氮氣保護在鑄鋼丸生產水幕造粒中的應用

趙松喬，張峰偉

（淄博大亞金屬科技股份有限公司,山東淄博 255000）

鋼丸是工業消耗材料，廣泛應用于裝備制造業中，主要用于對鋼板、鋼材、鍛鑄件的表面清理與強化。鋼丸根據成分和性能分為鑄鋼丸、不銹鋼鋼丸及合金鋼丸，其中鑄鋼丸又包含高碳鑄鋼丸、低碳鑄鋼丸和中碳鑄鋼丸。鑄鋼丸的化學成分一般含有0.8%左右的碳、硅、錳以及不大于0.05%的磷和硫[1-3]。鑄鋼丸具有硬度適中、韌性強、抗沖擊，可連續多次反復使用等特點，適用于機械制造、鋼結構、汽車、造船、集裝箱等行業的金屬表面拋噴丸清理及強化。特別是隨著我國工業化進程的不斷加快，鑄鋼丸制造行業在我國國民經濟中所占的比例及其生產企業的數量都在不斷增加。鑄鋼丸產量增加的同時對其質量和性能的要求也在不斷改變，因此目前對鑄鋼丸的研究主要集中在種類、組織及使用壽命[4-6]。

鑄鋼丸的制備工藝處在一個不斷的優化過程中，現有的鑄鋼丸制備工藝流程為：首先對爐料進行分選、熔煉，在熔煉時對鋼液的成分進行調整；然后進行鑄鋼丸成形和熱處理；最后包裝入庫。鑄鋼丸成形工藝方法有多種，常用的主要有：氣噴法、水射流沖擊法、離心霧化法等[7,8]。無論采用哪種生產工藝，成形的過程控制，對鑄鋼丸成品質量尤為關鍵。目前國內鑄鋼丸生產大都采用鋼水離心拋射至水幕圈成形的方式，但在生產中發現在造粒過程中，硅、錳容易被氧化[9，10]，需要在鋼水熔煉中添加比理論計算更多的合金料才能保證鋼丸化學成分符合相關標準，這樣增加了合金料的成本消耗。因此，本研究旨在水幕造粒過程中增加氮氣保護氛圍，防止硅、錳的氧化，降低合金料的消耗。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

（1）液氮：99%；

（2）氮氣氣化器：≤100m3/h；

（3）玻璃轉子流量計：（2.5～40）m3/h，壓力≤0.6MPa，溫度（-40～+120）℃；

（4）氮氣管圈（自制）；

圖1 試驗設備聯系示意圖

（5）閥門及橡膠管。

1.2 試驗方案

在離心盤四周添加氮氣管圈，管圈上均勻分布有10 個?3mm 小孔，供氮氣均勻溢出保護鋼水造粒過程中硅、錳被氧化。將氮氣管圈用管路同液氮罐、玻璃轉子流量計連接。

（1）開始澆注前5min，開啟液氮罐上閥門，通過轉子流量計上顯示的示數調節開度，控制氮氣流 量 分 別 為 5m3/h、10m3/h、15m3/h、20m3/h 和25m3/h。考慮到實際情況，氮氣流量太小，無法起到保護作用，氮氣流量太大，即使能起到好的保護效果，成本太高，對于大規模的應用存在困難。

（2）澆注過程中一直開啟液氮閥門，澆注結束后，關閉液氮罐閥門。取樣（分別在澆注前期、中期、后期）測試硅、錳氧化率，空心率以及異形率。

（3）記錄試驗數據，分析試驗因素對結果的影響。

注意：更換離心盤時，需要檢查氮氣是否關閉，保持通風，氮氣散開后再操作，避免缺氧窒息造成事故。

2 試驗結果及討論

將不同氮氣流量情況下，澆注前期、中期和后期取樣分析數據取平均值，整理如表1。

為了清楚的了解不同氮氣流量情況下，各粒級硅、錳氧化率及空心率和異形率的變化情況，繪制不同氮氣流量情況下，各粒級硅、錳氧化率變化圖及不同氮氣流量情況下，各粒級空心率和異形率變化圖。

由圖2 和圖3 可知：隨著氮氣流量增加，1.4mm、1.4～0.3mm 硅和錳氧化率均逐漸降低，鋼水～0.3mm 硅和錳氧化率沒有明顯的變化，氧化率均在60%左右。說明添加氮氣氛圍包裹水幕圈，避免了造粒過程中硅、錳元素與空氣接觸，能有效降低粗粒級氧化，但對細粒級氧化影響較小。

圖2 不同流量情況下硅氧化率

圖3 不同流量情況下錳氧化率

由圖4 和圖5 可知：氮氣流量在0、5m3/h、10m3/h、15m3/h、20m3/h 時，2.36mm 粒級空心率約為11%、2.0mm 空心率約為10%、1.4mm 空心率約為9%；2.36mm 粒級、2.0mm 異形率、1.4mm 異形率均約為10%；但當氮氣流量上升至25m3/h 時，各粒級空心率、異形率均明顯增加。表明氮氣流量在0～20m3/h 時，氮氣氛圍對水幕造粒空心率、異形率影響不大，當氮氣流量超過20m3/h 時，充足的氮氣氛圍會充盈于澆注的鋼水中，影響成形。

表1 不同氮氣流量下Si、Mn 氧化率及空心異形率

圖4 不同流量情況下空心率

圖5 不同流量情況下異形率

3 結論

（1）鑄鋼丸生產水幕造粒過程中添加氮氣保護氛圍能夠有效降低各粒度鋼丸硅、錳氧化率，降低合金元素的損耗。當氮氣流量增加到20m3/h 以上時，1.4mm 粒級硅氧化率和錳氧化率分別可以降低到46%左右和34%左右，1.4～0.3mm 粒級硅氧化率和錳氧化率分別可以降低到10%左右和22%左右、鋼水～0.3mm 粒級硅錳氧化率沒有明顯影響。

（2）鑄鋼丸生產水幕造粒過程中添加氮氣保護氛圍對各粒級空心率和異形率影響較小，但氮氣流量超過20m3/h 會惡化造粒成形，影響產品質量。

（3）結合氮氣流量對硅、錳氧化率的影響和空心率、異形率的影響，實際生產過程中，可以考慮選用20m3/h 的氮氣流量，既可以降低硅、錳的氧化率，又不至于影響造粒成形。