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球化劑、球化包芯線(xiàn)的選擇和球化工藝參數的確定

在對熔煉材料的長(cháng)期技術(shù)服務(wù)過(guò)程中,發(fā)現有些鑄造單位,不知道如何根據自己生產(chǎn)鑄件的牌號、結構及生產(chǎn)工藝、爐料的情況選擇球化的種類(lèi)和成分,對于球化劑中各種成分的作用還不是很清楚,有的單位不能根據自己?jiǎn)挝坏膶?shí)際情況確定正確的球化工藝參數,這一方面造成不同程度的成本升高,而且造成資源的浪費。                              

 球化劑的分類(lèi):

2.1根據球化劑中主要的球化元素可分為:鎂系球化劑、稀土系球化劑和鈣系球化劑鎂系球化劑:鎂是球化能力最強的元素,也是應用最廣泛的球化劑,盡管從熱力學(xué)上看,鎂與氧、硫的親和能力要次于鈣和鈰,但從動(dòng)力學(xué)角度,由于鎂的沸點(diǎn)(1107℃)低,密度?。?/span>1.738g/cm3),對鐵水有攪拌作用,鎂的實(shí)際脫氧去硫的作用大于鈣和鈰。鎂作為球化元素可以使石墨球園整,對合金液處理前的含硫量范圍適應性好,并且在亞共晶和過(guò)共晶成分的合金液均能起到良好的球化效果,但是由于鎂與大部分反球化元素不相化合或者化合程度很小,故鎂球化劑的缺點(diǎn)是抗反球化元素能力低1;鎂的密度低,在鐵液中容易上浮,球化衰退快,形成夾渣、縮松和皮下氣孔等缺陷的傾向大;而且反應劇烈,燒損大,煙霧大,惡化環(huán)境。稀土系球化劑:稀土的沸點(diǎn)高,其中鈰的沸點(diǎn)為1400℃,密度大(7.4-7.6g/cm3),球化處理時(shí)無(wú)沸騰和火光煙塵,環(huán)境污染少,勞動(dòng)條件好,但反應動(dòng)力學(xué)條件差,石墨球圓整度差,常出現團狀及團片狀石墨,在大斷面球墨鑄鐵件及熱節部位易產(chǎn)生石墨畸變,白口傾向及石墨漂浮都比鎂球墨鑄鐵嚴重;稀土元素能和反球化元素形成穩定的化合物,從而在一定程度上可抵消這些元素的干擾作用,對原鐵液中反球化元素含量可比用鎂時(shí)適當放寬;對過(guò)共晶成分的鐵液有穩定的球化效果,對于含硫量為0.06%的鐵液在殘留鈰為0.04%以上時(shí),就能使鐵液中石墨球化,但對亞共晶成分鐵液要求鐵液含硫量極低(0.006%),并且加入量大。稀土球化劑有利于凈化鐵水,鑄件夾渣、縮松傾向小,但由于加入量高及成本高等因素一般不再單獨使用,最好與鎂復合使用。在球化劑常用的稀土中,鑭的球化作用最弱,只有在激冷區有一定的球化作用。但鑭氏球化劑可以延緩共晶過(guò)程中石墨的析出,對防治鑄件縮松有一定的作用。輕稀土元素起球化作用的含量范圍較窄,加入量不足難以球化,加入過(guò)多,白口傾向嚴重并出現異形石墨;重稀土元素釔對高碳過(guò)共晶合金液有很好的球化作用,在高碳過(guò)共晶合金液中,釔的球化能力比鈰強,略遜于鎂;碳量較低時(shí),冷卻快則成白口,冷卻慢則不球化。釔與鎂、鈰不同的是可以過(guò)量加入,在碳當量和冷卻速度適當時(shí),加入量達到正常球化需要量的3-4倍也不出現白口,而且釔的脫硫能力極強,且不回硫。因此可以利用釔的過(guò)量增加和不回硫特點(diǎn)來(lái)提高鐵液的抗衰退能力。鈣系球化劑:鈣的沸點(diǎn)1440℃,密度1.54g/cm3,作用平穩,對于要求高溫球化處理(大于1500℃)的鐵液,球化劑除了采用低鎂低稀土的成分外,還可以在球化劑中添加一定含量的鈣,延緩鐵液與球化劑反應的劇烈程度。雖然從熱力學(xué)的角度上其與硫、氧的親和力比鎂強,但與硫、氧反應的動(dòng)力學(xué)條件差,球化能力弱,需要加入量大,造渣多。金屬鈣很容易氧化,不便于儲存,故一般不單獨做球化劑。加鈣處理的球墨鑄鐵的白口傾向比加鎂處理的白口傾向要小,使得加鈣處理的球墨鑄鐵對硅、錳的敏感性較小,容易得到鑄態(tài)鐵素體基體。分別是含硅量、含錳量不同時(shí),加鈣處理與加鎂處理的白口傾向對比。

目前單純的稀土球化劑和鈣系球化劑已不再單獨使用,而是結合鎂、稀土、鈣的優(yōu)點(diǎn)以合理的比例含量做成稀土鎂硅鐵合金球化劑。

2.2按照制作方法和形狀可分為:普通球化劑和球化包芯線(xiàn)

普通球化劑是將幾種合金或者金屬用電爐熔化澆注成一定形狀,或者破碎成一定行塊度的顆粒;

球化包芯線(xiàn)是先將一定成分的球化劑破碎成一定細度的粉狀顆粒,然后用包線(xiàn)機用一定寬度和一定厚度的鐵皮將球化劑粉末顆?;蛘呤菐追N合金的粉末顆粒包裹成一定粗細的金屬線(xiàn),使用時(shí)用專(zhuān)用喂絲機以一定速度喂入金屬液。

球化劑的選擇

3.1球化劑種類(lèi)的選擇原則

球化種類(lèi)的選擇一般要根據鑄件的種類(lèi)、牌號、重量、結構,爐料的情況等來(lái)選擇。

對材質(zhì)中硅含量要求低的鑄件,為防止球化過(guò)程中增硅過(guò)多,選用無(wú)硅的純鎂球化劑;對含干擾元素少的爐料,選用無(wú)稀土的純鎂球化劑或者鎂硅鐵合金球化劑;對含干擾元素多的爐料,選用含稀土的稀土硅鐵鎂合金球化劑;對大型珠光體球鐵,選用銅鎂合金;對高鎳奧氏體、貝氏體球墨鑄鐵件,選用鎳鎂球化劑;對于鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵件、高韌性鐵素體球墨鑄鐵件,首先選用含鋇的稀土硅鐵鎂合金,或者無(wú)稀土球化劑;對于鑄件大小穩定,批量大,每次球化鐵水重量穩定的鑄件,首先考慮采用球化包芯線(xiàn)。

3.2球化劑成分的選擇

球化劑的成分包括鎂、稀土、鈣等球化元素、硅、鋁、和銅、鎳、鐵等。球化元素是主要起球化作用的元素,硅則在球化劑的熔煉過(guò)程中和鎂形成MgSi合金,起到減少鎂燒損和上浮的作用。銅、鎳、鐵含量的多少可以起到調節球化劑的密度的作用,防治在在球化反應過(guò)程中,球化劑上浮過(guò)快的作用,從而提高鎂的吸收率。另外球化中還含有氧化鎂,則是由在球化劑的生產(chǎn)過(guò)程中由金屬鎂氧化形成,另外氧化鎂的含量高,增加鐵液中氧化渣的數量,則鑄件形成黑斑缺陷的機率就越大。

3.2.1鎂含量的確定

選擇球化劑中鎂含量的高低主要依據球化處理溫度,球化處理溫度低時(shí),選擇含鎂量較高的球化劑,以免球化劑加入量過(guò)多,造成鐵液降溫過(guò)多;球化處理溫度高時(shí),選擇含鎂量低的球化劑,以免鎂的吸收率過(guò)低;鐵水的含硫量高,則選擇的球化劑的鎂含量相應的要高些,避免因選擇含鎂量過(guò)低的球化劑導致球化劑加入量過(guò)高,造成球化過(guò)程鐵水降溫過(guò)多;鐵水含硫量低,選擇鎂含量低的球化劑,可以使球化反應平穩,避免脫硫效果不穩定。3.2.2稀土含量的確定爐前鐵液中的反球化元素高,則球化劑和球化包芯線(xiàn)中的稀土含量要高。爐前鐵液中反球化元素少,則球化劑和球化包芯線(xiàn)中稀土含量要低,避免增加成本。目前隨著(zhù)我國生鐵和廢鋼的質(zhì)量提高,我們使用球化劑中的稀土含量存在普遍偏高的現象;鑄件屬于薄壁鑄件,則球化劑和球化包芯線(xiàn)中的稀土含量要低,防治鑄件出現白口缺陷;鑄件屬于厚大鑄件,則球化劑和球化包芯線(xiàn)中的稀土含量要低,防治鑄件中心部位出現碎塊石墨;由于鐵液中稀土元素含量高時(shí),可強烈增加鐵液的過(guò)冷度,促進(jìn)珠光體的形成,鐵素體球鐵使用的球化劑和包芯線(xiàn)中稀土含量要低些,珠光體球鐵使用的球化劑中稀土含量可以高些;鐵液澆注時(shí)間長(cháng)時(shí),球化劑中稀土含量可相應高些,稀土含量高可以延緩球化衰退時(shí)間。3.2.3鈣含量的確定鈣是球化元素,鈣元素和鎂、稀土元素一樣都可以對鐵液起到球化的作用。由于鈣的熔點(diǎn)高,當鐵水球化溫度高時(shí),球化劑和球化包芯線(xiàn)中的鈣含量可以高些,以降低反應劇烈程度和延緩起爆時(shí)間;生產(chǎn)薄壁鑄件,鑄件容易出現白口缺陷時(shí),球化劑和球化包芯線(xiàn)中的鈣含量可以相應高些,以降低鐵液的白口傾向。當生產(chǎn)鑄態(tài)鐵素體基體鑄件時(shí),球化劑中的鈣含量可以高些,生產(chǎn)珠光體基體球墨鑄鐵件時(shí),球化劑中鈣含量要低些。3.2.4 鋁元素的確定鋁元素由生產(chǎn)球化劑和包芯線(xiàn)時(shí)加入的合金代入,球化劑和球化包芯線(xiàn)中的鋁含量越低越好。

球化工藝參數的確定

4.1 鐵水球化量的確定

一次球化鐵水量的多少決定于澆注時(shí)間的長(cháng)短,最好一次球化鐵水量要保證從鐵液球化完到鐵液完全澆完能夠控制在12分鐘內,最長(cháng)不要超過(guò)15分鐘。

4.2 球化溫度的確定

鐵液球化溫度的高低是由澆注溫度的高低決定的,也就是由尾箱需要滿(mǎn)足的最低澆注溫度決定的。

鐵液的球化溫度=尾箱的需要滿(mǎn)足的最低澆注溫度+出鐵降溫+球化降溫+導包降溫+運輸、澆注過(guò)程的降溫。球化溫度確定的原則是在滿(mǎn)足尾箱需要的最低澆注溫度的前提下球化溫度越低越好。

4.3 球化劑加入量的確定

球化劑的加入量取決于以下幾個(gè)因素:

4.3.1 原鐵水的含硫量 、含氧量

原鐵水的含硫量越高,球化劑的加入量越高;原鐵水的含硫量越低,加入量越低。鐵液含氧量高時(shí),加入量要高些。

4.3.2 球化劑中的鎂、稀土含量

球化劑中鎂含量高,球化劑加入量低;球化劑中鎂含量低,球化劑加入量高。

4.3.3 鐵水的球化處理溫度

鐵水的球化處理溫度高,球化劑加入量高;鐵水的處理溫度低,球化劑加入量低。

4.3.4 球化處理工藝  

球化劑加入量的高低還要根據采用的球化處理工藝來(lái)定,采用鎂的吸收率高的處理工藝,球化劑加入量低;采用鎂的吸收率低的處理工藝時(shí),球化劑加入量高。

4.4 球化劑的粒度的確定球化劑粒度的大小要根據一次球化的鐵水量的多少來(lái)決定,球化劑的粒度和一次球化鐵水量的關(guān)系見(jiàn)表3。

3:球化劑的粒度和一次球化鐵水量的關(guān)系

一次球化鐵水量(噸)

 

0.5

 

0.53

 

310

 

1030

 

3050

 

50

球化劑的粒度(mm

 

215

 

320

 

325

 

525

 

530

 

535

4.5 殘留鎂的確定球化后鐵液的殘留鎂量在保證球化等級的情況下越低越好,一般要保證中、大件在澆注末尾大于0.035%,小件大于0.025%。球化后殘留鎂的的高低主要取決于以下因素:4.5.1 鑄件的的結構厚大鑄件,澆注后鐵液凝固時(shí)間長(cháng),殘留鎂要相應的高些,薄壁小件澆注后凝固時(shí)間短,殘留鎂量可以相應低些。4.5.2 鐵水的球化溫度鐵液球化溫度高,鐵液球化后,球化衰退快,殘留鎂量要高些,鐵液球化溫度低,球化后球化衰退慢,鐵液殘留鎂量可以相應低些。4.5.3 從球化結束到澆注結束的時(shí)間從鐵液球化后到澆注完的時(shí)間長(cháng),殘留鎂量要控制的高些;從球化完到鐵液澆注完的時(shí)間短,殘留鎂量可以控制的相應的低些。4.5.4 鐵水的碳含量  鐵液的碳含量越高,保證鐵液球化良好的最低殘留鎂量越高。鐵液含碳量和殘余鎂量的關(guān)系。
3:鐵液含碳量、殘余鎂量與石墨形態(tài)的關(guān)系(注:含硅量2.5%  試棒φ30mm

4.5.5 球化后鐵水的硫含量  

球化后鐵液的硫含量高,隨著(zhù)時(shí)間的延長(cháng),球化衰退的快,殘留鎂量要控制的高些;球化后鐵液的硫含量低,球化衰退的慢,殘留鎂量可以低些。

4.6 殘留稀土的確定

球化后鐵液殘留稀土含量的多少根據以下因素確定:

4.6.1 鐵液中反球化元素的含量多少  

當鐵液中反球化元素含量高時(shí),鐵液的稀土殘留量要高些;鐵液中反球化元素的含量低時(shí),鐵液的稀土殘留量要低些。

4.6.2 鐵液溫度

鐵液溫度高時(shí),球化衰退速度快,鐵液中殘留稀土適當提高,可以減緩鐵液球化衰退速度。

4.6.3 鑄件壁厚

為防止薄壁鑄件產(chǎn)生白口和厚大鑄件中心產(chǎn)生碎塊石墨,鐵液的殘留稀土要低些。

4.6.4 鑄件的牌號(或者組織)

由于殘留稀土提高鐵液的過(guò)冷度,珠光體基體球鐵殘留稀土可適當高些,鐵素體基體球鐵殘留稀土要低些。

4.7 喂絲球化速度的確定

喂絲球化工藝中喂絲速度決定決定著(zhù)包芯線(xiàn)中鎂的吸收率,合適的喂絲速度要保證球化絲伸入到離液面底部100200mm時(shí)起爆,以保證包內鐵液脫硫充分。喂絲速度過(guò)低,則不能保證球化包芯線(xiàn)深入到鐵水包底起爆,使球化包底部的鐵水不能和包芯線(xiàn)內的球化粉料充分接觸脫硫;喂絲速度過(guò)快,則會(huì )使球化包芯線(xiàn)到達底部時(shí)不能起爆,使球化包芯線(xiàn)在浮力作用下上浮到鐵液上部或者表面燃燒,起不到脫硫脫氧的作用。圖4是鐵水溫度低時(shí),因球化包芯線(xiàn)因為喂絲速度過(guò)快球化包芯線(xiàn)到達鐵水包底部后上浮到鐵液表面燃燒后的情況(鐵水重量:7.5噸;鐵水溫度1430℃;喂絲速度50/分鐘,鐵液喂絲球化前后硫含量幾乎不變。后將喂絲速度調整為35/分鐘,脫硫、球化正常)。

4:喂絲速度過(guò)快造成的球化線(xiàn)上浮到鐵液表面燃燒

假設球化包內液面高度為H米,球化絲在伸入鐵液中T秒時(shí)刻球化絲熔化起爆,則適合的喂絲速度V(米/分鐘)為:V=H0.2)×60÷T。式中T的大小取決于球化包芯線(xiàn)鐵皮的厚度、鐵液的喂絲球化溫度;H的大小取決于球化鐵液的重量和球化包的高徑比。當鐵液球化溫度較高時(shí),球化絲在鐵液中熔化起爆的時(shí)間T變小,為保證球化絲在包底起爆,此時(shí)喂絲速度需要變大,但太高的喂絲速度導致喂絲球化時(shí)間變短,脫硫脫氧的時(shí)間過(guò)短,脫硫脫氧的效果變差,同時(shí)鐵液球化反應會(huì )過(guò)于劇烈,鐵液噴濺劇烈,鎂的吸收率降低。此時(shí)只有增加球化包芯線(xiàn)的鐵皮厚度,增加球化絲熔化起爆時(shí)間T,從而降低喂絲速度V,使喂絲球化時(shí)間在適宜的范圍內,反應劇烈程度適宜,從而保證鎂的吸收率和脫硫脫氧的效果。

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