新型回轉(zhuǎn)純鎂球化澆注包的研制與應(yīng)用

符 堅(jiān)，李從發(fā)，符寒光

（1.桃江新興管件有限責(zé)任公司，湖南桃江 413400；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

新型回轉(zhuǎn)純鎂球化澆注包的研制與應(yīng)用

符 堅(jiān)1，李從發(fā)1，符寒光2

（1.桃江新興管件有限責(zé)任公司，湖南桃江 413400；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

針對常用鐵液球化處理中存在的問題，開發(fā)成功了新型回轉(zhuǎn)純鎂球化澆注包，具有操作簡便、使用安全、鎂利用率高和鐵液球化效果好等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于規(guī)模化制備球墨鑄鐵管件。

球墨鑄鐵；球化處理；回轉(zhuǎn)澆注包

1 前言

球墨鑄鐵件的生產(chǎn)過程中，鐵液的球化處理是極其重要的環(huán)節(jié)，也是從球墨鑄鐵發(fā)明以來鑄造工作者一直在研究和改進(jìn)的內(nèi)容，當(dāng)前在國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的球化方法是沖入法和喂絲法[1,2]。轉(zhuǎn)包純鎂球化方法在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較為普遍。

轉(zhuǎn)包純鎂球化工藝和其他球化工藝相比顯示出明顯的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢,用純鎂作球化劑，可以大幅度地降低球化劑的加入量，減少球化過程中產(chǎn)生的非金屬夾雜物，明顯地提高鐵液的純凈度，同時(shí)也可以大大地降低球化成本；原鐵液的含硫量可以高達(dá)0.2%，不影響球化效果，脫硫和球化可同時(shí)進(jìn)行，無需預(yù)先脫硫；處理過程安全平穩(wěn)，溫度損失小（約40℃）；鎂的吸收率可高達(dá)60%，不會(huì)帶入硅，可以靈活地控制硅含量。

2 鐵液球化處理現(xiàn)狀

桃江新興管件有限責(zé)任公司的球墨鑄鐵管件基地，采用沖天爐和保溫爐雙聯(lián)熔煉工藝，主要原材料為生鐵，硫含量在0.03%～0.06%，經(jīng)過沖天爐熔化后達(dá)0.05%～0.07%，由于3噸沖天爐單位時(shí)間內(nèi)出鐵量小，且出鐵溫度不高（1380℃～1400℃），爐外脫硫效果不明顯，因此球化處理的原鐵液硫含量偏高。

采用沖入式－蓋包法球化處理工藝，鐵液包是凹坑式鐵液包，高徑比為1：1.5，最大容量1t，球化處理時(shí)先把球化劑加入鐵液包凹坑內(nèi)，再加入硅鐵，覆蓋在球化劑上，最后再撒入適量的覆蓋劑和鐵屑搗實(shí)，出鐵時(shí)在鐵液包上安裝帶有澆口盆的一個(gè)密封蓋。

球化劑采用鋇鎂球化劑，其成份鎂：7%～8%，硅：40%～42%，鋇：2%～3%，鈣：4%～5%，粒度：15mm～40mm，加入比為1.8%～2.0%，硅鐵是本地生產(chǎn)的75硅鐵，粒度15mm～40mm，出鐵溫度1520℃～1540℃，鎂的吸收率約為55%。

3 轉(zhuǎn)包純鎂球化處理工藝原理

（1）純鎂球化劑的應(yīng)用

純鎂球化劑和其他球化劑相比，球化能力強(qiáng)，石墨圓整度好，采用適當(dāng)?shù)募渔V方法，消耗量少，生產(chǎn)成本低。鎂的質(zhì)量密度為1.74g/cm3，沸點(diǎn)1107℃，在1500℃時(shí)鎂的蒸汽壓力為1420MPa。鎂在常壓下，加入鐵液會(huì)迅速蒸發(fā)，引起鐵液爆炸飛濺及煙塵鎂光，吸收率低，所以必須采用特殊的球化處理方法控制鎂的反應(yīng)速度。

壓力加鎂法、插入法和轉(zhuǎn)包法都可以用純鎂作球化劑，其中轉(zhuǎn)包球化工藝最為理想，但目前國內(nèi)只是進(jìn)行了大量的工藝試驗(yàn)并沒有在大規(guī)模的生產(chǎn)過程中應(yīng)用，如中國農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院曾在洛陽一拖進(jìn)行過大量工藝攻關(guān)試驗(yàn)。

（2）轉(zhuǎn)包工藝原理

純鎂在轉(zhuǎn)包的反應(yīng)室中進(jìn)行球化處理的方法簡稱G－F轉(zhuǎn)包法。球化處理前，將金屬鎂加入在轉(zhuǎn)包上部由一塊隔板形成的反應(yīng)室中，定量的鐵液不會(huì)與反應(yīng)室內(nèi)的鎂發(fā)生反應(yīng)。球化處理時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)包體使鐵液液面垂直壓在反應(yīng)室上，這時(shí)鐵液通過隔板的反應(yīng)孔進(jìn)入反應(yīng)室與鎂發(fā)生作用，使反應(yīng)室內(nèi)的鎂發(fā)生氣化形成鎂蒸汽壓力，當(dāng)鎂蒸汽壓力大于鐵液的靜壓力時(shí)，鎂蒸汽開始從反應(yīng)孔逸出進(jìn)入鐵液，在鐵液中進(jìn)行脫硫和球化反應(yīng)，鎂蒸汽逸出后壓力下降，等新鐵液進(jìn)入反應(yīng)室給純鎂加熱再一次使鎂蒸汽壓力提高至大于鐵液的靜壓力后逸出反應(yīng)，就這樣壓力平衡不斷地建立不斷地打破直到鎂被全部氣化。這種自動(dòng)調(diào)節(jié)作用能使鎂平穩(wěn)地與鐵液反應(yīng)。反應(yīng)速度的快慢取決于反應(yīng)室反應(yīng)孔的大小和數(shù)量的多少。G－F轉(zhuǎn)包純鎂球化示意如圖1所示。

4 新型回轉(zhuǎn)純鎂球化澆注包方案的設(shè)計(jì)

G－F轉(zhuǎn)包純鎂球化一直在國內(nèi)得不到推廣是因?yàn)檫@種設(shè)備復(fù)雜、投資大、操作繁瑣；另外鐵液球化包和澆注包是分開的，鐵液經(jīng)純鎂球化后還要倒入澆注包內(nèi)方可澆注，鐵液溫度損失大。為了克服G－F轉(zhuǎn)包純鎂球化工藝存在的問題，桃江新興管件有限責(zé)任公司經(jīng)過多次試驗(yàn)和改進(jìn)，成功研制出新型回轉(zhuǎn)純鎂球化澆注包及澆注工藝[3]。這種新型回轉(zhuǎn)球化包設(shè)備簡單、投資少，球化和澆注在同一鐵液包內(nèi)進(jìn)行，操作簡單、方便靈活，適合大規(guī)模連續(xù)使用。新型回轉(zhuǎn)包設(shè)計(jì)如圖2、圖3所示。

5 轉(zhuǎn)包球化工藝的試驗(yàn)與應(yīng)用

5.1 主要材料

包體耐火材料選用Al2O3－SiC－C搗打料；反應(yīng)室隔板采用自制Al－C質(zhì)功能耐火材料；金屬鎂選擇純度為99.9%、質(zhì)量為100g的純鎂塊和純度為92%～95%、質(zhì)量為 95g～105g的粗鎂。

5.2 轉(zhuǎn)包純鎂球化工藝的試驗(yàn)調(diào)試

（1）轉(zhuǎn)包球化工藝試驗(yàn)過程

先把純鎂放入反應(yīng)室內(nèi)，將回轉(zhuǎn)包吊到保溫爐處開始出鐵，鐵液出到定量后，測溫，把硅鐵加入包內(nèi)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)包體到反應(yīng)室位于最下部開始進(jìn)行球化反應(yīng)，反應(yīng)后測溫扒渣取樣，澆注時(shí)進(jìn)行隨流孕育，取回鐵液光譜與三角試樣。隨鑄件一起澆注Y型試塊，鑄件出箱后將Y型試塊加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉力試棒，進(jìn)行機(jī)械性能測試和金相分析，Y型試塊和標(biāo)準(zhǔn)試棒見圖4。

（2）反應(yīng)孔數(shù)量與孔徑的確定

在1450℃～1530℃溫度下進(jìn)行試驗(yàn)以確保球化后的鐵液溫度滿足工藝要求。當(dāng)反應(yīng)孔徑小或孔少時(shí)，反應(yīng)時(shí)間長，鐵液降溫大且小孔容易被球化渣堵塞，清理困難；當(dāng)反應(yīng)孔徑大或孔多時(shí)，反應(yīng)時(shí)間短，鎂的吸收率低。最終通過試驗(yàn)，根據(jù)不同的鐵液溫度和鐵液量以及采用的金屬鎂類型確定出反應(yīng)孔數(shù)為1～5個(gè)，孔徑為?16mm～?25mm。

（3）鎂加入量的確定

通過試驗(yàn)確定不同的硫含量和不同的鐵液溫度以及金屬鎂類型確定出合理的加入量為0.11%～0.15%之間，可獲得到合格的球化鐵液。

5.3 轉(zhuǎn)包純鎂球化工藝的試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)

原鐵液成份（%）：C 含量為 3.60～3.85，Si為0.60～0.95，Mn 為 0.13，P 為 0.07～0.08，S 為 0.042～0.068。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 轉(zhuǎn)包純鎂球化的化學(xué)成分

表2 轉(zhuǎn)包純鎂球化的力學(xué)性能

6 分析與討論

6.1 鎂的吸收率計(jì)算

鎂蒸汽在逸出的過程中部分與鐵液中的氧和硫發(fā)生反應(yīng)形成氧化鎂和硫化鎂，另一部分逃逸到空氣中與氧發(fā)生反應(yīng)生成氧化鎂，由于鐵液中的氧含量很少，消耗的純鎂也很少所以可以忽略不計(jì)。鎂與硫的反應(yīng)式如下：

Mg+S=MgS

其中：鎂的分子量是24，硫的分子量是32；脫掉32個(gè)硫需要24個(gè)鎂；原鐵液球化后平均含硫量從0.053%下降到0.011%減少0.042%，需要0.032%的鎂量；球化鐵液5min后平均殘鎂量是0.041%。

鎂的吸收率為：（0.032+0.041）÷0.13=56%。

6.2 球化效果

（1）球化等級(jí)：采用純鎂球化處理鐵液與普通硅鎂合金相比，球化等級(jí)提高1～2級(jí)。

（2）石墨大小：采用純鎂球化處理鐵液與普通硅鎂合金相比，石墨球明顯細(xì)小均勻，見圖5和圖6。

（3）鐵液純凈度：鎂加入到鐵液中后首先起脫硫去氧作用。它與硫氧化反應(yīng)所形成的硫化鎂、氧化鎂都是很穩(wěn)定的高熔點(diǎn)化合物，這些化合物比重小，比較容易上浮到鐵液表面去除。另外在原鐵液硫含量相同的情況下，采用純鎂球化劑的加入量遠(yuǎn)低于普通硅鎂球化劑，由此在球化反應(yīng)過程中形成的非金屬夾雜也大大減少，鐵液中的非金屬渣相應(yīng)地減少。因此鐵液的純凈度大大提高。

（4）工藝操作性：G－F轉(zhuǎn)包既有電器控制系統(tǒng)又有液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，球化處理完成后還要進(jìn)行倒包才能去澆注，設(shè)備復(fù)雜，操作麻煩，倒包時(shí)又增加一次鐵液降溫，而新型純鎂回轉(zhuǎn)球化澆注包，鐵液進(jìn)入回轉(zhuǎn)包后，操作工可以輕松自如地轉(zhuǎn)動(dòng)包體，進(jìn)行球化處理，反應(yīng)結(jié)束后即可澆注無需再一次倒包，減少了降溫。

（5）鐵液溫度損失：新型純鎂回轉(zhuǎn)球化澆注包不僅球化時(shí)降溫少，在澆注的過程中降溫更少，因普通球化澆注鐵液包呈錐體形，上口大且在澆注的過程中鐵液表面難以遮蓋，高溫鐵液輻射溫降大；而新型回轉(zhuǎn)包的澆注口在包的側(cè)面且出鐵口很小，約是普通球化澆注包的1/10，所以澆注過程中降溫要比普通澆包小的多。桃江新興管件公司普通澆注包和新型回轉(zhuǎn)包溫度損失對比見圖7。

（6）經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算：在原鐵液含硫量相同的情況下（硫含量0.05%～0.06%），桃江新興管件有限責(zé)任公司兩種球化處理工藝生產(chǎn)成本如下表3、表4。

表3 蓋包－沖入法

表4 轉(zhuǎn)包純鎂法

由表可知，采用純鎂球化處理鐵液，每噸球化鐵液可以節(jié)約成本189.2元。

6.3 存在問題及改進(jìn)方向

（1）采用新型純鎂球化澆注包處理鐵液時(shí)，產(chǎn)生較大的鎂光和煙塵，為此，需在鐵液承接口設(shè)置活動(dòng)蓋板，并定點(diǎn)球化處理，集中收塵。

（2）由于純鎂球化處理鐵液過程中，不會(huì)帶入硅，導(dǎo)致鐵液孕育量增大，同時(shí)采用純鎂球化時(shí)石墨漂浮碳當(dāng)量的臨界點(diǎn)降低，為了保證更好的機(jī)械性能，必須選擇更加合理的原鐵液成分以及更加合適的孕育劑及孕育方法。

（3）為適用于大批量連續(xù)生產(chǎn)，需選用使用壽命更長、操作更方便的反應(yīng)室耐火材料和反應(yīng)室結(jié)構(gòu)。

（4）根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，國內(nèi)原生鐵含反球化元素較高，當(dāng)反球化元素總量超過0.1%時(shí)（原鐵液中反球化元素的允許含量如下：銻0.002%,鉍0.002%,鉛 0.002%,硒 0.03%,鈦 0.07%,碲 0.02%），影響純鎂球化效果。但通過試驗(yàn)及批量生產(chǎn)目前未表現(xiàn)出反球化元素干擾現(xiàn)象，可能與我公司生產(chǎn)的生鐵成分有關(guān)（鈦0.055%左右、鉛0.004%左右、硒0.0009左右%，其余微量）,因此反球化元素對純鎂球化效果的影響有待進(jìn)一步試驗(yàn)探索。

7 結(jié)論

新型轉(zhuǎn)包純鎂球化工藝比G－F轉(zhuǎn)包操作簡單方便，可以安全平穩(wěn)地完成球化處理過程，純鎂的吸收率高達(dá)56%，球化后澆注過程中溫度損失比普通澆注包減少30℃～50℃，球化后的鑄件球化率和石墨等級(jí)比沖入法硅鎂合金球化有所提高，桃江新興管件有限責(zé)任公司采用純鎂球化工藝與原球化工藝相比，每噸鐵液可降低成本180元以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

[1]侯樂干，吳荷生，劉睦坤,等.喂線法與沖入法生產(chǎn)排氣歧管的球化處理工藝對比[J].機(jī)械工程師,2006(5):74－76.

[2]殷作虎，王小偉，趙洪舉,等.喂絲球化處理技術(shù)進(jìn)展及問題對策[J].現(xiàn)代鑄鐵，2010(2):22－27.

[3]符堅(jiān)，李叢發(fā)，龔國榮.茶壺式球化包[P].中國發(fā)明專利，專利號(hào)：201010160640，2010－04－27.

Investigation and Application of New Type Pure Magnesium Rotary Spheroidization Pouring Ladle

FU Jian1,LI CongFa1,FU HanGuang2
（1.Taojiang Xinxing Pipe Co.Ltd.,Taojiang 413400,Hunan China；2.Beijing University of Technology,Beijing 100124,Beijing China）

Aiming at the problem existed in the common spheroidization of molten iron,a new rotary pure magnesium casting ladle has been successfully developed with advantages of simple operation,safe use,high utilization ratio of magnesium and good spheroidization effect and successfully applied to large scale preparation of ductile iron pipe fittings.

Spheroidal graphite cast iron;Spheroidizing treatment;Rotary pouring ladle

TG232.7;

A；

1006－9658（2012）04－0045-5

2012－04－20

稿件編號(hào)：1204－043

符堅(jiān)（1963－），男，碩士，主要從事先進(jìn)鑄造技術(shù)研究