1、球墨铸铁的一关键环节,球化处理工艺,一.国内外球化处理工艺的研究与应用现状,球化处理生产铸态球墨铸铁的主要环节，球化处理效果直接关系着球墨铸铁件质量的好坏.目前,国内外已经成功地研究出许多球化处理方法生产球墨铸铁.从五十年代以来，球化处理经艺经历了大大小小的许多变化，大体上可划分为二个阶段:五十年代以纯镁型球化剂和压力加入法为土，从六十年代中期开始普遍应用以硅镁合金球化剂和冲入法为主的处理工艺。我国的铸造工作者更是大规模地推广,应用稀土硅镁球化剂，有力地促进了中国球铁生产的发展。冲入法工艺则由于其简便易行的特点很快在国内得到推广应用并沿用至今。随着社会的发展人们对材料的要求愈来愈高，球铁铸件要
2、向“精、强、秀、特”方向发展。在国内随着改革开放的深入，铸造生产进入市场经济，人们愈来愈迫求生产的低成本。至此，稀土镁合金球化剂和冲入法工艺的一些不足引起了人们的重视.,继此,转包法、盖包法和包芯喂线法在我国先后得到了推广和应用.现在我就生产中常见的球化处理方法作个简要介绍:(一)压力加镁法(二)冲入法(三)转包法(四)盖包法(五)包芯线喂线法,(一)压力加镁法,压力加镁法是五十外代就已经开始釆用的一种球化处理方法,它的基本原理是,当物体周围介质的压力增加时,该物质的沸腾温度相应提高,例如,当铁液表面的压力达到0.9MPa时,镁的沸腾温度提高到1400左右,若使球化处理温度略高于该温度,则镁在
3、铁液中刚刚气化,产生一定的翻腾,有利于镁的吸收,同时减少了气化烧损,因而可以有效提高镁的吸收率.对加镁处理环境施加压力有两种方法:外压式和自建压力式.,早期使用的外压式压力加镁法.是将盛满铁液的铁液包放置在具有活动密闭盖的处理室中,压紧密封盖,然后通入压缩空气或氮气,当处理室内的压力达到预定压力时,将装在密封盖上部的气缸带动着加镁的钟罩向下运动,迅速下沉到铁液的下半部,镁开始在压力下与铁液反应,反应约1.52.0min,然后提起钟罩,以适当的速度降低处理室内的压力,打开密封盖,吊出铁液.,另一种是利用镁蒸气在铁液包中自建压力的方法,球化处理时,通过钟罩把纯镁加入密封铁液包下部,镁在包内立即气化
4、,迅速产生大量的镁蒸气.此蒸气通过铁液时,一部分被铁液吸收,另一部分逸出并迅速在包内上部间隙建立起与铁液温度相应的饱和蒸气压(一般0.60.8MPa).这时镁就不再因沸腾汽化而损失了.,自建压力加镁包结构图,压力加镁法的优点是,使用纯镁进行球化处理,镁的吸收率高,可达7080;处理过程中的劳动环境较好.缺点是,高备费用比较高;操作复杂,严格;处理时间长铁液降温多;因此需要较高的出炉温度.球化处理时压力大,容易发生工伤事故.,(二)冲入法,冲入法是目前应用最为广泛的球化处理方法,冲入法使用的球化处理包有平底式,凹坑式和堤坝式三种,其结构如图1所示.,图1 冲入法铁液包的几种形式,用平底包处理铁液
5、时,对铁液包没有特殊的要求,方法最为简单.但球化处理时,球化剂最容易上浮,镁无素气化烧损严重,镁的吸收率最低,约为2030.堤坝式和凹坑式是最为常用的球化处理包,堤坝(凹坑)内的面积和坝高(凹坑深)由处理满包铁液时所需要的球化剂及覆盖材料的量而定,由于球化剂能够得到一定的紧实,球化剂起爆时间和反应速度得到适当控制,因而镁的吸收率显著高于平底包法,镁的吸收率一般为3050.为了提高球化效果,通常可以从以下几个方面进行改进,1)提高铁液包高度和直径比值,建议达到1.82.0,2)降低球化剂中的含镁量,釆用低镁合金球化剂,合金主要用来减缓铁液和镁之间反应的激烈程度以及镁蒸气的挥发速率;3)选择合理的
6、铁液温度和覆盖剂量.冲入法只能釆用合金球化剂,而不能釆用纯镁球化剂,这是因为合金球化剂比纯镁球化剂的沸点有明显提高,不会发生危险的爆炸和铁液飞溅现象.该工艺要保证铁液中残留适当含量的镁和稀土元素,并且使二者有合适的比例,这是保证球化的必要条件.,冲入法球化处理前,就将球化处理包预热到暗红色,预热的目的是减少铁液热量损失.并且防止覆盖剂下桩实较紧的合金粘结在包底.球化处理时,将球化合金堆放在预热的包底,上面覆盖硅铁合金,稍加紧实,然后再覆盖无锈铁屑,苏打等覆盖剂,铁液过高时,可盖铁板.这种方法的优点是,处理方式和设备简单,容易操作,在生产中有较大的灵活性,一般可使用含镁量较低(10)的各种合金球
7、化剂.但是该工艺在球化处理过程中镁光,烟尘非常大,劳动环境差,镁的吸收率不太高,球化剂消耗量大,球化效果及球铁性能不太稳定.目前应该改进冲入法或换用其它球化处理工艺.,(三)转包法,转包法(GF法)是近年来受到广泛注意的一种球化处理方法,其球化处理包如图2所示,该工艺使用纯镁或镁焦作球化剂,适于处理含硫量高的铁液,能使镁的硫化物,硅化物等杂质与铁液很好地分离;在大气压力下,镁与铁液反应并不十分剧烈;球化处理时铁液温度降低比较少,使用安全,镁的吸收率可达6080.,图2 转包法球化处理过程,转包法虽然有很多优点,但其设备费用较高,球化过程中与冲入法相似,也产生较大镁光和烟尘,并且转包内反应室的小
8、孔容易被铁液或熔渣堵塞,清理和保持小孔的尺寸比较麻烦,难于连续处理铁液,虽然最终残留镁量的波动范围比冲入法低,但仍不能令人满意.另外,纯镁的强脱氧作用,使晶核量减少,提高了铁液的收缩敏感度,需要用更大的冒口.,(四)盖包法,盖包法是英国铸铁研究的协会发明的,近年来在国外球铁生产中的应用日益增加.国内外甚至包括英国、瑞士、意大利、美国等欧美工业发达国家都比较普遍地用盖包法来进行球化处理.盖包法球化处理就是在堤坝式铁液包上面,附加了一个带有浇口盆、砌有耐火材料内衬的包盖,这样可使外界的气体与包内完全隔离,防止镁蒸气逸出烧损,同时增大了包内的压力.使镁的沸点得到一定的提高,减少铁液沸腾,其结构如下图
9、:,加盖铁液包示意图,盖包法球化处理时,球化合金的加入与冲入法相同,然后将包盖安放在铁液包上,并使其周边封好.出铁时,将铁液以较大液流注入包盖浇口盆内(保证铁液在盆内的高度在515mm),铁液会通过包盖一侧的注孔(注孔不得直接对准合金堆放处)流入包内.这样可使外界的气体与包内完全隔离,减少镁的氧化烧损,提高镁的吸收率(一般在6065以上),改善劳动环境.球化反应结束后,去除包盖.盖包法工艺效果与盖包注孔直径选择正确与否有着密切关系.正确的注孔直径可以达到两个目的:,(1)浇口盆中保持有一定的铁液高度;(2)铁液全部流入盖包的时间与球化反应时间相同.可按下式计算注孔直径D:式中D-注孔直径(cm
10、);W-处理铁液质量();H-包盖上浇口盆铁液的高度(cm);t-铁液流过注孔的时间(s);釆用盖包法既保留了冲入法设备简单、容易操作的优点.又克服了冲入法中镁氧化烧,损严重、吸收率、低球化剂消耗量大劳动环境差等缺点.多年来人们一直在利用盖包法的优点进行球铁生产,同时也在不断地努力克服工艺在使用中的不足之处:(1)包盖起吊困难,操作难度大;(2)在使用冲天炉连续出铁时,铁液重量难以精确量化.,盖包法可以大大减少球化剂与空气中氧的接触几率,从而可以减少镁的氧化烧损,提高镁元素的吸收率,能有效提高和稳定球化效果及球铁性能;减少球化剂的加入量,降低生成本;减少球化时的闪光和烟尘,降低对环境的污染.由
11、冲入法改为加盖法时,只需在冲入法球化包上添加一个包盖,其它和产结构和原料基本不用做任何调整,符合我国国情,容易在工厂推广.,(五)包芯线喂线法,该工艺应用于铸铁生产,国外始于上世纪80年代,(主要代替传统的脱硫方式,对铁液进行深脱硫和在球铁生产中完成球化及孕育处理,目前世界工业达国家对在铸铁件生产中应用研究包芯线喂线技术普遍开始予以重视)而国内将该技术应用于球铁的生产趋同步较晚,处于研制和开发联合阶段,需要进行大量的工艺试验和生产应用考核,加之该工艺生产成本较高,喂丝设备不过关等原因,没有被广泛釆用.用包芯线喂线法生产球铁件,简单来说就是用喂丝机将包有球化合金的包芯丝直接插到铁液中,来生产球铁
12、,一般釆用加盖包的方法,即包芯线通过盖在铁液包上面的包盖导入孔喂入铁液.其装置示意图如下图:,喂丝机可以预置喂丝速度、喂丝时间、喂丝长度等参数,整个球化处理过程可以完全自动化.进行球化处理时,用喂丝机将高镁合金包芯线连续不断地插入到加盖包内铁液的中下部,由于铁液高度的压力作用和包盖隔断空气的有效流动,加之合金包芯线是以一定的速度连续少量加入,这样,即可避免镁蒸气的瞬间大量爆发,保证高镁合金的安全加入,又可避免镁元素的大量逸出和烧损,提高镁在铁液中的吸收率.,1、铁水加镁喂线处理技术的特点,（1）反应区域内的镁蒸汽相对集中，镁蒸汽泡的分散度远不如冲入法（或称三明治法）和盖包法处理时镁蒸汽泡的分散
13、度，因此，镁蒸汽泡会在反应区域内迅速长大并聚集，并快速逸出，因此，反应强度较大，镁在铁水中的有效率较低；（2）含镁包芯线在穿过高温铁水时，包芯线内部外层或近外层中的镁由于处理铁水温度的影响达到其汽化温度而产生“过程汽化”现象，由于固态镁变成汽态镁后体积会迅速膨胀，对高温状态下强度很低的钢带形成的张力会迅速使钢带失效，,因此，钢带的实际失效时间与钢带的实际熔化时间是有一定差距的，这种差距是与处理铁水的高度、处理铁水的温度、包芯线芯剂的含镁量和包芯线芯剂中镁的形态有很大关系的；（3）镁蒸汽在包底的聚集程度和逸出数量决定了镁在铁水中的有效率。根据以上特点，铁水的喂线加镁处理必须保证使镁在处理包底区域
14、反应，并控制镁蒸汽的聚集程度，以控制其逸出数量，从而获得较高的镁在铁水中的有效率。因此，首先必须选择合适的喂线速度，使镁稳定地在包底区域与铁水进行反应，称之为最佳喂线速度；同时，要控制在不同温度下单位时间向单位铁水的加入量，以控制,镁蒸汽在包底的聚集程度，获得合理的反应强度及反应时间，控制镁蒸汽的逸出数量，从而获得稳定的处理效果。,2、铁水加镁处理的最佳喂线速度及其影响因素,最佳喂线速度的概念是：在钢带的失效时间之内，使包芯线到达包底区域与铁水的反应的喂线速度。符合下述公式：vH/t 其中：v 为最佳喂线速度；H 为处理铁水的高度，即铁水上表面至反应区域之间的高度；t 为钢带的失效时间。显然，
15、最佳喂线速度与处理铁水的高度和包芯线钢带在铁水中的失效时间有关。,在喂线加镁处理时，对于传统结构的含镁包芯线来讲，由于钢带的失效时间不是钢带在铁水中的实际熔化或溶解时间。而是在钢带的熔化或溶解之前，由于包芯线内部外层或近外层的部分镁已经产生汽化，所形成的镁蒸汽对钢带形成作用，造成钢带失效的时间提前。因此，最佳喂线速度不仅是一个与处理铁水高度 有关的参数，而且与处理铁水的温度、包芯线芯剂含镁量的高低、芯剂材料中的镁的形态和钢带的厚度都是有直接关系的。（1）处理铁水高度的影响：无论处理铁水的高度如何，包芯线都必须在其钢带失效时间之,内喂入包底，因此，处理铁水高度越高，则包芯线喂入包底所需要的喂线速
16、度越大，这是最佳喂线速度的主要影响因素。（2）处理铁水温度的影响：处理铁水的温度对喂线速度的影响是通过包芯线芯剂中镁的“过程汽化”产生镁蒸汽对钢带的破坏造成钢带失效时间的提前幅度大小而影响含镁包芯线的包底喂线速度的。处理铁水的温度越高，则包芯线芯剂材料的“过程汽化层”越厚，产生的镁蒸汽的时间越早，则致使钢带失效的时间越早，则包芯线喂入包底的喂线速度越大；（3）包芯线芯剂含镁量高低的影响：当其它条件不变时，包芯线芯剂中镁合金的含镁百分比,提高时，含镁合金的熔点就会降低，这样包芯线粉料层的“过程汽化层”产生镁蒸汽的时间提前，形成使钢带失效的镁蒸汽量的时间就会提前，从而导致钢带失效的时间提前，因此，
17、当包芯线含镁合金的百分比提高时，包芯线喂入包底的喂线速度就需要相应提高。（4）包芯线芯剂中镁所处形态的影响：当其它条件不变时，如果包芯线中的含镁材料由硅镁合金颗粒变成纯镁颗粒与硅基合金颗粒的混合物，虽然，包芯线在铁水中各层物料的温度分布没有发生改变，但由于纯镁颗粒的熔点仅为650左右，包芯线粉料层的“过程汽化层”达到纯镁颗粒熔点的时间就会大幅度提前，一旦纯镁颗粒熔化变为镁液，就会迅速向其周围的合金颗粒间隙中渗透，合金颗粒层的导热能力就会迅速,提高，加速镁的熔化和汽化过程，致使“过程汽化层”迅速扩大，并迅速到达镁的汽化点，致使钢带的失效时间大幅度提前。这种倾向会随着包芯线中含镁比例的提高而增大，
18、这就是纯镁混制芯剂包芯线与硅基高镁合金包芯线在镁反应状态及镁的有效率上产生巨大差距的原因所在！（5）包芯线钢带厚度的影响：包芯线的钢带越厚，其理论的熔化时间就越长，当其它条件不变时，则导致钢带失效的时间就会延长，最佳喂线速度就会相应降低；另外，钢带质量如微裂纹、夹杂物、厚度偏差造成的钢带在高温时出现的薄弱环节的缺陷和喂线系统的结构不合理造成喂线过程中对包芯线钢带的伤害所形成的钢带在高温时出现的薄弱环节，都会因为镁的“过程汽化”现象，造成钢带过早失效。,3、影响喂线球化效果的主要因素,（1）包芯线进入铁液时的入射角（以下简称入射角）图5显示，由于导管的弯曲，使含镁包芯线在导管内不能沿直线运行，导
19、致其在进入铁水时与竖直方向有一个入射角a，由于铁水的浮力，导致其不能竖直进入铁水，不能实现稳定的包底区域反应，这样将会导致镁的有效率不稳定，严重时会造成球化不良甚至报废。,图5 包芯线进入铁水时的入射角,入射角对球化效果的影响是与铁水深度有关系的，显然，铁水深度越深，则入射角的影响就越大。（2）喂线速度 若喂丝速度太快,不但包芯线到达包底来不及熔化折断漂浮,而且球反应也十分剧烈,容易造成镁吸收率低,球化效果差.若喂丝速度太慢,则包芯线未达到包底就开始发生球化发应,容易造成包底部分铁液不球化,浇注末期的铸件报废,图6 表明，包芯线的喂线速度太快或太慢都会导致包芯线中的镁与铁水的反应区域不在铁水包
20、的底部，当反应区域与包底间的距离增加到一定程度时，则出现“死铁水区”，即铁水未参预反应的区域。只有喂线速度合适时，包芯线中的镁才能在包底区域与铁水进行反应，这时可获得较高的镁的有效率及较好的反应状态。当喂线过程中的喂线速度波动较大时或由于喂线机的夹持力不足造成喂线过程中包芯线打滑滑而没有实现设定的喂线长度时，都会造成包芯线不在包底区域反应，造成镁的有效率的下降。,图6 包芯线在铁水中的反应区域,（3）处理铁水的温度 在单位时间向单位重量铁水的加镁量相同的条件下，处理铁水的温度越高，镁的蒸汽压就越大，钢带失效后，镁在反应区域内的聚集与逸出速度会加快，与铁液作用的时间就会变短，镁在铁水中的有效率会
21、降低，球化效果越差；处理铁水的温度越高，包芯线中的镁形成“过程汽化”现象的时间越早，钢带的失效时间越短，在喂线速度不变的前提下，镁与铁水的反应区域就越高，影响镁在铁水中的有效率；如果维持镁与铁水的反应区域不变，则需要提高单位时间向单位重量铁水的加镁量，造成反应强度提高，从而降低镁在铁水中的有效率。,（4）处理铁水高度 由于喂线加镁的反应区域相对集中，镁蒸汽泡的聚集速度较快，容易形成大的汽泡，因此，其处理效果取决于镁蒸汽泡与铁水的接触面积和接触时间。在一定温度下，镁在铁水或钢水中的反应状态取决于镁反应时的蒸汽分压与铁水的静压强之差P，该值越小，反应就越平稳，镁的有效率会越高。式中 PE 为镁在铁
22、水或钢水中的蒸汽分压，PP 为铁水对镁汽泡的静压强,（5）铁水柱的有效高径比 我们知道处理铁水高度对球化处理效果有重要的影响，铁水柱的有效高径比则仅涉及到铁水柱直径对处理效果的影响问题。显然，这仅仅是一个与反应区域直径大小有关的问题，其临界条件是只要镁与铁水反应的区域和反应强度对铁水造成的搅拌程度满足铁水柱的直径大小即可，目前铸造厂应用的处理包是完全满足上述条件的。反应区域的大小取决于单位时间向铁水中的加镁量大小，单位时间向铁水中的加镁量大，则镁与铁水的反应区域大，反之亦然。,唯一的区别就是：通过包芯线单位长度含镁量的调整满足不同直径铁水包的反应区域要求，会造成处理成本上的一些差异。（6）原铁
23、水硫含量（7）包芯线钢带厚度,(四)铁水加镁喂线处理技术的优点,铁水加镁喂线处理技术的优点：1）含硫高达0.09%的铁水可不经过脱硫预处理而一步进行球化处理，且终硫水平依据处理铁水的质量不同可控制在0.0100.018的范围内；2）处理铁水的重量可从200 公斤包到40 吨/包 3）为避免球化衰退现象，处理站系统可尽量设置在靠近浇注工位的位置；4）由于处理站具有集尘系统，因此可实现处理工位的环境友好；5）可实现由计算机控制的镁线自动喂入，从而精确控制加镁量；,6）精确控制、调整残镁量，重现性好；7）合金（包芯线）加入量少，产生的渣量小，铁液纯净度高；8）节约球化、孕育处理过程中的劳动力；9）由于球化过程不受人为因素影响，因此处理过程的稳定性好。简而言之,用包芯线喂线法处理球铁的优点是:脱硫脱氧效果好,镁的吸收率高;渣量少,渣的碱度高;减少了处理过程的烟尘和镁光;可以实现自动化作业,因此,喂丝工艺是很有发展前景的,目前在铸管行业得到了很好的应用.,
