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各种球化处理方法述评

发布时间:2012-06-26 07:01:42 浏览次数:0来源:张忠仇,李克锐( 郑州机械研究所,河南,郑州,450052 )
摘 要:球化处理是生产高质量球铁件的重要环节之一。通过对国内外球化处理方法的介绍和分析,提出应按照球化剂种类、铸件大小,产量规模、生产方法和环保等条件选择最合适的球化处理方法,逐步改变我国大多数工厂只采用冲入法球化处理的状况。
关键词:球墨铸铁;球化处理方法                       
球化处理是生产高质量球铁件的重要环节之一,我国大多数工厂只采用敞口包冲入法球化处理工艺。这种方法,球化剂烧损大、镁的回收率低,球化不稳定,特别是镁光烟雾,造成铸造车间环境污染。人们也在寻求别的途径进行球化处理,如盖包、转包、喂线等等。某些工厂经过摸索,积累了很好的经验,不断改进,取得很好效果,但也有相当一部分工厂,由于没有掌握要领,采用新方法出现了这样那样的问题,又重新采用冲入法处理。全国铸铁及熔炼专委会在征求部分专家的意见后,认为有必要在第八届学术会议上展开重点研讨。
1、铸铁石墨球化有关问题
自1948年英国莫勒Morrogh和美国INCO公司宣布往铸铁中加入稀土元素铈和镁获得球状石墨,并在1949年开始生产球墨铸铁以来,人们从实践中认识到,使铸铁石墨球化的元素,主要是镁,其它元素(稀土、钙、锂、锶等)在不同条件下虽也有一定的球化能力,但只是用于抑制干扰元素的影响,起辅助球化作用,过量反而会影响球墨的圆整度,影响球化,起不良作用。
郑州机械研究所早在上世纪70~80年代就开始进行稀土、镁元素对铸铁变质作用的研究。试验表明,镁是最好的球化元素,单独用稀土处理,也能球化,但稀土元素球化效果不好、球形差,易出现各种变态石墨、白口倾向大。球化剂中含少量稀土元素能降低保证球化的残余镁量,增加石墨球数,消除干扰元素的作用和减少氧化夹杂,因此球化剂应以镁为主,辅以少量稀土。[1]国外研究工作者如Lalich[2]、Barton[3]也得出了同样的试验结果。
回顾我国球铁发展历程,过去提的“稀土镁球铁”,是在一定历史、物质和技术条件下的产物,现在更名为“镁球铁”或“镁稀土球铁”,或许更科学、更合理。
选择合适的球化处理方法实质就是研究如何提高镁的回收率,即加入最少量的镁(使球铁中含有保证球化的Mg残),获得球化率高且质量稳定的球铁,同时球化处理过程还要安全、平稳、便捷和环境友好。[4]
镁元素的物理性能列于表1。
1   镁的部分物理性能
在元素周期
表中的序数
原子量
晶格排列
熔化潜热
汽化潜热
12
24.32
紧密六
方晶格
1.73g/cm3
651
1107
0.25/.
86.3/
1254±61.8/

1 敞口包一般冲入法,高径比=2:1

 
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将镁加入铁液中会产生以下问题:
1)镁在固态铁中的溶解度非常小,在铁液中,随温度升高,碳硅含量增加,溶解度略为增加;
2)镁的沸点为1107℃,而球化处理时铁液的温度约1500℃左右,如加入纯镁,不采取安全保护措施,将会迅速汽化,形成很高蒸汽压,引起激烈的沸腾喷溅;
3)镁的密度仅为1.73g/cm2,比铁液的密度7.3g/cm3小得多,这将促使加入的镁漂浮至液面而沸腾和燃烧;
4)镁和氧有很大的亲和力,两者很易生成白烟状的MgO,会污染铸造车间的空气;
5)一部分Mg与S生成MgS;MgO往往与来自铁液和包衬耐火材料中的SiO2生成MgSiO3;这些氧化物/硅酸盐/硫化物混合在一起在铁液表面生成一层粘膜,或形成固体状的夹杂物。
这些夹杂物如未被彻底清除,有可能进入铸件形成夹渣缺陷,成为球铁件报废的主要原因之一。
生产中,以镁回收率(Mg回收率,%)来表示球化处理的效果:
Mg回收率很大程度上取决于球化方法;一般随处理温度提高而下降;受处理包的设计和维护以及球化剂(镁合金)的选择影响较大。
2、国内外球化处理方法介绍[5][6][7]
2.1 包内冲入法
2.1.1 敞口包一般冲入法
这种方法在早期应用比较广泛,国外较多使用Ni-Mg合金,密度比纯镁大得多,如含Mg 10%Ni-Mg合金密度约可达8.1g/cm3。将这种合金置于包底凹坑内,迅速冲入铁液,合金不会上漂。适用生产高镍奥氏体球铁(如排气管、增压器等铸件)。国内处理包高径比H:D一般较小,约为1.2,现逐渐要求1.5,但也比国外小。此外,国内球化剂大多为镁稀土硅铁,密度较小,所以这种不加覆盖剂的方法基本不用。
2.1.2 夹层覆盖冲入法(Sardwich, 三明治法)
在包底凹坑装入球化剂上再覆盖一定数量的球铁、废钢、铁屑、硅铁(有时还加入碳化钙)压实,最上面再盖一块预先浇铸的铁板,覆盖一夹层,所谓的Sandwich,三明治法(见图2),可以延缓镁合金的反应(几秒~十几秒),使冲入的铁液有一定高度,建立一个压头后才起反应,使镁蒸气上升过程中尽量被铁液吸收,减小反应激烈程度,提高镁的回收率。
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球化剂密度增大,处理温度适当降低,均可以提高镁的回收率,国外的试验结果见图3。
这种方法在国内被广泛应用,由于国内的球化剂多采用镁稀土硅铁,密度较小,一些工厂要求球化处理包撇渣后直接浇注,铁水包高径比也较小(<1.5),镁反应比较激烈,镁的回收率较低,且不稳定,镁光烟雾大,劳动条件差。不少企业寻求新的处理方法。
2.2 盖包法
这是上世纪70~80年代,随着球铁生产工业应用的迅速扩大,不断改进发展起来的。
在有合金覆盖夹层的铁液包上端放上一个带浇口杯或中间包的包盖,并使进铁液口错开装合金的凹坑180°。
盖包的好处:
1)由于盖上包盖后,包中来自空气的有氧空间容积得到有效限制,减少了Mg的氧化烧损,使镁回收率显著提高。
2)球化剂加入量减少,节省铸造成本。图4是国外用含Mg 5%的MgFeSi合金在同样试验条件下,盖包法处理与其它方法(敞口包冲入法、敞口包+凹坑、Sandwich法)处理时Mg合金加入量的比较。
3)MgO白烟量减少和被限制在包中,显著地改善铸造车间和周围的大气环境(在国外许多环保管理部门建议和主张铸造厂采用这种方法)。
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4)使用包盖能改善保温条件,减少处理过程中铁液温度下降。但盖包法处理出铁时因看不到液面变化,需有铁液称量装置。
2.2.1 带活动盖的盖包
图5是带活动盖的盖包,处理前需打开包盖,加球化剂,合盖,冲入铁液球化处理,处理完毕,又需打开包盖,扒渣、出铁、浇注。操作比较麻烦,但如配有合适的机械或起吊装置,经过一段时间的磨合,也能熟练掌握。图6是焦作固德公司带活动包盖的盖包的一种形式。
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2.2.2 带固定盖的盖包 
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图7是包盖固定的形式,要求用于原铁液含S较低,处理温度较高,处理后渣量极少的条件,河南欧迪艾铸造公司采用这种工艺。
8是盖包球化处理烟雾减轻的情况。
9是河南欧迪艾铸造公司采用的盖包法与一般冲入法球化处理比较,烟雾大大减轻。
2.2.3 包底双凹坑活动盖盖包
这是一种改进形式(图10)。双凹坑轮流使用球化剂室,可以防止合金粘底、粘渣、保持凹坑清洁,适合连续作业。
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2.2.4 茶壶嘴盖包
这是撤渣能力好的盖包形式(图11),但包子制造维修麻烦。单嘴茶壶盖包的壶嘴,兼作注入原铁液和倾出处理后的铁液两用,双嘴茶壶盖包(图12),装合金的门设在包盖中间,包底装合金的凹坑也在中间,原铁液从一个嘴流入,处理完的铁液从另一个嘴流出。
 

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2.3 多孔塞(通气搅拌)法
多孔塞法是铁液流入包子,处理合金经过放在包子上方的漏斗加入包内,在包底安装耐火砖多孔塞,通入N2气或其它惰性气体,产生搅拌和对流的处理方法(见图13)。
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这方法较多用于酸性冲天炉熔炼,原铁液含S较高,需要脱S的场合。先加入CaC2脱S,扒渣后,再加入FeSiMg或其它Mg合金球化处理。该方法需要通入冷的N2气约1~几分钟,铁液温降较大;并增加多孔塞维护和更换成本。通过气体搅拌,镁的回收率一般。因此目前应用逐渐减少。但对于用低Mg、高RE合金处理蠕墨铸铁,通过不断搅动铁液,增加稀土和镁的吸收,应该说还是一种较好的方法。
2.4 钟罩法
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钟罩法球化处理(见图14,图15),适用于纯镁(切成小块)作为球化剂。它需要有一个耐火材料制成的钟罩和相当重量的包盖,以便承受内装镁块的钟罩由压杆压入铁液液面下时快速和激烈的镁反应过程产生上浮的压力。为了减缓纯镁的反应激烈程度,有时将镁块外涂一层耐火涂料或 采用含Mg 40%的镁合金,或采用浸镁的焦碳(镁焦),目的是为了提高镁的回收率。
        钟罩法处理要求车间采取必要的安全防护措施,一般需要在车间设一个有防喷溅防护墙 的专门的处理室内进行。钟罩法适用于酸性冲天炉熔化含S较高的铁液;脱S和球化同时进行的场合,早期一些大量生产球铁管的工厂采用较多。
2.5 压力加镁法
    此法为对钟罩压入法的改进。处理时采用能承受10个大气压左右的密封包,由镁金属沸腾产生的镁蒸气自建压力,或是由外部通入惰性气体建立压力。此法适合纯镁处理,工艺稳定,镁吸收率高,但密封包结构复杂,操作要求高,稍有不慎就会出安全事故。图16是一种压力加镁包的示意图。[8]
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2.5 转包法
1967年,GF公司设计和应用镁转包法球化处理。将一定数量的镁块放入带耐火隔板砖的反应室,同时可附带一些稀土和合金元素,往转包中注入一定量的铁液后盖上盖子,转包转动90°,使铁液与镁块作用约30秒,转包中已处理的铁液倾注入浇包,同进进行孕育。
与其它纯镁处理法一样,转包法可以处理高硫的原铁液,无需预脱硫,伴随迅速脱氧脱硫并球化,Mg回收率可高达50%。转包法处理生产效率很高,一般3~4次/h。据了解,目前国内芜湖新兴铸管公司和昆山某外资企业等单位采用转包法球化处理。
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17是转包法球化处理的示意图。
2.6 喂线法
喂线法多年来被广泛用于钢铁工业加B、V、Nb等合金元素,以后逐渐在铸铁行业被用于球化处理。国内外有专门标准规格的球化芯线商品供应,一般芯线Ф9~13mm,将球化剂(颗粒状镁粒或镁合金混合物)用带钢包裹制成芯线成卷供应,每卷长达几千米,重约1吨。根据需要,芯线中可以包含孕育剂和其它合金元素。芯线绕在盘上,由喂线机喂入包底铁液不断反应球化,图18是喂线法球化处理工艺示意图。
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众所周知,球化剂加入量多少与需处理的铁液重量、温度和原硫有关,而喂线法的优点是它可以根据上述因素,精确地控制芯线的长度和供线速度,烟气通过包盖上的抽烟装置排出室外。这种方法适用于小至300公斤、大至上百吨的球铁件,无论大或小的铸造厂都可用。缺点是要求带控制系统的能精确调节的喂线机,一次投资略大,而铠装芯线的价格比一般球化剂贵,所以生产成本较高。然而,芯线处理的精确控制性、灵活机动的适应性和球化工艺的稳定可靠性、球化和孕育可同时进行以及环境友好性综合评价起来,被认为是一种很有发展前途的方法。正因为它能精确控制合金的加入量,所以也适合蠕墨铸铁的生产。图19、图20示出了国外两种喂线法装置。图21是喂丝球化用于水平连铸铸铁型材的装置。  
国内哈尔滨理工大学、哈尔滨科德威冶金新材料有限责任公司、无锡永新合金球铁公司、北京正大银光公司等单位近年来一直致力于喂线法球化处理工艺的研究及装置和芯线的生产和推广,取得很多成果。东风汽车有限公司铸造二厂等单位多年来一直采用喂线法球化工艺生产,取得了非常成功的经验。洛阳中信重工机械有限公司重铸铁厂2009年10月用喂线球化处理成功地生产了90吨重的大型球铁件。2009年广西玉柴机器配件制造公司也用喂线法处理试制成功了球铁和蠕铁件。
2.7 喷吹法[9]
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喷吹法球化处理见图22。粉粒状球化剂(纯镁经钝化处理)由喷枪喷入包中铁液起反应。上世纪80年代奥地利首先开始试验,单独试验结果令人满意,但在多次作业时,特别是原铁液S>0.05%时,发现喷枪易被渣子堵塞而维修更换喷枪耐火管较为麻烦。经过多年的工艺改进,目前如图23的 喷吹球化法在新兴铸管股份有限公司用来生产球铁管。 
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现在又出现了带光电控制的喷吹型上球化槽的工艺,见图24。
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2.8 型内球化法
型内球化法是1970年英国首先研究的,有别于其它常规的包内处理创新的方法。顾名思义,型内球化法就是直接将球化剂放入铸型内进行球化处理。反应室象型芯盒,放入低Ca的均匀一致规定粒度的FeSiMg合金(含Mg4.5%及少量La),控制铁液流速,使其满足溶解率的要求。溶解率=浇注速度(kg/s)/反应室面积(mm2)。型内球化必须严格控制原铁液的S≤0.012%,保持要求合理规定的浇注温度±10℃,并要监督保证每一铸型内的FeSiMg合金的加入量及成分、粒度均匀一致。所有经过型内球化处理的铸件必须通过100%的超声速法球化检测。
这种方法一般合金加入量为1%,不必另外孕育,因为合金中的FeSi已起到了很好的延时孕育作用,Mg回收率能达到90%,通常能得高的球化率和石墨球数,没有镁衰退现象。
该方法适用于自动化程度很高的大量流水生产线,特别适合自动浇注机和气压保温炉连在一起的操作。
型内球化工艺的限制条件:一般铸件重量50kg以上很少采用;需要建立严格管理的质量控制系统,铸件需经100%无损球化检测。
该方法的缺点是每个铸件带一个反应室,使得铸件出品率(收得率)降低。
图25是反应室在直浇道底部的型内球化处理示意图。图26是反应室与浇口盆相连的形式。
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2.9 随流式(球化槽)球化法
为了克服型内球化法铸件出品率(收得率)低的问题,人们又研究将反应室移到铸型上方,耐火材料捣制成可以多次使用,即所谓的随流球化(铁液通过式球化)槽的方法,见图27。经改进,为方便加入球化剂将放合金的孔加大,并在反应室出口上方,设置扩散室,以防止球化槽内压力过高,见图28。
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也可将球化槽置于熔化炉出铁口下方,经球化的铁液注入浇包进行浇注。
型内球化在国外一些大的铸造企业已得到实际应用,在国内尚未见应用。将来如果条件成熟,也有可能会在某些大的铸造企业(如汽车铸造厂的大量流水生产线)得到应用。
3、各种球化方法的比较和选择
选择何种球化处理方法须考虑采用什么球化剂,铸件大小(处理温度高低),原铁液的含硫量,生产规模,是否连续生产,是否流水线生产等等。图29根据球化剂不同提出了供参考的球化处理方法建议。
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根据国内外生产实践,几种常用的球化处理方法综合效果对比,见表2。

2 几种球化处理方法综合效果对比
                工艺
内容
冲入法
盖包法
转包法
喂丝法
型内球化法
环境改善
较好
较好
较好
镁的回收率
较高
较高
球化衰退
及碳化物形成可能性
 
 
较大
 
较小
 
较小
 
温度损失
较小
较小
较小
处理成本
较低
较低
投资及维修成本
较低
较高
较低
对原材料及工厂工艺技术水平等方面要求
一般
较高
一般
结束语
目前国内广泛使用含Mg5~8%及少量稀土的FeSiMg合金的冲入法球化处理工艺,效果不尽如人意。这种方法包口敞开,空气中的氧与铁液及球化元素Mg的化学反应不受限制,使处理过程中产生大量烟尘、镁光,不仅汚染了环境还造成了球化剂大量烧损,致使球化剂吸收率不髙、成本增加、球化质量也难以稳定。为了节能、减排,在即将生效的绿色制造通用技术导则——铸造和“铸造行业准入条件”中,冲入法球化处理均被列入限制使用工艺。
我们建议:新上铸造项目,新建球铁生产车间——设计部门今后不再设计选用冲入法球化处理工艺;对老厂老车间应逐步通过技术改造,采用新的方法球化处理。推荐采用盖包法、喂线法等比较简单易行、投资不大、收效快的方法。有条件的企业,可以结合自身的条件从实际出发试验转包法、喷吹法、型内法和随流法等球化处理工艺,成熟以后用于生产。
 
参考文献
[1] 曾艺成,张忠仇等,“稀土、镁元素对铸铁变质作用的研究”,《铸造》,1983,№.3P14-27.
[2] M.I.Lalich, “The lnfluence of Rare Earth Element on Magnesium Treated Ductile Cast Iron”, The Metallurgy of Cast Iron, 1975, P556-582
[3] R.Barton, “Recent Development in the Production of Nodular (Spherical Graphite) Iron. ” The British Foundryman, 1977, .6.
[4] 巩济民,“等温淬火球铁(ADI)对球铁铸件的质量要求及球铁铸件的生产”,《等温淬火球墨铸铁培训教程》,全国铸造学会铸铁及熔炼专委会、ADI技术委员会,2009,10 .
[5] RIO TINTO IRON&TITANIOM INC, “The Sorolmetal Book of Ductile Iron ”.
[6] Y.S.LemerG.V.Panteleev, “Magnesium Treatments in Ductile Iron Production, Part I”, Foundry Management and Technology, Decenber 2002, P25-31.
[7] Y.S.Lemer, G.V.Panteleev, “Magnesium Treatments in Ductile Iron Production, Part ”, Foundry Management and Technology,February 2003, P24-29.
[8] 盛达,“球墨铸铁工业生产六十年的飞速发展——祝稀土在铸铁中应用六十年”,《铸造世界报》2008/11,P12~16.
[9] G.E.ElseR.H.T.Dixon“The magnesium treatment of cast iron for the production of spheroidal graphite or compacted graphite cast irons” The BRITISH FOUDRYMANJANUARY 1986, F1527, P18-23.