幾種球化處理比較

1、各種球化處理方法述評發(fā)布時間：2012-06-26 07:01:42 瀏覽次數(shù)：217來源：張忠仇，李克銳( 鄭州機(jī)械研究所，河南，鄭州，450052 )摘 要：球化處理是生產(chǎn)高質(zhì)量球鐵件的重要環(huán)節(jié)之一。通過對國內(nèi)外球化處理方法的介紹和分析，提出應(yīng)按照球化劑種類、鑄件大小，產(chǎn)量規(guī)模、生產(chǎn)方法和環(huán)保等條件選擇最合適的球化處理方法，逐步改變我國大多數(shù)工廠只采用沖入法球化處理的狀況。關(guān)鍵詞：球墨鑄鐵；球化處理方法 球化處理是生產(chǎn)高質(zhì)量球鐵件的重要環(huán)節(jié)之一，我國大多數(shù)工廠只采用敞口包沖入法球化處理工藝。這種方法，球化劑燒損大、鎂的回收率低，球化不穩(wěn)定，特別是鎂光煙霧，造成鑄造車間環(huán)境污染。人們也在尋求

2、別的途徑進(jìn)行球化處理，如蓋包、轉(zhuǎn)包、喂線等等。某些工廠經(jīng)過摸索，積累了很好的經(jīng)驗，不斷改進(jìn)，取得很好效果，但也有相當(dāng)一部分工廠，由于沒有掌握要領(lǐng)，采用新方法出現(xiàn)了這樣那樣的問題，又重新采用沖入法處理。全國鑄鐵及熔煉專委會在征求部分專家的意見后，認(rèn)為有必要在第八屆學(xué)術(shù)會議上展開重點研討。1、鑄鐵石墨球化有關(guān)問題自1948年英國莫勒Morrogh和美國INCO公司宣布往鑄鐵中加入稀土元素鈰和鎂獲得球狀石墨，并在1949年開始生產(chǎn)球墨鑄鐵以來，人們從實踐中認(rèn)識到，使鑄鐵石墨球化的元素，主要是鎂，其它元素（稀土、鈣、鋰、鍶等）在不同條件下雖也有一定的球化能力，但只是用于抑制干擾元素的影響，起輔助球化作

3、用，過量反而會影響球墨的圓整度，影響球化，起不良作用。鄭州機(jī)械研究所早在上世紀(jì)7080年代就開始進(jìn)行稀土、鎂元素對鑄鐵變質(zhì)作用的研究。試驗表明，鎂是最好的球化元素，單獨用稀土處理，也能球化，但稀土元素球化效果不好、球形差，易出現(xiàn)各種變態(tài)石墨、白口傾向大。球化劑中含少量稀土元素能降低保證球化的殘余鎂量，增加石墨球數(shù)，消除干擾元素的作用和減少氧化夾雜，因此球化劑應(yīng)以鎂為主，輔以少量稀土。1國外研究工作者如Lalich2、Barton3也得出了同樣的試驗結(jié)果?；仡櫸覈蜩F發(fā)展歷程，過去提的“稀土鎂球鐵”，是在一定歷史、物質(zhì)和技術(shù)條件下的產(chǎn)物，現(xiàn)在更名為“鎂球鐵”或“鎂稀土球鐵”，或許更科學(xué)、更合理。

4、選擇合適的球化處理方法實質(zhì)就是研究如何提高鎂的回收率，即加入最少量的鎂（使球鐵中含有保證球化的Mg殘），獲得球化率高且質(zhì)量穩(wěn)定的球鐵，同時球化處理過程還要安全、平穩(wěn)、便捷和環(huán)境友好。4鎂元素的物理性能列于表1。表1 鎂的部分物理性能在元素周期表中的序數(shù)原子量晶格排列密度熔點沸點比熱熔化潛熱汽化潛熱1224.32緊密六方晶格1.73g/cm365111070.25卡/克.86.3卡/克1254±61.8卡/克圖1 敞口包一般沖入法,高徑比=2:1 將鎂加入鐵液中會產(chǎn)生以下問題： 1）鎂在固態(tài)鐵中的溶解度非常小，在鐵液中，隨溫度升高，碳硅含量增加，溶解度略為增加；2）鎂的沸點為1107，

5、而球化處理時鐵液的溫度約1500左右，如加入純鎂，不采取安全保護(hù)措施，將會迅速汽化，形成很高蒸汽壓，引起激烈的沸騰噴濺；3）鎂的密度僅為1.73g/cm2，比鐵液的密度7.3g/cm3小得多，這將促使加入的鎂漂浮至液面而沸騰和燃燒；4）鎂和氧有很大的親和力，兩者很易生成白煙狀的MgO，會污染鑄造車間的空氣；5）一部分Mg與S生成MgS；MgO往往與來自鐵液和包襯耐火材料中的SiO2生成MgSiO3；這些氧化物/硅酸鹽/硫化物混合在一起在鐵液表面生成一層粘膜，或形成固體狀的夾雜物。這些夾雜物如未被徹底清除，有可能進(jìn)入鑄件形成夾渣缺陷，成為球鐵件報廢的主要原因之一。生產(chǎn)中，以鎂回收率（Mg回收率，

6、%）來表示球化處理的效果：Mg回收率很大程度上取決于球化方法；一般隨處理溫度提高而下降；受處理包的設(shè)計和維護(hù)以及球化劑（鎂合金）的選擇影響較大。2、國內(nèi)外球化處理方法介紹5、6、72.1 包內(nèi)沖入法2.1.1 敞口包一般沖入法這種方法在早期應(yīng)用比較廣泛，國外較多使用Ni-Mg合金，密度比純鎂大得多，如含Mg 10%的Ni-Mg合金密度約可達(dá)8.1g/cm3。將這種合金置于包底凹坑內(nèi)，迅速沖入鐵液，合金不會上漂。適用生產(chǎn)高鎳奧氏體球鐵（如排氣管、增壓器等鑄件）。國內(nèi)處理包高徑比H:D一般較小，約為1.2，現(xiàn)逐漸要求1.5，但也比國外小。此外，國內(nèi)球化劑大多為鎂稀土硅鐵，密度較小，所以這種不加覆蓋

7、劑的方法基本不用。2.1.2 夾層覆蓋沖入法（Sardwich, 三明治法）在包底凹坑裝入球化劑上再覆蓋一定數(shù)量的球鐵、廢鋼、鐵屑、硅鐵（有時還加入碳化鈣）壓實，最上面再蓋一塊預(yù)先澆鑄的鐵板，覆蓋一夾層，所謂的Sandwich，三明治法（見圖2），可以延緩鎂合金的反應(yīng)（幾秒十幾秒），使沖入的鐵液有一定高度，建立一個壓頭后才起反應(yīng)，使鎂蒸氣上升過程中盡量被鐵液吸收，減小反應(yīng)激烈程度，提高鎂的回收率。球化劑密度增大，處理溫度適當(dāng)降低，均可以提高鎂的回收率，國外的試驗結(jié)果見圖3。這種方法在國內(nèi)被廣泛應(yīng)用，由于國內(nèi)的球化劑多采用鎂稀土硅鐵，密度較小，一些工廠要求球化處理包撇渣后直接澆注，鐵水包高徑比也

8、較小（1.5），鎂反應(yīng)比較激烈，鎂的回收率較低，且不穩(wěn)定，鎂光煙霧大，勞動條件差。不少企業(yè)尋求新的處理方法。2.2 蓋包法這是上世紀(jì)7080年代，隨著球鐵生產(chǎn)工業(yè)應(yīng)用的迅速擴(kuò)大，不斷改進(jìn)發(fā)展起來的。在有合金覆蓋夾層的鐵液包上端放上一個帶澆口杯或中間包的包蓋，并使進(jìn)鐵液口錯開裝合金的凹坑180°。蓋包的好處：1）由于蓋上包蓋后，包中來自空氣的有氧空間容積得到有效限制，減少了Mg的氧化燒損，使鎂回收率顯著提高。2）球化劑加入量減少，節(jié)省鑄造成本。圖4是國外用含Mg 5%的MgFeSi合金在同樣試驗條件下，蓋包法處理與其它方法（敞口包沖入法、敞口包+凹坑、Sandwich法）處理時Mg合金

9、加入量的比較。3）MgO白煙量減少和被限制在包中，顯著地改善鑄造車間和周圍的大氣環(huán)境（在國外許多環(huán)保管理部門建議和主張鑄造廠采用這種方法）。 4）使用包蓋能改善保溫條件，減少處理過程中鐵液溫度下降。但蓋包法處理出鐵時因看不到液面變化，需有鐵液稱量裝置。 2.2.1 帶活動蓋的蓋包圖5是帶活動蓋的蓋包，處理前需打開包蓋，加球化劑，合蓋，沖入鐵液球化處理，處理完畢，又需打開包蓋，扒渣、出鐵、澆注。操作比較麻煩，但如配有合適的機(jī)械或起吊裝置，經(jīng)過一段時間的磨合，也能熟練掌握。圖6是焦作固德公司帶活動包蓋的蓋包的一種形式。2.2.2 帶固定蓋的蓋包 圖7是包蓋固定的形式，要求用于原鐵液含S較低，處理溫

10、度較高，處理后渣量極少的條件，河南歐迪艾鑄造公司采用這種工藝。圖8是蓋包球化處理煙霧減輕的情況。圖9是河南歐迪艾鑄造公司采用的蓋包法與一般沖入法球化處理比較，煙霧大大減輕。2.2.3 包底雙凹坑活動蓋蓋包這是一種改進(jìn)形式（圖10）。雙凹坑輪流使用球化劑室，可以防止合金粘底、粘渣、保持凹坑清潔，適合連續(xù)作業(yè)。2.2.4 茶壺嘴蓋包這是撤渣能力好的蓋包形式（圖11），但包子制造維修麻煩。單嘴茶壺蓋包的壺嘴，兼作注入原鐵液和傾出處理后的鐵液兩用，雙嘴茶壺蓋包（圖12），裝合金的門設(shè)在包蓋中間，包底裝合金的凹坑也在中間，原鐵液從一個嘴流入，處理完的鐵液從另一個嘴流出。 2.3 多孔塞（通氣攪拌）法多孔

11、塞法是鐵液流入包子，處理合金經(jīng)過放在包子上方的漏斗加入包內(nèi)，在包底安裝耐火磚多孔塞，通入N2氣或其它惰性氣體，產(chǎn)生攪拌和對流的處理方法（見圖13）。這方法較多用于酸性沖天爐熔煉，原鐵液含S較高，需要脫S的場合。先加入CaC2脫S，扒渣后，再加入FeSiMg或其它Mg合金球化處理。該方法需要通入冷的N2氣約1幾分鐘，鐵液溫降較大；并增加多孔塞維護(hù)和更換成本。通過氣體攪拌，鎂的回收率一般。因此目前應(yīng)用逐漸減少。但對于用低Mg、高RE合金處理蠕墨鑄鐵，通過不斷攪動鐵液，增加稀土和鎂的吸收，應(yīng)該說還是一種較好的方法。2.4 鐘罩法 鐘罩法球化處理（見圖14，圖15），適用于純鎂（切成小塊）作為球化劑。

12、它需要有一個耐火材料制成的鐘罩和相當(dāng)重量的包蓋，以便承受內(nèi)裝鎂塊的鐘罩由壓桿壓入鐵液液面下時快速和激烈的鎂反應(yīng)過程產(chǎn)生上浮的壓力。為了減緩純鎂的反應(yīng)激烈程度，有時將鎂塊外涂一層耐火涂料或 采用含Mg 40%的鎂合金，或采用浸鎂的焦碳（鎂焦），目的是為了提高鎂的回收率。 鐘罩法處理要求車間采取必要的安全防護(hù)措施，一般需要在車間設(shè)一個有防噴濺防護(hù)墻 的專門的處理室內(nèi)進(jìn)行。鐘罩法適用于酸性沖天爐熔化含S較高的鐵液；脫S和球化同時進(jìn)行的場合，早期一些大量生產(chǎn)球鐵管的工廠采用較多。 2.5 壓力加鎂法 此法為對鐘罩壓入法的改進(jìn)。處理時采用能承受10個大氣壓左右的密封包，由鎂金屬沸騰產(chǎn)生的鎂蒸氣自建壓力，

13、或是由外部通入惰性氣體建立壓力。此法適合純鎂處理,工藝穩(wěn)定,鎂吸收率高,但密封包結(jié)構(gòu)復(fù)雜,操作要求高,稍有不慎就會出安全事故。圖16是一種壓力加鎂包的示意圖。8 2.5 轉(zhuǎn)包法1967年，GF公司設(shè)計和應(yīng)用鎂轉(zhuǎn)包法球化處理。將一定數(shù)量的鎂塊放入帶耐火隔板磚的反應(yīng)室，同時可附帶一些稀土和合金元素，往轉(zhuǎn)包中注入一定量的鐵液后蓋上蓋子，轉(zhuǎn)包轉(zhuǎn)動90°，使鐵液與鎂塊作用約30秒，轉(zhuǎn)包中已處理的鐵液傾注入澆包，同進(jìn)進(jìn)行孕育。與其它純鎂處理法一樣，轉(zhuǎn)包法可以處理高硫的原鐵液，無需預(yù)脫硫，伴隨迅速脫氧脫硫并球化，Mg回收率可高達(dá)50%。轉(zhuǎn)包法處理生產(chǎn)效率很高，一般34次/h。據(jù)了解，目前國內(nèi)蕪湖新

14、興鑄管公司和昆山某外資企業(yè)等單位采用轉(zhuǎn)包法球化處理。圖17是轉(zhuǎn)包法球化處理的示意圖。2.6 喂線法喂線法多年來被廣泛用于鋼鐵工業(yè)加B、V、Nb等合金元素，以后逐漸在鑄鐵行業(yè)被用于球化處理。國內(nèi)外有專門標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的球化芯線商品供應(yīng)，一般芯線913mm，將球化劑（顆粒狀鎂?；蜴V合金混合物）用帶鋼包裹制成芯線成卷供應(yīng)，每卷長達(dá)幾千米,重約1噸。根據(jù)需要，芯線中可以包含孕育劑和其它合金元素。芯線繞在盤上，由喂線機(jī)喂入包底鐵液不斷反應(yīng)球化，圖18是喂線法球化處理工藝示意圖。眾所周知，球化劑加入量多少與需處理的鐵液重量、溫度和原硫有關(guān)，而喂線法的優(yōu)點是它可以根據(jù)上述因素，精確地控制芯線的長度和供線速度，煙氣

15、通過包蓋上的抽煙裝置排出室外。這種方法適用于小至300公斤、大至上百噸的球鐵件，無論大或小的鑄造廠都可用。缺點是要求帶控制系統(tǒng)的能精確調(diào)節(jié)的喂線機(jī)，一次投資略大，而鎧裝芯線的價格比一般球化劑貴，所以生產(chǎn)成本較高。然而，芯線處理的精確控制性、靈活機(jī)動的適應(yīng)性和球化工藝的穩(wěn)定可靠性、球化和孕育可同時進(jìn)行以及環(huán)境友好性綜合評價起來，被認(rèn)為是一種很有發(fā)展前途的方法。正因為它能精確控制合金的加入量，所以也適合蠕墨鑄鐵的生產(chǎn)。圖19、圖20示出了國外兩種喂線法裝置。圖21是喂絲球化用于水平連鑄鑄鐵型材的裝置。 國內(nèi)哈爾濱理工大學(xué)、哈爾濱科德威冶金新材料有限責(zé)任公司、無錫永新合金球鐵公司、北京正大銀光公司等

16、單位近年來一直致力于喂線法球化處理工藝的研究及裝置和芯線的生產(chǎn)和推廣，取得很多成果。東風(fēng)汽車有限公司鑄造二廠等單位多年來一直采用喂線法球化工藝生產(chǎn)，取得了非常成功的經(jīng)驗。洛陽中信重工機(jī)械有限公司重鑄鐵廠2009年10月用喂線球化處理成功地生產(chǎn)了90噸重的大型球鐵件。2009年廣西玉柴機(jī)器配件制造公司也用喂線法處理試制成功了球鐵和蠕鐵件。2.7 噴吹法9噴吹法球化處理見圖22。粉粒狀球化劑（純鎂經(jīng)鈍化處理）由噴槍噴入包中鐵液起反應(yīng)。上世紀(jì)80年代奧地利首先開始試驗，單獨試驗結(jié)果令人滿意，但在多次作業(yè)時，特別是原鐵液S0.05%時，發(fā)現(xiàn)噴槍易被渣子堵塞而維修更換噴槍耐火管較為麻煩。經(jīng)過多年的工藝改

17、進(jìn)，目前如圖23的 噴吹球化法在新興鑄管股份有限公司用來生產(chǎn)球鐵管。 現(xiàn)在又出現(xiàn)了帶光電控制的噴吹型上球化槽的工藝，見圖24。2.8 型內(nèi)球化法型內(nèi)球化法是1970年英國首先研究的，有別于其它常規(guī)的包內(nèi)處理創(chuàng)新的方法。顧名思義，型內(nèi)球化法就是直接將球化劑放入鑄型內(nèi)進(jìn)行球化處理。反應(yīng)室象型芯盒，放入低Ca的均勻一致規(guī)定粒度的FeSiMg合金（含Mg4.5%及少量La），控制鐵液流速，使其滿足溶解率的要求。溶解率=澆注速度（kg/s）/反應(yīng)室面積（mm2）。型內(nèi)球化必須嚴(yán)格控制原鐵液的S0.012%，保持要求合理規(guī)定的澆注溫度±10，并要監(jiān)督保證每一鑄型內(nèi)的FeSiMg合金的加入量及成分

18、、粒度均勻一致。所有經(jīng)過型內(nèi)球化處理的鑄件必須通過100%的超聲速法球化檢測。這種方法一般合金加入量為1%，不必另外孕育，因為合金中的FeSi已起到了很好的延時孕育作用，Mg回收率能達(dá)到90%，通常能得高的球化率和石墨球數(shù)，沒有鎂衰退現(xiàn)象。該方法適用于自動化程度很高的大量流水生產(chǎn)線，特別適合自動澆注機(jī)和氣壓保溫爐連在一起的操作。型內(nèi)球化工藝的限制條件：一般鑄件重量50kg以上很少采用；需要建立嚴(yán)格管理的質(zhì)量控制系統(tǒng)，鑄件需經(jīng)100%無損球化檢測。該方法的缺點是每個鑄件帶一個反應(yīng)室，使得鑄件出品率（收得率）降低。圖25是反應(yīng)室在直澆道底部的型內(nèi)球化處理示意圖。圖26是反應(yīng)室與澆口盆相連的形式。2.9 隨流式（球化槽）球化法為了克服型內(nèi)球化法鑄件出品率（收得率）低的問題，人們又研究將反應(yīng)室移到鑄型上方，耐火材料搗制成可以多次使用，即所謂的隨流球化（鐵液通過式球化）槽的方法，見圖27。經(jīng)改進(jìn)，為方便加入球化劑將放合金的孔加大，并在反應(yīng)室出口上方，設(shè)置擴(kuò)散室，以防止球化槽內(nèi)壓力過高，見圖28。也可將球化槽置于熔化爐出鐵口下方，經(jīng)球化的鐵液注入澆包進(jìn)行澆注。型內(nèi)球化在國外一些大的鑄造企業(yè)已得到實際應(yīng)用，在國內(nèi)尚未見應(yīng)用。將來如果條件成熟，也有可能會在某些大的鑄造企業(yè)（如汽車鑄造廠的大量流水生產(chǎn)線）得到應(yīng)用。3、各種球化方法的比較和選擇選擇何