各種球化處理方法述評
發布時間：2012-06-26 07:01:42 瀏覽次數：217**：張忠仇，李克銳( 鄭州機械研究所，河南，鄭州，450052 )
摘要：球化處理是生產高質量球鐵件的重要環節之一。通過對國內外球化處理方法的介紹和分析，提出應按照球化劑種類、鑄件大小，產量規模、生產方法和環保等條件選擇最合適的球化處理方法，逐步改變我國大多數工廠只採用衝入法球化處理的狀況。
關鍵詞：球墨鑄鐵；球化處理方法
球化處理是生產高質量球鐵件的重要環節之一，我國大多數工廠只採用敞口包衝入法球化處理工藝。這種方法，球化劑燒損大、鎂的**率低，球化不穩定，特別是鎂光煙霧，造成鑄造車間環境汙染。人們也在尋求別的途徑進行球化處理，如蓋包、轉包、喂線等等。
某些工廠經過摸索，積累了很好的經驗，不斷改進，取得很好效果，但也有相當一部分工廠，由於沒有掌握要領，採用新方法出現了這樣那樣的問題，又重新採用衝入法處理。全國鑄鐵及熔煉專委會在徵求部分專家的意見後，認為有必要在第八屆學術會議上展開重點研討。
1、鑄鐵石墨球化有關問題
自2023年英國莫勒morrogh和美國inco公司宣布往鑄鐵中加入稀土元素鈰和鎂獲得球狀石墨，並在2023年開始生產球墨鑄鐵以來，人們從實踐中認識到，使鑄鐵石墨球化的元素，主要是鎂，其它元素（稀土、鈣、鋰、鍶等）在不同條件下雖也有一定的球化能力，但只是用於抑制干擾元素的影響，起輔助球化作用，過量反而會影響球墨的圓整度，影響球化，起不良作用。
鄭州機械研究所早在上世紀70～80年代就開始進行稀土、鎂元素對鑄鐵變質作用的研究。試驗表明，鎂是最好的球化元素，單獨用稀土處理，也能球化，但稀土元素球化效果不好、球形差，易出現各種**石墨、白口傾向大。球化劑中含少量稀土元素能降低保證球化的殘餘鎂量，增加石墨球數，消除干擾元素的作用和減少氧化夾雜，因此球化劑應以鎂為主，輔以少量稀土。
[1]國外研究工作者如lalich[2]、barton[3]也得出了同樣的試驗結果。
回顧我國球鐵發展歷程，過去提的「稀土鎂球鐵」，是在一定歷史、物質和技術條件下的產物，現在更名為「鎂球鐵」或「鎂稀土球鐵」，或許更科學、更合理。
選擇合適的球化處理方法實質就是研究如何提高鎂的**率，即加入最少量的鎂（使球鐵中含***球化的mg殘），獲得球化率高且質量穩定的球鐵，同時球化處理過程還要安全、平穩、便捷和環境友好。[4]
鎂元素的物理效能列於表1。
表1 鎂的部分物理效能
將鎂加入鐵液中會產生以下問題：
1）鎂在固態鐵中的溶解度非常小，在鐵液中，隨溫度公升高，碳矽含量增加，溶解度略為增加；
2）鎂的沸點為1107℃，而球化處理時鐵液的溫度約1500℃左右，如加入純鎂，不採取安全保護措施，將會迅速汽化，形成很高蒸汽壓，引起激烈的沸騰噴濺；
3）鎂的密度僅為1.73g/cm2，比鐵液的密度7.3g/cm3小得多，這將促使加入的鎂漂浮至液面而沸騰和燃燒；
4）鎂和氧有很大的親和力，兩者很易生成白煙狀的mgo，會汙染鑄造車間的空氣；
5）一部分mg與s生成mgs；mgo往往與來自鐵液和包襯耐火材料中的sio2生成mgsio3；這些氧化物/矽酸鹽/硫化物混合在一起在鐵液表面生成一層粘膜，或形成固體狀的夾雜物。
這些夾雜物如未被徹底清除，有可能進入鑄件形成夾渣缺陷，成為球鐵件報廢的主要原因之一。
生產中，以鎂**率（mg**率，%）來表示球化處理的效果：
mg**率很大程度上取決於球化方法；一般隨處理溫度提高而下降；受處理包的設計和維護以及球化劑（鎂合金）的選擇影響較大。
2、國內外球化處理方法介紹[5]、[6]、[7]
2.1 包內衝入法
2.1.1 敞口包一般衝入法
這種方法在早期應用比較廣泛，國外較多使用ni-mg合金，密度比純鎂大得多，如含mg 10%的ni-mg合金密度約可達8.1g/cm3。將這種合金置於包底凹坑內，迅速衝入鐵液，合金不會上漂。
適用生產高鎳奧氏體球鐵（如排氣管、增壓器等鑄件）。國內處理包高徑比h:d一般較小，約為1.
2，現逐漸要求≥1.5，但也比國外小。此外，國內球化劑大多為鎂稀土矽鐵，密度較小，所以這種不加覆蓋劑的方法基本不用。
2.1.2 夾層覆蓋衝入法（sardwich, 三明治法）
在包底凹坑裝入球化劑上再覆蓋一定數量的球鐵、廢鋼、鐵屑、矽鐵（有時還加入碳化鈣）壓實，最上面再蓋一塊預先澆鑄的鐵板，覆蓋一夾層，所謂的sandwich，三明治法（見圖2），可以延緩鎂合金的反應（幾秒～十幾秒），使衝入的鐵液有一定高度，建立乙個壓頭後才起反應，使鎂蒸氣上公升過程中盡量被鐵液吸收，減小反應激烈程度，提高鎂的**率。
球化劑密度增大，處理溫度適當降低，均可以提高鎂的**率，國外的試驗結果見圖3。
這種方法在國內被廣泛應用，由於國內的球化劑多採用鎂稀土矽鐵，密度較小，一些工廠要求球化處理包撇渣後直接澆注，鐵水包高徑比也較小（＜1.5），鎂反應比較激烈，鎂的**率較低，且不穩定，鎂光煙霧大，勞動條件差。不少企業尋求新的處理方法。
2.2 蓋包法
這是上世紀70～80年代，隨著球鐵生產工業應用的迅速擴大，不斷改進發展起來的。
在有合金覆蓋夾層的鐵液包上端放上乙個帶澆口杯或中間包的包蓋，並使進鐵液口錯開裝合金的凹坑180°。
蓋包的好處：
1）由於蓋上包蓋後，包中來自空氣的有氧空間容積得到有效限制，減少了mg的氧化燒損，使鎂**率顯著提高。
2）球化劑加入量減少，節省鑄造成本。圖4是國外用含mg 5%的mgfesi合金在同樣試驗條件下，蓋包法處理與其它方法（敞口包衝入法、敞口包+凹坑、sandwich法）處理時mg合金加入量的比較。
3）mgo白煙量減少和被限制在包中，顯著地改善鑄造車間和周圍的大氣環境（在國外許多環保管理部門建議和主張鑄造廠採用這種方法）。
4）使用包蓋能改善保溫條件，減少處理過程中鐵液溫度下降。但蓋包法處理出鐵時因看不到液面變化，需有鐵液稱量裝置。
2.2.1 帶活動蓋的蓋包
圖5是帶活動蓋的蓋包，處理前需開啟包蓋，加球化劑，合蓋，衝入鐵液球化處理，處理完畢，又需開啟包蓋，扒渣、出鐵、澆注。操作比較麻煩，但如配有合適的機械或起吊裝置，經過一段時間的磨合，也能熟練掌握。圖6是焦作固德公司帶活動包蓋的蓋包的一種形式。
2.2.2 帶固定蓋的蓋包
圖7是包蓋固定的形式，要求用於原鐵液含s較低，處理溫度較高，處理後渣量極少的條件，河南歐迪艾鑄造公司採用這種工藝。
圖8是蓋包球化處理煙霧減輕的情況。
圖9是河南歐迪艾鑄造公司採用的蓋包法與一般衝入法球化處理比較，煙霧大大減輕。
2.2.3 包底雙凹坑活動蓋蓋包
這是一種改進形式（圖10）。雙凹坑輪流使用球化劑室，可以防止合金粘底、粘渣、保持凹坑清潔，適合連續作業。
2.2.4 茶壺嘴蓋包
這是撤渣能力好的蓋包形式（圖11），但包子製造維修麻煩。單嘴茶壺蓋包的壺嘴，兼作注入原鐵液和傾出處理後的鐵液兩用，雙嘴茶壺蓋包（圖12），裝合金的門設在包蓋中間，包底裝合金的凹坑也在中間，原鐵液從乙個嘴流入，處理完的鐵液從另乙個嘴流出。
2.3 多孔塞（通氣攪拌）法
多孔塞法是鐵液流入包子，處理合金經過放在包子上方的漏斗加入包內，在包底安裝耐火磚多孔塞，通入n2氣或其它惰性氣體，產生攪拌和對流的處理方法（見圖13）。
這方法較多用於酸性沖天爐熔煉，原鐵液含s較高，需要脫s的場合。先加入cac2脫s，扒渣後，再加入fesimg或其它mg合金球化處理。該方法需要通入冷的n2氣約1～幾分鐘，鐵液溫降較大；並增加多孔塞維護和更換成本。
通過氣體攪拌，鎂的**率一般。因此目前應用逐漸減少。但對於用低mg、高re合金處理蠕墨鑄鐵，通過不斷攪動鐵液，增加稀土和鎂的吸收，應該說還是一種較好的方法。
2.4 鐘罩法鐘罩法球化處理（見圖14，圖15），適用於純鎂（切成小塊）作為球化劑。它需要有乙個耐火材料製成的鐘罩和相當重量的包蓋，以便承受內裝鎂塊的鐘罩由壓桿壓入鐵液液面下時快速和激烈的鎂反應過程產生上浮的壓力。
為了減緩純鎂的反應激烈程度，有時將鎂塊外塗一層耐火塗料或採用含mg 40%的鎂合金，或採用浸鎂的焦碳（鎂焦），目的是為了提高鎂的**率。 鐘罩法處理要求車間採取必要的安全防護措施，一般需要在車間設乙個有防噴濺防護牆的專門的處理室內進行。鐘罩法適用於酸性沖天爐熔化含s較高的鐵液；脫s和球化同時進行的場合，早期一些大量生產球鐵管的工廠採用較多。
2.5 壓力加鎂法
此法為對鐘罩壓入法的改進。處理時採用能承受10個大氣壓左右的密封包，由鎂金屬沸騰產生的鎂蒸氣自建壓力，或是由外部通入惰性氣體建立壓力。此法適合純鎂處理,工藝穩定,鎂吸收率高,但密封包結構複雜,操作要求高,稍有不慎就會出安全事故。
圖16是一種壓力加鎂包的示意圖。[8]
2.5 轉包法
2023年，gf公司設計和應用鎂轉包法球化處理。將一定數量的鎂塊放入帶耐火隔板磚的反應室，同時可附帶一些稀土和合金元素，往轉包中注入一定量的鐵液後蓋上蓋子，轉包轉動90°，使鐵液與鎂塊作用約30秒，轉包中已處理的鐵液傾注入澆包，同進進行孕育。
與其它純鎂處理法一樣，轉包法可以處理高硫的原鐵液，無需預脫硫，伴隨迅速脫氧脫硫並球化，mg**率可高達50%。轉包法處理生產效率很高，一般3～4次/h。據了解，目前國內蕪湖新興鑄管公司和崑山某外資企業等單位採用轉包法球化處理。
圖17是轉包法球化處理的示意圖。
2.6 喂線法
喂線法多年來被廣泛用於鋼鐵工業加b、v、nb等合金元素，以後逐漸在鑄鐵行業被用於球化處理。國內外有專門標準規格的球化芯線商品**，一般芯線ф9～13mm，將球化劑（顆粒狀鎂粒或鎂合金混合物）用帶鋼包裹製成芯線成捲**，每卷長達幾千公尺,重約1噸。根據需要，芯線中可以包含孕育劑和其它合金元素。
芯線繞在盤上，由喂線機餵入包底鐵液不斷反應球化，圖18是喂線法球化處理工藝示意圖。
眾所周知，球化劑加入量多少與需處理的鐵液重量、溫度和原硫有關，而喂線法的優點是它可以根據上述因素，精確地控制芯線的長度和供線速度，煙氣通過包蓋上的抽菸裝置排出室外。這種方法適用於小至300公斤、大至上百噸的球鐵件，無論大或小的鑄造廠都可用。缺點是要求帶控制系統的能精確調節的喂線機，一次投資略大，而鎧裝芯線的**比一般球化劑貴，所以生產成本較高。
然而，芯線處理的精確控制性、靈活機動的適應性和球化工藝的穩定可靠性、球化和孕育可同時進行以及環境友好性綜合評價起來，被認為是一種很有發展前途的方法。正因為它能精確控制合金的加入量，所以也適合蠕墨鑄鐵的生產。圖19、圖20示出了國外兩種喂線法裝置。
圖21是喂絲球化用於水平連鑄鑄鐵型材的裝置。
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