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国内蓋包球化技术应用现状及其对策

发布时间:2012-06-26 06:34:19 浏览次数:0来源:巩 济 民
纵观近年来,我国球铁生产有如下几个特点:其一是产量大。与铸件总产量一样,我国球铁生产已连续多年稳居世界第一;其二是发展潜力大。与发达国家相比,我国球铁在铸件中的比例虽连年增加但还有很大的提高空间(表一、二、三);其三是髙挡球铁铸件需求量快速增长。以曲轴为代表的工程结构件,以高韧、低温冲击要求的大型风电铸件,以要求综合性能好、质量稳定的等温淬火球铁铸件等髙挡球铁铸件的需要量大幅度增加;其四技术、设备优良的专业或以生产球铁铸件为主的铸造厂增多……我们应抓住这些有利时机,提高工艺、管理水平,缩小与发达国家的差距,缩短我国从球铁铸件大国向球铁铸件强国过渡的时间。同时,现实也要求我们尽快提高工艺、管理水平:面对不断强化的能源危机和全球气候变暖,我国将节能降耗、减少污染作为国策,并庄严向全世界承诺减排40%-45%!对我们从事球铁工作的同志来说,淘汰落后的球化处理工艺,从源头上杜绝高能耗、高汚染是我们义不容辞的工作。
表1   2007年世界铸件主要生产国产量及比例
国家
类别
中国
美国
俄罗
印度
日本
德国
巴西
意大利
法国
世界
36国
铸件产量(万吨)
3127
1181
780
777
696
584
323
374
247
9491
 %
32.9
12.4
8.2
8.2
7.3
6.2
3.4
2.9
2.6
100
 
表2  2007年世界铸件主要生产国球铁产量及应用比例
国家
类别
中国
美国
俄罗 斯
印度
日本
德国
巴西
意大
法国
世界
36国
球铁产量
(万吨)
770
389
180
80
204
180
 
60
106
2288
  %
24.6
32.9
23
10.3
29.3
30.8
 
21.9
42.9
24.1
 
表3  我国历年球铁应用比例
比例
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
14
16.3
16.7
18.3
18.4
23.6
25.0
23.9
24.4
24.6
 
球化处理技术
 球化处理技术是球铁生产的关键技术之一。
自从1948年球铁开始工业化生产至今,镁一直是使石墨从片状转化为球状的主要元素。但镁是一个活泼的轻金属,比重轻,沸点比铁液温度低得多(表四),镁加入铁液后会产生剧烈反应——刺目的火光和浓烈的烟雾,不仅不安全,还因镁的严重焼损降低了铸件中镁的残留量而使球化得不到保证。如何减少镁的烧损,用最少的加入量获得最佳的球化效果并确保安全生产和良好的工作条件,一直是人们长期以来乐此不疲的奋斗目标,并为此发明了许多球化处理技术。六十多年来,不少老的球化处理技术已被新的球化处理技术所取代,但也有一些球化处理技术使用了四、五十年直到今天还在使用。
    
表四 镁的部分特性
周期表中序数
 原子量
 晶格排列
    密度
   比热
     12
 24.32
紧密六方晶格
 1.73g/cm3
 0.25卡/克.℃
   熔点
   沸点
 熔化潜热
        汽化潜热
   651
1107℃
863卡/克.℃
1254±61.8卡/克·℃
 
 当今国内外流行的球化处理技术主要有:
      ● 使用纯镁或镁含量高的球化剂
      ◎ 自建压力加镁处理包(图一)
将纯镁用钟罩压入装有待处理铁水的密封铁水包内,铁水与镁反应,铁水包内压力增加,待反应结束时,压力恢复正常,打开包蓋,残余压力被释放,球化处理完成。这种方法的缺点是不安全,操作烦杂,铁水降温大,但它的优点是能处理含硫量高的原铁水,石墨球园整,球化剂回收率高等。 这个方法上世纪五十年代被广泛采用,到六十年代后期由于冲入法球化处理技术推广使用,使用的就不多了,但由于其具备的上述优点直到今天还有一些球铁轧辊使用这个方法生产。
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图一 自建压力加镁包
 
      ◎ 转包法(图二)
      转包法是瑞士乔治·费歇尔公司发明并申报专利,所以又称GF法。
      转包的底部有一个被带有很多小孔的隔板砖隔开的反应室,镁被放置其中。当转包水平放置时,反应室位于包子上部,铁水注入时镁不与其接触(图二a);待铁水注入规定数量后,转包倾转至竖直位置(图二b) ,铁水通过隔板砖的孔洞在反应室与镁反应,反应使镁压力增大,不断将铁水排出而新的铁水再次进入,使包内铁水充分混合反应。由于铁水包髙度(H)/直径(D)大(H/D≥2),所以反应平稳,无镁光逸出;反应完成后,铁水再次倾转(图二c),倒入澆注包。这种方法的优点是能处理含硫量高(0.1%)的铁水,反应平稳,镁的回收率高(50%),球化成本低。但需要较大的设备投资,适宜于大批量流水生产作业。由于专利保护,上世纪八、九十年代我国个别工厂才开始使用这种工艺。
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图二 转包法处理工艺示意图
A 进铁水 B 球化   C出铁水
1 包盖 2 包体前段 3 包蓋开启气缸 4包体中段
5 包体后段 6 镁块 7 尾蓋 8 隔板砖
 
◎ 喂丝法(图三)
   喂丝法广泛用于钢铁行业,后移植于铸造用于球化、蠕化及孕育处理。喂丝机将含镁的包丝线送入铁水包中,包丝线是用壁厚0.4mm左右的带钢将纯镁或镁合金包裹在其中,镁的含量从9-99%不等(一般≥25%)。喂丝机按设定的速度连续不断的将包丝线送入铁水包底部,使镁与铁水反应。由于能准确地控制喂丝的数量以控制镁的残留量,所以这种方法的使用范围非常广:不仅适用不同的铁水重量(0.5-50t)、不同的原铁水含硫量和不同的铁水温度,还可适宜不同的生产方式(大批量流水生产或单件小批量生产)的工厂。
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图三 喂丝工艺工艺方法示意图
⒈合金芯线 ⒉喂丝机 ⒊导管 ⒋铁水包 ⒌铁水
● 使用镁合金的球化剂
   球化用镁合金可以分为重合金和轻镁镁合金。
以镍基和铜基镁合金为代表的重合金虽然有比重大、不漂浮等优点,但因其价格昂贵且合金累积,现已很少使用。
最常用的轻镁合金是硅基合金,采用硅铁镁合金最常用球化处理方法是冲入法。
◎ 冲入法(图四)
这种方法是将包底筑一堤坝,将破碎成一定粒度的硅铁镁合金(含镁5-10%)放入将铁液冲向的另一侧,适当紧实,上覆盖孕育剂、废钢板等,以延缓球化反应时间。这种方法的优点是工艺简单、成本低,镁的吸收率一般能够达到30-40%,温降也不大,可适应不同大小的铁水包。
这种方法的缺点是必须使用低硫铁水,镁吸收率不稳定以及球化处理时刺目的闪光和浓烈的烟雾(图七)。
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图四 冲入法处理工艺示意图
1 铁水液面 2 铁水包 3 蓋板 4 复蓋剂 5 球化剂 6堤坝
◎ 型内球化法(图五)
将一定粒度的硅铁镁合金(3-5%Mg)放置在作为浇注系统一部分的反应室内,浇注时铁水首先通过反应室被球化。为了获得良好的球化效果,必须使用含硫量极低(少于0.01%)的原铁水,所有的工艺参数包括铁水温度、流动速率、反应室的几何形状、硅铁镁合金的尺寸和类型等等都必须预先设定并且严格控制。
型内球化法镁的吸收率达到70-80%,温降和球化剂的消耗量都很少。
型内球化法适用于大批量流水专业化生产的工厂。
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图五 型内球化处理工艺示意图
1 直澆口 2 上砂箱 3 铸型 4 反应室(4-1铁水入口 4-2蓋板砂芯
4-3集渣包 4-4铁水出口) 5 球化剂 6 下砂箱 7 冒口
另外还有不少球化处理方法,如密封流动法、喷射法、多孔塞法等。
判断球化处理方法的优劣有三个标准:一是球化良好、再现性好;二是球化剂烧损少,球化剂加入量少,球铁件W(Mg残)量少,球铁件致密度高;三是安全、污染少,对环境友好;四是操作简便。每一种球化处理方法都会对有一些条件,如:处理前铁液的温度、化学成分(干扰球化元素,尤其是硫的含量)等。为保证这些要求的实现,就要采用一些相应的措施,如:熔炼炉类型及炉料的选择、处理前后铁液的运输,直至生产规模、厂房布置、投资多少等等。因此,每一种球化处理方法都有其适用范围。工厂在选择球化处理方法时一定要根据各自实际,慎重选择,决不可盲目跟风、轻率决定。
国内蓋包球化处理技术应用情况调查
⒈我国球铁球化技术发展
我国早在廿世纪五十年代初期就开始生产球铁,最早采用钟罩法将镁压入铁水包,反应激烈、不安全、镁回收率低、铁水降温大;1958年大连造船厂首先使用自建压力加镁处理包,这种方法与钟罩法相比安全可靠,镁回收率也髙,但操作烦杂稍不注意还会出安全事故,另外由于温降大要求较髙的出炉温度,这对于一般焦炭质量差又没有电炉的工厂不易推广;1965年以后我国广泛采用了稀土镁硅铁球化剂,使用操作简便、安全的冲入法进行球化处理。这种方法还具有降温较少、少则几十公斤多到几十吨铁水都能处理、铁水出炉温度1370-1380即可顺利处理并澆注、稀土元素可抑制球化干扰元素等优点,为广大中、小铸造厂采用地方生铁、冲天炉生产球铁提供了可能,球铁生产在我国应用得到了迅速发展,四十年后的今天,虽然原辅材料、熔炼设备、工艺水平等都有了很大的提高,但冲入法仍在我国球化处理中占据主导地位,据粗略估计目前我国95%的生产厂家、80%以上的球铁生产仍然使用这种方法;
妀革开放以来,隨着球铁件出口和国内髙档球铁件数量增加、环保意识的增强,冲入法的缺点愈加明显:球化质量不稳定、球化处理时污染严重等,其它球化处理工艺如喂丝法、转包法、喷镁法开始出现并逐渐用于生产,而更多工厂则是尝试使用蓋包法取代冲入法工艺。
⒉蓋包处理技术优点
冲入法为什么长盛不衰,其主要原因在于它能够在基本保证球化良好的前提下操作上的灵活与简便。几十年来,冲入法虽然作了一些改良,但没有改掉包口敝开这个根本问题。由于包口敝开,空气与铁液接触不受限制,氧与镁的化学反应得以充分进行,造成球化剂的大量烧损,并使球化处理过程中产生大量的烟尘和镁光。同时镁的回收率不高而且不稳定,不仅增加了成本还使球化质量难以稳定:或W(Mg)低,球化不良;或W(Mg)高,球铁件致密程度下降且易出现白口、加工困难。
盖包(图六)是在冲入法的基础上改进并发展而成的一种新的球化处理工艺。盖包,顾名思义就是在球化处理包上设置一个专门的包盖,将空气与铁液隔绝,当铁液与镁接触反应时,镁的迅速气化可以在液面与包盖之间形成一定的镁蒸气压力,从而使球化处理在一定压力和相对缺氧气氛下进行,从而减少镁的焼损、提高镁的吸收率并且减少了镁光和烟尘。包盖设计成浇盆的形式,浇盆下有一个孔,铁液通过孔进入进入铁水包未放球化剂的一侧。除了增加了包蓋之外,蓋包在其它方面与冲入法几乎完全相同。
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图六 盖包处理工艺示意图
1 包盖 2 进铁水孔 3 添加球化剂孔 4铁水包
5 复盖剂 6球化剂 7铁水液面
蓋包法在保持冲入法操作灵活、简便等优点的基础上克服冲入法的上述种种弊端,因此国外球铁生产企业已广泛应用蓋包处理技术:美国使用硅铁镁合金作球化剂的工厂几乎都采用盖包法,我国一个代表团访问了美国11家工厂球铁生产工厂,除一家使用纯镁采用GF包处理外,其余十家工厂全部使用蓋包处理;欧洲也如此,盖包法的处理包从80kg-8.5t不等,并计划设计14t盖包;巴西球铁生产也已广泛应用盖包工艺。
与冲入法相比,盖包法具有如下优点:
⑴加盖后镁光和烟尘大大减少(图七),减少了污染,节约了污染治理费用;
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图七 冲入法(左)与蓋包法(右)球化处理的场景
⑵由于隔绝了个空气与铁液的接触,大大减少了W(Mg)的氧化,使W(Mg)的回收率从30%-40%左右提高到50-60%,球化剂的加入量可減少20%-30%。如果将国内冲入法生产球铁的一半改为用蓋包法生产,那么全国一年(2008年)就可节约球化剂13000吨以上!
⑶消除了敝口包球化处理时出现的热对流、热幅射向环境散热造成的热损失,球化处理时铁液的温降可减少30-40如果澆注温度不变炉温度就可降低30-40,减少了能源的消耗;
⑷减少了铸件夹渣缺陷。据资料介绍:W(Mg)与铁液反应时生成的渣子(MgO、MgS)具有尺寸较大 (300μm)、熔点与铁液相近、非常容易缠绕、在它们之间填充了大量的铁液等特点,难扒除。扒除部分混有大量铁液,未扒出部分或悬浮在铁液中、或浮在铁液表面,浇注后形成夹渣、夹杂等缺陷。而采用蓋包由于隔绝了空气,使氧化熔渣形成量减少,从而减少了铸件夹渣缺陷;
⑸球铁件致密程度和球化处理质量的稳定性明显提高。大多铸造厂采用光谱分析的W(Mg%)是 MgO、MgS和游离Mg的总量,而MgO和MgS对球化并无益处而是形成了尺寸较大的渣子。冲入法处理由于MgO高,反映在生产中,有时W(Mg%)并不低但球化效果并不理想,为保险起见就加大球比剂用量,结果不仅浪费了球化剂,还造成球铁件缩松缩孔和白口倾向性增大。我国球铁件W(Mg%)大多控制在0.04%-0.06%,远高于国外优质球铁件0.025%-0.035%的水平,这也是我国球铁件与国外优质球铁件的主要差距。采用蓋包后,由于MgO数量减少、球化质量稳定,导改球化剂和W(Mg%)减少,使球铁件致密程度和球化处理质量的稳定性明显提高。
⒊国内蓋包球化处理技术应用情况调查
国内蓋包球化处理处在起步阶段,没有定型的设计,各厂参阅有关资料及工厂实际自行设计、制造了型式多样的蓋包。
根据包蓋活动方式可将国内蓋包分为以下两类:
⑴固定式包蓋
固定式包蓋即包蓋用螺栓与铁水包紧固在一起(图六),这类型式的特点是除修包外,在球化处理的全过程——球化剂加入、球化处理、澆注直到扒渣——包蓋始终和包体固定在一起。球化剂通过包盖上一个孔沿着导管倒入包中坝堤内,铁水进出则通过浇口盆的孔,球化处理后不扒渣,熔渣在浇注完成后也通过浇口盆的孔倒出。图八的一组照片记录了这个方法的球化处理、浇注、扒渣的实地场面。
采用这种方法由于原材料洁净、原铁水含硫量不高、出铁前(炉内)扒渣、球化剂加入量低、镁烧损少等原因,所以球化处理后渣量少且呈团球状浮在铁水表面,再加上不用处理包直接浇注,所以渣子不会浇入铸型。据赴美考察报告称,美国大多工厂都采用这种方法。
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图八(固定式包蓋)蓋包法球化处理、浇注、扒渣的实地场面
 
这个方法由于包蓋不需要移动几乎和冲入法操作一样的简便。但这种方法要求铁液相对纯净,所以在生产中的各个环节都要严格管理,如:炉料要洁净、原铁水含硫量要低、出铁前要将(炉内) 渣扒干净、澆后包内要清渣等。
为了防止渣子浇入铸型,国外还开发了茶壶式蓋包(图九)。图九(a)为单壶咀式,铁水沿壶咀进入铁水包(这样浇盆也被取代了)。这个方法的缺点是在部位的铁水不能充分球化,双壶咀式(图九b)可以解决这个问题,因为铁水进入和流出由两个壶咀完成,所有铁水都要通过反应室。
(a)为单壶咀式                        (b)双壶咀式
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图九 茶壶式盖包处理工艺示意图
⑵移动式包蓋
移动式包蓋是为了满足人们习惯在球化处理前后加合金、扒渣而需要将包盖打开或取下专门设计的。如何在高温下移动包盖,各厂根据自身实际,创造了不少‘高招’,归纳起来有以下几种:
           人工取蓋法:球化反应前人工将包蓋盖上,待反应完毕再由人工将包盖取下,铁水送去扒渣。这种方法简单但劳动条件很差,是一些中、小铸造厂临时之举。
           天(叉)车取蓋法(图十):球化剂加入后用天(叉)车将包蓋盖上,待反应完毕再由天(叉)车将包盖取下,铁水送去扒渣、澆注。为方便生产,一些工厂在墙壁安放支架,由天(叉)车工自行将包蓋取、放。这个方法虽然增加了一道工序,但有些工厂操作起来也很顺畅、默契。
   
(a)叉车移动法                           (b)天车移动法
   \
图十包蓋的各种移动方法
           自行提起(放下)包蓋法:在铁水包上增加一些机构,让其具有包蓋自行提起、放下的功能(图十一):先将包蓋提起,加入球化剂,然后再将包蓋盖上,待球化反应结束后又一次将包蓋提起扒渣、澆注。这个方法是上一个方法的改进,但铁水包需要专门制造。
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图十一 自行提起(放下)包蓋
⒋使用盖包法应注意的几个问题
⑴由于蓋包法是在冲入法基础上改进发展而成的,所以冲入法应遵循的原则蓋包法也必须遵循,如:低的原铁水含硫量(≤0.02%),如原铁水含硫量高则应在球化处理前采取脱硫措施;使用低镁硅铁稀土球化剂(Mg6~9%、Re1~3%);球化剂应放在包底凹坑内铁液不冲入一侧;铁水包高径比(H/D)≥1.5,为了解决高径比大修包困难的问题,有些工厂将铁水包分成两段(图十一),平时重点修补易破损的包底部分;铁水处理温度与合金捣紧实度、加复盖物的关係以及选用优质耐火材料,延长包衬寿命减少渣量等等。
应该指出,目前国内不少使用冲入法生产球铁的厂家或多或少没有遵守上述原则,严格按上述原则生产的工厂比不按上述原则的工厂其球化效果、球铁件质量肯定要好得多。同样,既便采用了蓋包法而不遵守上述原则,也达不到予期的效果。
⑵包盖设计
     进水孔大小
澆盆应设计成封闭式。技能使澆盆内铁液保持一定高度,避免空气卷入,又要使铁液连续稳定并快速的进入铁水包,达到予定高度,以减少球化剂的烧损。进水孔大小可按下面公式计算:
\
式中:D-进水孔直径,cm;
W-处理铁水量,kg;
t-铁液注入时间,s;
H-浇盆铁液高度,cm.
对于2t以下的球化处理包t一般取40-60s,H一般取10-15cm。
但从调查情况看,实际进水孔直径比计算值大,各厂情况不同可通过试用进行修正。
     浇盆要光滑流畅,以避免出铁时飞溅。
     包蓋与包体之间的密封
为增大包内镁蒸气压力避免球化反应时镁蒸气外逸及空气进入,应尽量作好包蓋与包体之间的密封。固定式包蓋比较简单,一次性在包盖固定之间在包体上加放一些密封材料即可;对于移动式包蓋则要在包蓋设计上就要考虑密封材料的位置,并在每次放包蓋时都要清理包体上部法兰上的铁豆和熔渣。不论是固定式包蓋还是移动式包蓋,为避免长期使用引起变形而影响包蓋与包体之间的密封,应适当加厚、加大包体上部法兰。
⑶包底凹坑的设计
为保证铁液进入初期不与球化剂接触,应适当加高在包底中间用耐火材料修筑隔离墙(1t球化处理包建议墙高为250mm左右)。铁液溢过隔离墙后先与复盖剂形成半固态物资的保护层,待保护层被熔裂铁液与球化剂开始反应时,铁液巳到达所需高度,这样可保证球化剂有较的高回收率。
   ⑷铁液称量
由于有包蓋看不见出铁后铁液的高度,所以应对铁液进行称量。常用的称量方法有天车称、地塝称和叉车称等。
盖包冲入法在国内推广较慢的原因分析及应釆取的措施
由于蓋包处理既保持冲入法操作简便、投资少等优点又能克服它的缺点,在球化稳定性和减少汚染排放方面尤为突出,前几年不少企业就开始自发的应用这一技术,现在影响逐渐扩大,表现在一些有影响的企业也开始使用,一些专业铁水包生产厂也积极参与其中。但从全国看来使用面和量还是很小,究其原因主要是:
⑴思想方面的阻力
不少企业领导虽然感受到了环保方面的压力,但还没到不让生产的地步;一些民营、外资企业担心改变工艺会影响产品质量;一些技术干部怕推广新工艺受埋怨;炉前操作工则是改变了习惯操作、嫌麻烦……总之,都是习惯性的阻力。采用先进的球化处理工艺利国利民,对企业更是有实实在在看得见的好处,再加上当前国家对节能、环保非常重视的背景,所以一定要克服思想方面的阻力,尤其是企业领导一定要下决心淘汰落后的球化处理工艺。
⑵实际操作方面的阻力
毋须置疑,无论是盖包法还是喂丝、转包法等先进的球化处理工艺肯定比冲入法要麻烦一些。企业领导在下决心淘汰落后的球化处理工艺后,不能机械地照搬某一种方法,而是要根据本企业的实际,选择一种先进的球化处理工艺(不论是蓋包还是喂丝、转包等处理工艺),在推广先进工艺过程中要发挥过去行之有效的领导干部、技术人员、生产工人“三结合”方法,充分发挥他们的积极性、创造性,创造出一个适合本企业特点,既保证球化质量、节能环保又操作简便的方法来。有条件的工厂还可与球化处理设备(包)专业厂进行合作。
⑶有组织的宣传推广、现场典型交流少了,借口商业‘秘密’、拒绝参观、学习的多了。当前全国和各地铸造协、学会及专业委员会都在影响国家节能节排号召,大力推广盖包法等先进球化处理工艺,我们应以此为契机,积极帮助企业推广,我们也相信盖包法等先进球化处理工艺一定很快就会在国内球铁生产厂普及推广。
 
 
 
参考文献
⒈对美国铸造现状的考察   柳百成刘光华等 “铸造”1998.9
⒉用带蓋包进行球化处理生产球铁 子澍郭海波 “现代铸铁”2006.3
⒊蓋包冲入法球化处理工艺 王成铎郭振延 “第七届全国铸铁及熔炼学术会议论文集”2004
⒋予处理技术在球铁生产上的应用 陈子华 “现代铸铁”2008.1
Tundish工艺在铁液球化处理中的应用 李子明   “现代铸铁”2006.3
⒍苏州市花锦铸造设备厂产品样本