冲入法球化处理工艺的改进.docx

冲入法球化处理工艺的改进.docx

《冲入法球化处理工艺的改进.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《冲入法球化处理工艺的改进.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

冲入法球化处理工艺的改进

冲入法球化处理工艺的改进

王秀国

（聊城鑫泰克机械有限责任公司，聊城252000）

摘要：

通过对原铁水进行脱氧预处理、对球化剂采取合适的覆盖方式、适当降低铁水出炉温度、使球化反应开始的时间尽量发生在出“后半包铁水”的时间、严控出铁铁水的重量等等措施，可以使冲入法的球化工艺发挥到一个更高的水平：

在球化剂加入量降低至0.82~1%的情况下，使铸件的球化级别符合国家标准，且大大降低铸件的缩孔、缩松倾向，减少夹渣、夹杂缺陷。

关键词：

冲入法球化处理工艺脱氧预处理覆盖铁水出炉温度球化反应

冲入法球化处理工艺，简单易行，对球墨铸铁件的推广应用起了“巨大”的作用，至今仍然是铸造企业较为普遍采用的球化处理方法。

但是，冲入法球化处理工艺也有严重的不足：

一是球化剂Mg吸收率较低，二是生产的球铁铸件的质量不稳定。

传统的冲入法球化处理工艺：

球化包通常设计成堤坝式或坑式。

将球化剂加入堤坝一侧或坑，在球化剂上面覆盖硅铁粒、孕育剂、铁屑、钢片、覆盖合金、珍珠岩等物。

感应电炉熔炼，使用6-2球化剂或7-2球化剂的较多，加入量大多在1.1%~1.4%。

球化剂Mg吸收率较低，一般在30%~40%。

传统的冲入法球化处理工艺，球化剂Mg元素损耗严重，球化剂使用量大，球化质量不稳定；组织含有大量片状和蠕虫状石墨，对基体割裂作用大，影响性能；铁水温度损失大，渣量多，铸造废品率高。

笔者根据二十多年的工作经验、客户的要求、同行的先进经验，采取了一些“创造”性的方法，在生产0.5kg~400kg的球墨铸铁件时，使用5-2球化剂，加入量降低至0.82~1.0%。

正常情况下，球化率达到80%以上的包次达到99%以上。

参照《现代铸铁》2011年6月提供的一组数据，进行球化处理工艺对比

指标

国冲入法

国外盖包法

球化浇注处理包

本项目

Mg的吸收率%

35

60

61

＞63

球化剂消耗量%

1.4

1.1

1.1

0.82~1.05

球化质量

差

优

优

优

铁液温度损失/℃

70

40

40

40~70

劳动条件

差

好

好

好

Mg吸收率（%）

={0.75×（原铁水含硫量%—残余硫量%）+残余镁量%Mg}/镁加入量（%）

以15年8月18日夜班生产平衡块为例：

原铁水S0.026，残余硫量0.022，残余镁量0.031%Mg;球化级别：

3级

球化剂加入量6.8kg，含Mg按6%计算，出铁775kg（球化剂加入量0.88%）

Mg吸收率（%）={0.75×（0.026%-0.022%）+0.031%Mg}/{0.88×6%}=64.3%

做到以上效果，措施如下：

1.对原铁水进行预处理——脱氧

1.1对原铁水进行脱氧的起因

在球化反应中，除考虑反球化元素S以外，还要考虑O的作用。

Mg+O→MgO。

铁液中的ω（O）量与铁液温度、保温时间息息相关。

缓慢熔炼的铁液紊流程度小，铁液中的ω（O）量较低（<40ppm）；快速熔炼的铁液往往紊流程度大，铁液中的ω（O）量高（>80ppm），有时甚至高达120-140ppm。

经过计算，因熔炼条件不一致，造成两种铁液的ω（O）量一个为20ppm，一个为120ppm，就相当于原铁液中有0.01%的ω（S）量波动，这是不容忽视的情况。

另外，如果熔炼用的原材料铁锈多，熔炼好的铁水，氧化也比较严重；熔炼好的铁水，在1550℃以上过热保温，也容易氧化。

采用感应电炉熔炼，原铁水的ω（S）量一般在0.01~0.025。

如果考虑不到有相当于0.01%的ω（S）在波动，不加以调整球化剂的加入量，就会出现严重的冶金质量问题。

造成球化剂加入量相对不足，使得石墨球圆整度差、发生球化不良，导致球化级别不够；若球化剂加入量相对过剩，将使得残余Mg量高，从而导致皮下气孔、显微缩松等铸造缺陷。

在球化反应前，铁液对球化剂的需求保持在一个相对稳定的水平，就必须使球化前铁液的ω（O）、ω（S）量相对固定在一个较低的水平，这就是预处理技术的起因。

1.2在对铁水采取脱氧技术前，本公司存在的问题

1.2.1球化剂加入量大、球化质量不稳定

笔者生产的球铁件有0.3~2kg的管卡类铸件、2~10kg的割草机皮带轮铸件、7~10kg的重卡用行星架、10~20kg的轿车用飞轮、15~20kg的柴油机平衡块、20~40kg的轮边减速器壳/差速器壳、250~300kg的柴油机飞轮铸件等等。

球铁件的牌号为QT400-15、QT450-10、QT450-12、QT500-7、QT600-3。

熔炼设备为1.5T/h、5T/h的中频感应电炉。

球化包每包出铁水量为750kg/包和1500kg/包两种。

造型设备主要为ZZ416垂直分型无箱射压造型线。

造型线使用3个250kg的浇注包。

采用5T/h电炉熔炼，在造型线上生产20~25kg/箱的铸件，每包出铁水750kg，一般每炉出6包铁水。

球化、浇注6包铁水，用时55~60分钟。

在造型线上生产12~15kg/箱的铸件，每包出铁水500kg，每炉出10包。

球化、浇注10包铁水，用时100分钟左右。

铁水在炉停留的时间越长，温度越高，氧化得越严重。

为了确保铸件球化级别≥3级，5kg以上的铸件,残余Mg不得不控制在0.05~0.085%，大大超出国家要求的0.03~0.06的围。

即使如此，残余Mg在0.05~0.055%时，经常有球化不良的包次出现。

2012年以前，球化剂的加入量为1.65%~1.5%。

2012年~2014年上半年的生产条件：

球化包修成堤坝式，包窝深度200mm。

为控制好球化反应速度，在球化剂上面覆盖1%的覆盖合金。

使用的球化剂为OGRC-6（G），含Mg量在6.8左右。

生产7~10kg的重卡用行星架，球化剂的加入量为1.35，残余Mg量多数控制在0.05~0.08的围。

1.2.2铸件质量差，缩孔、缩松倾向严重

我公司生产的行星架系列产品，在腿部及法兰盘接触处存在着热节。

在热节处容易产生缩孔。

特别是法兰盘较薄9GFT行星架，补缩通道不畅通，残余Mg达到0.055%以上时，在解剖检查的样件中，几乎都发现有缩孔、缩松存在。

9GFT行星架铸件的法兰盘厚度为20mm，腿部热节圆直径约30mm。

成品法兰盘厚度为：

15.5mm。

铸件补缩非常困难。

同种类型的行星架2405022TOOH，成品法兰盘厚度为：

17.8mm，铸件法兰盘厚度25mm，很少产生缩松。

将残余Mg适当降低至0.045~0.055，缩孔、缩松倾向减少了，但是，出现了大批球化级别为4~5级的包次。

因球化级别不合格而报废的包次大幅上升。

这增加了生产安排的难度，严重影响了公司对客户的供货，降低了公司的信誉。

1.3对以上问题的分析

1.3.1原铁液冲入球化包，球化剂开始反应，在形成石墨球以前，Mg会先对铁液进行脱氧，再进行脱硫。

Mg对原铁液而言，是很强的脱氧剂。

球化处理后，Mg会强烈地吸收各种来源的氧。

因此，Mg可能在保温停留、浇注和浇注系统中发生紊流时损失。

严重氧化的原铁液（由于熔化和保温温度高、炉料中废钢量高、炉料与大气含水等）将在球化处理过程中消耗大量的Mg，造成Mg吸收率低。

球铁球化质量的好坏与ω（Mg残）并没有直接的关系，真正起作用的

是游离ω（Mg）量。

有时，ω（Mg残）量高，可能是化合态ω（Mg）量高，即ω（MgS）、ω（MgO）量高。

感应电炉熔炼，炉料主要为生铁、废钢、低S的增碳剂，硫高的可能性不大。

通过炉前快速C、S分析或光谱分析，原铁水中的S是可以在出铁球化前获悉的。

因铁水氧化，铁液含FeO高，发生反应Mg+O→MgO，会导致Mg被大量消耗，生成过大的ω（MgO）量。

而此时游离ω（Mg）量低，不仅不能获得良好的球化效果，而且会形成更多的缩松、夹杂。

铁水过度氧化，ω（MgO）量过高，游离ω（Mg）量过低，致使残

余Mg高达0.05~0.055，铸件仍出现球化不良的根本原因。

铁水过度氧化，除了铁水在炉就氧化以外，还有一种情况：

球化包、

浇注包未烤干、烤透。

出铁球化时，包衬中的水分进入铁水，发生呛火。

H2O分解成H和O，O和Mg形成MgO。

1.3.2ω（Mg残）量在0.04%以下时，铁液的凝固区间基本和ω（Mg残）量

无关，但当铁液中ω（Mg残）量增加到0.05%甚至更高时，铁液的凝固区间迅速扩大，使得奥氏体析出围增宽，缩孔、缩松倾向迅速增大。

如果ω（Mg残）量在0.06%或更高，其收缩倾向更大。

同时，随着ω（Mg残）量的升高，铁液有效补缩时间占铸件整个凝固时间的百分比也必须随之增加，才有可能获得健全的铸件。

换言之，在不调整补缩工艺的情况下，随着ω（Mg残）量的升高，铸件出现缩松的几率也大为升高。

综上，ω（Mg残）量过高是9GFT行星架产生缩孔、缩松的主要原因。

另外，球化过程中产生的氧化镁（MgO）化学稳定性很高，具有高熔点（会一直保持固相），低密度（在铁液中漂浮），在铁中的溶解度很低。

氧化镁渣会上浮到浇包铁液的表面，浇注入铸型后会上浮并积累在铸件的上表面，也可能被卷进铸件部形成有害夹杂物。

1-4以上问题的解决方案

1.4.1导致ω（Mg残）量中游离ω（Mg）量比例低的因素有两个：

一是原铁水的S高。

通过采用特级球墨铸铁用生铁、优质碳素结构钢的下脚料、高温石墨化处理增碳剂，可以将原铁水的S稳定地控制在一个较低的水平。

而且，原铁水的含S量也是可以检测获知的。

即原铁水的含S量是可控的。

原铁水的S太低（0.004或更低），会降低孕育效果。

二是原铁水的O不稳定，有时高，有时低，不易控制。

原铁水的O高时，Mg+O→MgO，ω（Mg残）量中ω（MgO）量比例较高，游离ω（Mg）量低。

只有将原铁水的O控制在一个较低的水平，才可以提高ω（Mg残）量中的游离ω（Mg）量的比例。

1.4.2如何将原铁水的O控制在一个较低的水平？

对原铁水进行脱氧。

1.4.3对原铁水进行脱氧的机理：

在出铁前7分钟左右，扒渣后将脱氧预处理剂加入炉铁水表面，使其与FeO反应，将FeO中的O置换出来。

脱氧预处理剂的功能元素必须具备以下特点：

（1）和铁液中O反应活性强，其氧化物的标准吉布斯自由能要低；

（2）这种元素的氧化物密度尽可能小，最好和铁液类似；（3）这种氧化物的熔点要高。

根据标准吉布斯自由能-T图，各元素被氧化的难易程度，随温度略有变动，但有一个大致的顺序：

Cu、Pb、Ni、Co、P、Fe、Cr、Mn、Si、Ti、Al、Mg、Ca。

元素与氧的亲和力按此顺序逐渐增加。

想脱出FeO中的O，必须使用Fe以下的元素如Mn、Si、Al、Ca。

还有两个元素Ba、La，具备脱氧的功能。

早期的研究表明：

Ba并不溶于铁液，Ba具有比Ca强很多的表面活性。

加入铁水，在铁液中起强脱氧剂的作用。

Ba夺取其它金属氧化物中的氧，生成更为稳定的氧化物漂浮在铁液表面，即净化铁液又保护铁液免受氧化。

1.4.4对脱氧预处理剂的选择

根据对原铁水进行脱氧预处理的机理，首先咨询了福士科公司，其生产的Inoculin390预处理剂，满足脱氧的要求。

Inoculin390是以Ba为主、La为辅的产品。

但是，其价格昂贵，接近38000元/T，适用于高端产品。

其次，又咨询了一家生产冶金材料的公司，其生产的PRE-La预处理剂，也能满足脱氧的要求。

PRE-La预处理剂化学成分

Si

Ba

Ca

Al

La

化学成分%

60-70

7-14

0.5-2

≤1.5

适量

PRE-La预处理剂使用方法：

电炉熔炼，在出铁前10分钟左右扒渣后将预处理剂加入铁水表面即可，加入量0.5%；增硅量以预处理剂加入量的50%计算。

但是，其价格偏高，接近18000元/T，生产中、低档产品时应用该产品，经济上承受不住。

根据Ba、Al、Ca的脱氧机理，经过多次试验，最后选择了高钡预处理剂。

其价格在9000元/T左右。

高钡预处理剂的成分含量：

Si

Ba

Ca

Al

粒度

化学成分%

60-65

14-16

0.5-2

0.5-2

实际控制

60左右

15左右

1.3-1.4

1.7-1.8

3-6mm

Si、Al、Ca、Ba都是脱氧元素。

Al是强脱氧剂，能在铁液中形成氧化保护膜，提高其他活性添加剂在铁液中的吸收率。

Ca是优秀的脱氧剂，夺取FeO中的O，生成CaO，形渣后密度小浮出铁水表面。

1.4.5ω（Mg残）量的有效围

根据原铁液含硫量的不同，形成完全球状石墨组织所需Mg量的围为0.03~0.06%.若铁液中硫和氧含量都很低，大约0.018%的Mg就足以形成全球状石墨组织。

在实际生产中，通常以检测残留镁量来判断球化反应是否正常？

检测到的残留镁量是总Mg量，包括MgO、MgS、MgSiO3等化合物中的Mg.

综上：

我公司对铸件的残余Mg量定为：

1）因铸件结构，生产工艺限制，缩孔、缩松倾向大的铸件，残余Mg量0.03~0.045%；2）铸件缩孔、缩松倾向小的铸件，残余Mg量0.03~0.055%。

2015年8月18日夜班1.5T/h生产柴油机平衡块，金相、化学成分检测如下

炉次

包次

球化级别

硬度

HB

C

Si

S

Mn

Mg

Re

Cu

Cr

铁水kg/包

一

1

3

229

3.68

1.9

0.019

0.81

0.048

0.02

0.32

0.25

730

2

3

202

3.75

1.97

0.022

0.81

0.031

0.02

0.32

0.25

775

二

3

3

222

3.77

1.93

0.018

0.82

0.05

0.018

0.35

0.25

745

4

3

217

3.84

2

0.017

0.8

0.043

0.023

0.34

0.25

755

三

5

3

241

3.77

1.92

0.016

0.79

0.051

0.024

0.32

0.25

735

6

3

216

3.72

1.97

0.015

0.79

0.053

0.023

0.31

0.24

740

四

7

3

211

3.75

1.87

0.016

0.85

0.052

0.029

0.34

0.26

740

8

3

217

3.65

1.89

0.013

0.85

0.049

0.027

0.33

0.25

745

五

9

3

241

3.83

1.82

0016

0.78

0.048

0.024

0.31

0.23

735

10

3

231

3.83

1.89

0.017

0.77

0.044

0.024

0.31

0.23

730

平衡块的材质为QT600-3，铸件厚度为60~70mm。

使用5-2球化剂（Mg5.5~6%），球化剂加入量为6.8kg/包（0.92%）。

对铸件进行解刨，无缩松。

1.4.6不同的生产条件下，如何使用高钡孕育剂对原铁液脱氧？

1.4.6.1易产生缩孔、缩松的铸件

升温至1500~1530℃，扒渣，做原铁水的光谱分析；出铁前7分钟，扒渣，向炉液面加入0.1%高钡预处理剂脱氧；出铁前1分钟，将铁水表面的杂质撒聚渣剂扒除，再向炉铁水表面加入0.05%高钡预处理剂强化脱氧。

生产该类铸件时，控制残余Mg量0.03~0.045%，球化剂的加入量一般为0.82~0.9%。

2015年5月13日白班5T/h电炉生产皮带轮，金相、化学成分检测如下

序号

球化级别

珠光体

硬度

HB

C

Si

S

Mn

Mg

Re

Cu

Cr

铁水kg/包

1

3

45

185

3.8

2.06

0.023

0.32

0.042

0.022

0.29

0.2

755

2

3

45

185

3.79

2.1

00.17

0.29

0.042

0.02

0.29

0.2

740

3

3

45

192

3.75

2.12

0.015

0.3

0.048

0.02

0.28

0.2

750

4

3

45

203

3.7

2.17

0.017

0.3

.048

0.022

0.3

0.2

755

5

3

45

203

3.62

2.18

0.014

0.3

0.04

0.018

0.29

0.2

800

6

3

45

196

3.66

2.22

0.015

0.3

0.045

0.02

0.29

0.2

800

皮带轮的材质为QT500-7，重量为2-10kg。

使用5-2球化剂，铁水出炉前进行2次脱氧。

球化剂加入量为6.3kg/包（0.84%）。

对铸件进行加工，无缩孔缩松。

2015年5月18日白班5T/h电炉生产9GFT行星架，金相、化学成分检测如下

序号

球化级别

珠光体

硬度

HB

C

Si

S

Mn

Mg

Re

Cu

Cr

球化剂kg/包

1

3

75

232

3.83

1.73

0.02

0.32

0.056

0.019

0.49

0.19

6.4

2

3

75

234

3.75

1.7

0.016

0.31

0.058

0.015

0.48

0.19

6.4

3

3

75

222

3.72

1.8

0.016

0.31

.042

0.016

0.48

0.19

6.2

4

3

65

215

3.79

1.81

0.019

0.3

0.041

0.017

0.5

0.19

6.2

5

3

65

214

3.67

1.86

0.016

0.3

0.046

0.013

0.5

0.19

6.2

6

3

75

229

3.59

1.86

0.015

0.3

0.04

0.017

0.49

0.19

6.2

7

3

65

205

3.73

1.8

0.015

0.31

0.044

0.018

0.48

0.2

6.2

8

3

65

221

3.75

1.73

0.017

0.32

0.042

0.019

0.48

0.2

6.2

9

3

75

224

3.7

1.83

0.017

0.32

0.04

0.02

0.5

0.2

6.2

10

3

65

217

3.78

1.84

0.017

0.33

0.043

0.02

0.5

0.2

6.2

11

3

75

223

3.71

1.82

0.017

0.33

0.042

0.016

0.49

0.2

6.2

12

3

75

226

3.72

1.81

0.019

0.33

0.048

0.018

0.49

0.2

6.2

9GFT行星架的材质为QT600-7，质量为7.5kg/件。

使用5-2球化剂，铁水出炉前进行2次脱氧。

每包出铁750kg。

对每包的包尾件进行解刨，检查缩孔、缩松：

5包无缩孔缩松；6包有轻微，不易发觉的缩松；1包有一个轻微的缩孔。

基本上满足客户的使用要求。

1.4.6.2一般不易缩松球铁小件控制残余Mg量0.03~0.055%，球化剂的加入量

一般为0.85~0.95%。

脱氧：

在出铁前3~4分钟，扒渣，向炉液面加入0.1%高钡预处理剂脱氧即可。

1.4.6.3质量在200~350kg的球铁件，控制残余Mg量0.04~0.055%，球化

剂的加入量一般为0.9~1%。

两次脱氧：

出铁前7分钟，扒渣，向炉液面加入0.1%高钡预处理剂脱氧；出铁前2分钟，将铁水表面的杂质撒聚渣剂扒除，再向炉铁水表面加入0.05%高钡预处理剂强化脱氧。

2015年8月5日白班1.5T/h电炉生产柴油机飞轮，金相、化学成分检测如下

球化级别

珠光体

硬度

HB

C

Si

S

Mn

Mg

Re

Cu

Cr

铁水kg/包

球化剂kg

3

75

230

3.6

1.82

0.02

0.89

0.05

0.02

0.39

0.3

1350

14

柴油机飞轮的材质为QT600-3，质量为310kg。

使用5-2球化剂，铁水出炉前进行2次脱氧。

对铸件进行加工，无缩孔、缩松。

1.4.6.4除去每炉出第一包铁水前需要向炉加高钡预处理剂脱氧以外，其余包次，每次出铁球化前2~3分钟，都需要向炉加0.05%的高钡预处理剂脱氧。

1.4.6.5因种种原因，铁水熔化好了不能及时出炉，铁水在炉煮的时间过长，增加一次脱氧过程，高钡预处理剂的加入量为0.1%。

1.4.6.6生产小件，要求的浇注温度高，炉铁水温度就高，更容易氧化。

出第一包铁水前，两次脱氧；出第2包及随后包次前，都需要向炉加0.05~0.1%的高钡孕育剂脱氧。

多次向炉加孕育剂，会明显改变炉原铁液的Si量。

一般出3包铁水，检测一次炉的初Si含量，根据初Si量，调整一次孕育的孕育量。

2015年6月23日白班5T/h电炉生产管卡，金相、化学成分检测如下

序

号

球化级别

珠光体

初

Si

一次孕育量

球化剂

C

Si

S

Mn

Mg

Re

铁水kg/包

1

3

25

1.32

6

4.8

3.52

3.15

0.011

0.17

0.038

0.02

460

2

3

25

6

4.8

3.54

3.21

0.011

0.16

0.04

0.02

500

3

3

25

1.57

5

4.8

3.48

3.05

0.013

0.15

0.04

0.02

500

4

3

20

1.61

5

4.8

3.47

3.19

0.012

0.15

0.034

0.02

480

5

3

25

5

4.8

3.53

3.07

0.01

0.16

0.038

0.02

500

6

3

25

5

4.8

3.5

3.27

0.01

0.15

0.039

0.02

485

管卡的材质为QT450-12，质量为0.3、0.6kg两种。

60.3管卡壁厚为4mm，要求高温浇注。

使用5-2球化剂，铁水出炉前进行2次脱氧。

1.4．7在阴雨天，空气湿度大，铁水容易氧化，适当降低原铁水的初Si含量，适当增加用于脱氧的高钡预处理剂的重量。

1.4.8向炉加高钡预处理剂后，铁液表面的现象：

撒聚渣剂扒渣，向铁液表面撒入高钡预处理剂，大约30秒左右，从铁水部逐渐向上笵出灰蒙蒙的片状杂质。

持续时间约1~2分钟。

1.4.9熔炼时，使用高钡预处理剂进行脱氧；造型时，使用碳化硅过滤网滤渣。

两项技术结合使用，基本上会消除渣眼缺陷。

2对不同的出炉温度，采取各自合适的覆盖方式

不同的铁水出炉温度，使球化剂发生反应的剧烈程度是不一样的。

如果对

球化剂覆盖不合理，有时会造成球化剂过早剧烈反应，Mg没有被铁水吸