有Pb、As、V、Ti、Al等微量元素和杂质元素，这些微量元素在铸铁中的存在形态和分布形式将影响铸铁结晶的成长和成核的特性，从而影响石墨的结晶形态和固体奥氏体转变，造成铸铁的组织和力学性能达不到要求。有关资料表明
近年来，铁液中氮含量受到重视。一般情况下，铁液的氮含量在40～70 ppm，氮可使石墨片长度缩短，弯曲程度增加，端部钝化，共晶团细化和珠光体体积分数最多，从而提高其力学性能。由于电炉废钢和增碳剂的使用量不断增加，增碳剂中的N不断在铁液中积累。另外，呋喃树脂在浇注的高温铁液中能够形成的N也进入到铁液中，在铸件凝固过程中，过饱和的N从铁液中析出，形成裂隙状的氮气孔。笔者公司比较了冲天炉和电炉熔炼的铸件中氮含量，分别是100 ppm和70 ppm。对于灰铸铁而言，铸件薄壁部位氮含量超过130 ppm，厚壁部位氮含量超过80 ppm时，铸件可能产生氮气孔，但也和铸件结构有较大关系，氮气孔易出现在上箱铸件顶面热节部位。
表1 微量元素分析测试结果wB/%
3 熔炼工艺的控制
3.1 熔化功率的选择
感应电炉的熔化工艺决定着铁液质量的高低，电炉功率是影响熔化阶段的重要因素，因此，在熔化阶段的各个时期需要选择合适的功率。一般情况下，电炉熔化过程要遵循“满炉大功率快速熔化”的原则，这样会较大程度上减少炉料、炉气以及炉衬的接触时间，缩短感应电炉铁液的氧化和吸气过程，以及减少铁液中产生上浮的炉渣量。在熔化阶段的初期，由于感应电炉炉内的铁液较少，尚未形成较大的熔池，为保护和延长电炉炉衬的使用寿命和节能要求，需要较小的功率与之匹配。随着熔化过程的不断进行，也需要专人查看熔化情况再分批加料，避免铁料出现“搭棚、结壳”现象。
3.2 高温熔炼
在感应电炉快速熔化后，铁液进入熔清阶段，铁液的升温很快。在铁液的精炼阶段，铁液温度升到设定温度后，需要覆盖集渣剂进行一次扒渣，此时，铁液的非金属杂质在电磁搅拌的作用下上浮，与集渣剂结合。扒渣结束后，要调整铁液的化学成分，并快速升温至静置温度。感应电炉的高温静置阶段是一个非常重要的过程，在生产的过程中往往被忽视。首先，高温静置的过热温度能够使铁液溶融粗大的石墨质点，消除气孔、夹杂缺陷和炉料遗传性给铸铁的组织和性能带来的不良影响；其次，高温静置过程能去除铁液的气体和非金属杂质，提高铁液的纯净度；最后，高温静置过程可以细化石墨和基体组织，促进A型石墨的形成，提高铸件强度和机械加工性能。高温静置过热温度一般控制1 500～1 530℃，保温10～15 min。高温静置的过热温度不宜过高，静置时间也不能过长，否则就会严重烧损和破坏铁液已有的异质核心，增大铁液的过冷度和白口倾向，反而会恶化石墨形态、粗化基体，降低铸铁的性能。
3.3 出炉温度控制
感应电炉出铁温度不能太高，否则引起浇注温度过高。浇注温度过高，会使铸件粘砂严重，难以清理，甚至导致铸件报废；如果浇注温度过低，铸件易出现气孔缺陷，还会造成铸件偏硬，出现冷隔、轮廓不清等问题。因此，要根据铸件的大小、质量以及壁厚选择合适的浇注温度，并加强电炉出铁温度的控制，出铁温度一般控制在1 430～1 480℃。当电炉铁液长时间不用时，需要进行低温铁液存储，温度控制在1 380～1 420℃，否则长时间高温放置会烧损铁液的异质核心，增大铁液的白口倾向，形成过冷石墨。
4 孕育及合金化处理
4.1 孕育处理
孕育处理的本质是在铁液中创造有利于石墨形核析出的热力学，尤其是动力学条件，促使铁液中出现大量石墨异质形核的核心，促进石墨化，减少白口倾向，增加共晶团数量，控制石墨形态以获得A型石墨，提高灰铸铁性能。在实际生产的孕育处理的过程中，一般采取炉前出铁孕育和浇注随流孕育的处理方式，炉前出铁孕育处理根据不同的铸件选用硅铁、硅钡、硅锶等类型孕育剂，加入量为铁液量的0.3%～0.6%；随流孕育处理使用硅锆或硅锶孕育剂，加入量为0.06%～0.15%，以提高孕育效果，防止孕育衰退。孕育剂的粒度对孕育效果有着重要的影响
4.2 合金化处理
实践表明，在生产高牌号的灰铸铁件时，需要根据铸件壁厚、结构特点等加入不同的合金元素，以强化基体组织，提高铸件力学性能。目前，使用的合金化元素主要有Cu、Cr、Sn、Ni、Mo和V等元素，Cu元素可以促进石墨化，细化和稳定珠光体，石墨化的作用约为Si的20%;Sn元素具有较强增加珠光体和消除铁素体的能力；Ni元素在灰铸铁中与Cu元素的作用相似，促进石墨化，减轻白口倾向；Cr元素可以稳定渗碳体，促进形成珠光体，增加硬度。Mo和V元素都是增大共晶凝固过冷度并增大初生奥氏体生长区间的元素，它们都能使奥氏体枝晶的分枝程度增高，使二次枝晶发达，细化二次枝晶间距。在高牌号灰铸件的生产中，在保持适当碳当量的情况下，这些合金化元素需要根据具体铸件的大小、结构相互配合使用，以获得强度高、断面均匀性好的铸件。
5 应用实例
6 结论
(1）在HT300灰铸铁气缸体、气缸盖以及曲轴箱铸件的生产过程中，主要采用高比例废钢和增碳剂的熔炼工艺，一般选择较高的碳当量结合适当的合金化处理的方式。
