球墨铸铁无烟球化处理工艺及其球化处理装置

摘要

一种关于生产球墨铸铁的炉前无烟球化处理工艺及其球化处理装置。本发明解决了冲入包内法球化处理时，因反应速度过快而造成的镁回收率低，改善了工作环境。利用附图所示的装置，所加入镁块(3)或镁合金(14)的总含镁重量占处理铁水总重量的0.020～0.095％，大幅度降低了球化处理成本，可以达到一级球化级别，石墨尺寸大小为7级。利用该工艺可以在炉前进行脱硫、孕育处理，用于铸造低成本、高质量指标的各类机械零件。

说明书

发明所属技术领域：

本发明涉及一种生产球墨铸铁的炉前球化处理的工艺及其球化处理装置、包内脱硫、孕育处理的工艺。

现有技术背景：

据中国铸造协会编辑出版的《台湾铸造文集》及天津市铸造协会、天津市铸造学会主办的《天津铸造》报道，目前国内外球墨铸铁生产所应用的球化处理方法有：冲入包内法、钟罩压入法、合金砣压入法、转动包法、自建压力加镁法、镁丝卷线法、有盖浇包加入法、流线法（In-Stream Method）、型内球化法、透气塞法、多孔质过滤片法等。上述的球化处理方法在铁水处理量、操作上、经济成本、设备要求以及质量稳定和环境影响等方面都有各自的优缺点，工厂根据各自的实际情况，采用着不同的球化处理方法。国内外大多数的工厂均采用“冲入包内法”进行球化处理，因为这种方法相对来讲，设备简单，投资少，操作方便。一九九四年五月全国铸造科技信息中心第七届年会论文集中刊登的“日本五味铸工所的球铁生产技术”介绍了有关球铁生产的情况，株式会社五味铸工所的球化处理也采用冲入法球化处理工艺。该厂采用1.5t中频电炉熔炼，出铁温度控制在1530℃～1550℃，原铁水含硫量为0.005～0.020%，在堤坝式铁水包中加入占处理铁水重量1.3%的稀土镁合金，并覆盖一层Si50硅铁，其加入量为铁水量的1.2%。规定球化反应时间为90s±30s。浇注温度规定为小件>1350℃，中件>1300℃，大件>1280℃。全部铁水浇注时间要求控制在球化反应终了后的12min内。若球化反应过分激烈或估计铁水浇注时间较长时，尚需酌情补加球化剂。

在冲入包内法球化处理时，铁水与球化剂接触面积大，反应剧烈，铁水喷溅，发出眩目、白灼的镁光，环境污染大。在剧烈反应中，造成部分颗粒偏大的球化剂未反应完毕即浮起氧化烧损掉，而颗粒偏小的球化剂其表面积大，堆积比重小，其整体抗铁水的冲击力小，在铁水的冲击力和球化反应时镁蒸气压力的作用下极易浮起氧化掉。随着出炉铁水温度的提高，镁的蒸气压力增大，铁水沸腾加剧，球化剂的烧损也随之增加。为缓解冲入包内法球化处理时的反应速度及合金的上浮速度，在合金中增添镍、铜比重大的合金，虽然可以降低球化剂的加入量（冲天炉熔炼时，球化剂的加入量可由1.8%降低到1.6%），但是，镍、铜价格昂贵，使球化剂成本大幅度增加，综合成本上升，并且抑制作用不显著。

钟罩式压入法球化处理时，虽然可以防止球化剂的上浮，但是由于其反应速度快，铁水沸腾剧烈，球化剂的消耗量仍较高。自建压力加镁法时，镁锭的加入量虽然可以降低到0.12～0.14%，但是其设备复杂，操作麻烦，经倒包后铁水降温较大，安全性差。采用灭容自建压力加镁法球化处理时，压力包内铁水盛得太满，铁水面上部的空间太小，或密闭太严密时，包内镁蒸气自建压力过大，造成镁蒸气不沸腾，没有同铁水充分搅动而被铁水吸收，以液体状态浮于铁水表面，当打开压力包盖时，压力消失，液体镁遇空气剧烈燃烧、蒸发。这样不但操作不安全，而且达不到球化处理的目的。因而，冲入包内法产生以后，自建压力加镁法的球化处理方法受到限制。

另外，在惯用的冲入包内法球化处理时，使用的球化剂是按一定成分要求预先熔制好的。在熔制过程中，镁、稀土元素等的烧损是不可避免的。

中国专利申请号：93305754·7名称为“移动式球化处理反应室”的球化处理克服了上述不足，使球化处理时的球化剂加入量大幅度降低，采用9-10ReMg球化剂，只需加入占处理铁水总重量的0.5～0.7%，就可以球化处理成功。

中国专利申请号：93120914·5名称为“球化处理装置及其球化处理工艺”的专利申请为控制球化反应速度，取消球化剂的熔制工序，利用球化剂粉末，在包内进行脱硫、孕育处理提出了解决的技术方案。在生产中为了得到理想的球化反应速度，反应室的壁厚就要适当加厚，（例：出铁温度在1480℃，处理3吨铁水时，用低碳钢焊制的反应室，壁厚就需10mm以上）。以保证延长球化反应的时间。这就增加了反应室的重量，其生产成本也随之增加。由于其反应室体积较大而且较重，对于炉前操作者带来不便。“球化处理装置及其球化处理工艺”专利申请说明书中叙述的球化反应方式，“当需进一步控制反应速度时，反应室口面积应小于反应室内水平面截面积的30%。在球化处理开始时，铁水冲入铁水包内，首先将反应室盖熔化，铁水漫进反应室口接触到镁块。”应该指出，根据该技术方案的要求，装在反应室内的各种原料是呈堆积状的。待反应室口附近的镁块熔化消失一部分后，进入反应室的铁水同镁块的接触面积变大，反应室内镁块的熔化、气化速度也相应加快。镁液和镁蒸气的比重较轻，由反应室的下层向上浮起，在镁气化反应的压力及铁水静压力的作用下，反应室内的镁块在反应室内剧烈不停地振动。随着镁块的不断熔化，反应室内的镁蒸气也随之增大，气化沸腾的镁蒸气从反应室喷射出来以后，反应室内的压力在瞬间相应减弱，此时铁水继续进入反应室，且进入的铁水量不断增加。镁块在球化反应室内由开始的面接触逐步发展为其体表面全部接触，镁块周围的铁水层逐渐加厚，温度逐步升高，镁块的熔化气化过程也就随之加剧，因此造成反应室内后期的球化反应速度仍较快，镁蒸气的沸腾仍较剧烈。尽管在减小反应室口的截面积、减小镁块的表面积以及减小硅铁的粒度等方面做了一些改变，但是，球化反应后期反应沸腾剧烈的问题仍不能控制。因此，镁块的加入量占处理铁水总重量的0.10～0.12%才能保证球化处理合格。

发明的目的：

本发明的目的是提供一种生产制造工艺简单、质量稳定可靠、操作方便、无环境污染、机械性能及铸造性能优良的低成本、无烟球化处理工艺及其球化处理装置。本发明的另一个目的是提供一种简便宜行的脱硫、孕育处理工艺。

发明的技术方案之一：

其技术解决方案是制造出如附图1或附图2所示可以移动的球化处理反应装置，对现有的普通铁水包（1）（以下所述附图中所指零部件名称标记在各幅附图中均相同）焊接一个用来转动的套管（2），再配备其它装置及原料，就可以使普通平底铁水包在冲入包内法球化处理铁水时，球化处理每吨铁水的成本可以降低80～85%，并使工作环境得到明显改善。采用该装置完全可以取消对球化剂的熔炼工序过程，并有效地控制住了球化反应速度，使镁的回收率大幅度提高。其工艺过程是将球化处理铁水的主要元素镁块（3）制成正方形截面积的长方体（圆柱状体或其它类型柱状体也可以），镁块（3）的长度在小于铁水包高度70%时，采用附图1的反应室结构;当处理铁水量超过1000公斤或铁水包高度较低，镁块（3）的总长度大于铁水包高度70%时，可以采用附图2的反应室结构，可以采用反应室（4）内、外均衬耐火材料的办法减薄反应室的壁厚，并且反应室（4）可以反复多次使用。也可以在铁水包上焊接二个转动套管（2），同时将附图1结构的反应室和附图2结构的反应室分别装在铁水包内，或者同时将二个附图2结构的反应室分别装在铁水包内。镁块（3）的长度根据球化处理的铁水温度、镁块（3）的加入量及所需的球化反应速度来确定。镁块（3）可以是一个整体，也可以是若干段拼接而成。将占处理铁水总重量0.030～0.095%的镁块（3）置于用铸钢、铸铁铸造或采用钢材焊接制造或全部由耐火材料制成的反应室（4）中，周围用耐火材料或型砂、芯砂（5）捣实，并将其烘干或固化，经过烘干或固化后就可以用来球化处理。也可以将熔化了的镁液浇注到上述条件的反应装置中，待其凝固冷却后，就可以用来球化处理。将准备好置有镁块（3）的反应室（4）与反应室支架（6）用销轴（或螺钉）（7）来固定连接，然后将其插入套管（2），穿好销拴（8），将反应室（4）推向铁水包包嘴一侧。为了隔热、保温，在铁水包内投放适量的木屑或草灰。向另一侧的包嘴方向冲入铁水至需铁水总重量的70%，把出铁口堵住，将反应室（4）移动至铁水包中心，使铁水包内各处的反应均匀进行。在反应室（4）结构不变的情况下，当需进一步减慢反应速度时，减小反应室口的面积，使其小于反应室内水平面截面积，减小反应室口与铁水包底的距离，都可以延长球化反应时间，使球化反应趋于平缓。在球化处理开始时，铁水冲入铁水包内，当液面达到一定高度时，首先将反应盖板（9）熔化，铁水在反应室口接触到镁块（3）。镁的比重1.738克/立方厘米，熔点为651℃，沸点为1107℃。由于反应室（4）内衬的隔热作用，只有反应室口处的镁块（3）接触铁水熔化后气化，镁块（3）与铁水的接触面积大为减少，有效地控制了镁块的熔化、气化速度，基本消除了球化反应时的烟尘镁光，使镁的回收率提高。等球化反应完毕，覆盖铸造珍珠岩，将反应室支架（6）取下，充分搅拌、扒渣后再覆盖铸造珍珠岩，补放其余30%的铁水的同时，在出铁槽随流加入孕育剂进行孕育处理，冲满铁水后再进行第二次搅拌、扒渣、覆盖铸造珍珠岩，必要时可以进行第三次搅拌、扒渣、覆盖铸造珍珠岩，并在浇注时进行瞬时孕育处理。

发明的技术方案之二：

在技术方案之一的基础上，又进行了深入研究，为进一步降低球化处理综合成本，简化生产过程，研究出本技术方案。制造出如附图3、附图4所示装置，可以移动的具有支杆的覆盖板（10），可以采用铸钢、铸铁铸造或钢材焊接制造外衬耐火材料（11），也可以是完全由铸钢、铸铁铸造或钢材焊接制造或全部由耐火材料制成的具有支杆的覆盖板（10）。外衬耐火材料（11）的覆盖板（10）及其它装置与铁水包的堤坝或凹坑组合成一个反应室，放入外衬耐火材料或型、芯砂（12）的镁块（3）。镁块（3）的外形要求与技术方案之一相同。在镁块（3）重量一定的条件下，通过改变镁块的长度，改变镁块（3）与铁水的接触面积以及调解覆盖板（10）与铁水包堤坝或覆盖板与凹坑式包底之间的距离来控制球化反应速度。（堤坝式与凹坑式只是包内耐火材料修筑不同，其它结构不变。）镁块（3）的长度增加并减少与铁水的接触面积，将使球化反应速度减慢。调解覆盖板（10）与铁水包堤坝或覆盖板（10）与凹坑式包底之间的距离，可以控制堤坝或凹坑内镁蒸气的反应速度，使镁蒸气在覆盖板下沿水平偏下方向或水平方向均匀喷射，此距离减小使反应速度减慢。

镁合金冲入包内法的工艺已在我国应用了近三十年，对于目前生产上使用及继续使用的工厂，也完全可以采用此方案。

利用此方案在铁水包堤坝内或凹坑内加入小于2mm的碳酸钙（13），其加入量占处理铁水总重量的0.8～1.6%，可以在包内进行自下而上均匀的脱硫处理。其反应过程是依靠碳酸钙（13）加热至825℃时，分解反应所产生的二氧化碳气体将反应室中的氧化钙和尚未分解完的碳酸钙（13）喷出来，随着气体的上浮，这些微小颗粒在上浮过程中进行脱硫反应，可以获得理想的脱硫效果。

利用上述特征，可以在包内进行脱硫、球化复合处理。其作法是在外衬耐火材料或型、芯砂（12）的镁块（3）表面;或者是在块状镁合金的表面覆盖占处理铁水总重量0.8～1.6%的小于2mm的碳酸钙（13），利用覆盖板（10）的作用，可以在包内进行脱硫、球化复合处理。

采用覆盖板（10）进行脱硫球化复合处理的工艺过程是：将衬有耐火材料或型砂、芯砂（12）的镁块（3）或镁合金（14）放入铁水包的堤坝或凹坑内，其加入镁块或镁合金（14）中总含镁重量占处理铁水总重量的0.020～0.095%。然后在其表面覆盖占处理铁水总重量0.8～1.6%的小于2mm的碳酸钙（13），将覆盖板（10）转动至堤坝或凹坑上，靠严后，将销拴（8）插上。为了隔热保温，在铁水包内投放适量的木屑或草灰。由铁水包的另一侧包嘴方向冲入铁水至所需铁水总重量的70%;把出铁口堵住。当铁水冲入由覆盖板（10）与铁水包堤坝或凹坑组成的反应室后，碳酸钙（13）受热首先分解成氧化钙和二氧化碳气体，在气体压力作用下，将反应室中的氧化钙和尚未分解完的碳酸钙喷射出来，在铁水包内进行自下而上的脱硫处理。当反应盖板（9）熔化后（对于加入镁合金的情况下不存在），铁水将镁块（3）或镁合金（14）熔化并气化，镁蒸气将反应室内剩余的脱硫剂继续喷射出来，随着上浮气体，这些微小颗粒在上浮过程中进行脱硫反应，降低了铁水中的含硫量，使镁的有效利用率提高。对于加入镁块（3）的球化处理，改变反应盖板（9）的厚度来控制球化反应的开始时间，控制球化反应的速度的措施如前所述。对于镁合金（14）的球化处理，可以通过改变镁合金（14）的尺寸大小，调解覆盖板（10）与铁水包堤坝或覆盖板（10）与凹坑式包底之间的距离来控制球化反应速度。等球化反应完毕，覆盖铸造珍珠岩，将覆盖板（10）转动至另一侧包壁处，（若损坏了，可以将其取出包外更换）。其后搅拌、扒渣、覆盖铸造珍珠岩以及孕育处理与技术方案之一相同。技术方案之二增加了在包内的脱硫处理，使球化剂的加入量又有所降低。对于继续使用镁合金（14）的工厂，采用技术方案之二的装置后，镁合金（14）的块度尺寸有所增加，因此破碎镁合金（14）产生的粉末得到减少，并且镁合金（14）的粉末也可以得到利用。将镁合金（14）的粉末加入到铁水包的堤坝或凹坑内，可以减少镁合金（14）的加入量。单纯使用覆盖板（10）进行球化处理或脱硫处理的工艺过程比较简单，如前所述。

由于本发明有效地控制住球化反应速度，使球化处理成本大幅度降低，可以将该技术扩展到灰铸铁孕育处理的范畴。即加入不足以完全球化所需重量的镁块（3）或镁合金（14），控制反应速度，可获得理想的脱硫、孕育效果，使铸铁中游离状态的石墨成为蠕虫状、团状及部分球状。据西安交通大学陆文华主编的《铸铁及其熔炼》第七十二页中指出，“随着机械性能（即牌号）的提高，碳、硅含量逐渐下降，……其次随着铸件壁厚的加大，为了得到同样的机械性能（牌号），碳、硅的含量相应地减少。”该书表5-7介绍了一些工厂常用的灰铸铁件化学成分，对于HT200以上需孕育处理铸铁的碳当量由4.1%逐渐减小到3.5%左右。因此，造成了铁水的流动性下降，白口倾向增加。应用本发明的高效脱硫、孕育处理工艺得到的铁水含硫量明显下降，含碳量比传统的高强度孕育灰铸铁要高0.3%以上，其碳当量也较传统的高强度灰铸铁高（其碳当量在共晶成分左右），因此具有较好的充型性，白口倾向减小（炉前检测的三角试块白口宽度在1～2mm以下），具有良好的机械加工性能。抗拉强度达200～500牛顿/平方毫米时，硬度为HB160～210，为获得高强度、低硬度、低成本并具有良好铸造性能的铸件开辟了一条新途径。

发明的有益效果：

本发明解决了冲入包内法球化处理时，因球化反应速度过快而造成的镁回收率低、成分偏析，操作简单、方便安全、质量稳定可靠。与普通冲入法比较，球化处理每吨球铁的综合成本只有传统工艺的10～20%。球化级别可以稳定地达到1级，石墨尺寸大小为6～7级，机械性能（抗拉强度、延伸率）均符合国标要求。烟尘污染环境，危害人体健康已是众所周知的，它被看成致病的因素。传统工艺冲入包内法球化处理时，由于反应速度快，镁回收率低，大量的镁蒸气逸出，产生浓烈的白烟，环境污染严重。采用本发明炉前球化处理时，基本消除了烟尘镁光，使炉前操作的工作环境得到明显改善，其操作轻便。对于球化处理不成功（因冲入的铁水太多）或因浇注的时间较长造成后期的球化衰退时，可以随时压入准备好的球化反应装置进行二次球化处理。由于反应平缓，热量损失少，铁水降温较小。由于取消了球化剂的熔制工序，因此避免了球化剂熔炼过程中合金元素的烧损。

目前国内球化剂年产量为4万吨，每吨成本为1万元左右，以该工艺技术推广面为70%，降低球化处理成本85%计算：

4万吨×1万元/吨×70%×85%＝2.38亿元

即每年可以节省球化剂价值2.38亿元人民币。

将本发明扩展到孕育铸铁的范畴，可以在炉前进行高效脱硫、孕育处理。与传统工艺的高强度孕育铸铁（HT200以上牌号）比较，比重可以降低3～5%。由于采用本发明的脱硫、孕育处理后，机械性能可以提高30～100%（与HT200～HT350比较），因此采用新工艺减薄铸件壁厚20%是完全可行的。国内灰铸铁件年产量约800万吨，每吨价格为3000元左右，其中若有200万吨灰铸铁件采用本工艺技术，按上述条件计算：

3000元/吨×200万吨×（3%+20%）＝13.8亿元

即每年可以降低孕育铸铁件费用为13.8亿元人民币。

以上二项合计每年可以降低原材料费用为16.18亿元人民币。

图面说明：

附图1是Ⅰ型无烟球化处理装置的立体图;

附图2是Ⅱ型无烟球化处理装置的立体图;

附图3是覆盖板（10）与堤坝式铁水包组成的反应室加入镁块（3）及碳酸钙（13）的主视图、俯视图和左视图及A-A剖视图;

附图4是覆盖板（10）与凹坑式铁水包组成的反应室加入镁合金（14）及碳酸钙（13）的剖视图。

发明的实施举例：

实施例1：

在300kg工频电炉中熔炼。采用本发明技术方案之一，如附图1所示的球化处理装置。处理铁水总重量为300kg，出铁温度控制在1550℃，反应开始时包内铁水温度为1419℃。原铁水含硫量为0.06%，镁加入量占处理铁水总重量的0.054%，球化反应时间为2分钟，反应比较平稳，无烟尘镁光。补加完剩余30%的铁水后，包内铁水温度为1363℃。球化反应结束后13分钟取样，三角试块白口宽度为1～2mm，球化级别为1级，石墨尺寸大小为7级。

实施例2：

在冷风冲天炉熔化条件下进行，熔化率为2吨/小时。采用本发明技术方案之一，如附图1所示的球化处理装置。处理铁水总重量为1000kg，出铁槽铁水温度1450℃。原铁水含硫量为0.10%，镁加入量占处理铁水总重量的0.085%，球化反应时间为2分10秒，反应比较平稳。补加完剩余30%的铁水后，包内铁水温度为1402℃。球化反应结束后15分钟取样，三角试块无白口，球化级别为1级，石墨尺寸大小为7级。

实施例3：

在300kg工频电炉中熔炼。采用本发明技术方案之二，即具有支杆的覆盖板（10）与堤坝组成反应室，在其中加入衬有耐火材料（12）的镁块（3）。处理铁水总重量为320kg，出铁温度为1530℃，反应开始时包内铁水温度为1464℃。原铁水含硫量为0.02%，镁加入量占处理铁水总重量的0.028%，球化反应时间为2分30秒，反应平稳，无烟尘镁光。补加完剩余30%的铁水后，包内铁水温度为1428℃。球化反应结束后15分钟取样，三角试块白口宽度小于1mm，球化级别为1级，石墨尺寸大小为7级。

实施例4：

在冷风冲天炉熔炼条件下进行，熔化率为2吨/小时。采用本发明技术方案之二，即具有支杆的覆盖板（10）与堤坝组成反应室，在其中加入衬有耐火材料的镁块，并加入小于2mm的碳酸钙脱硫。处理铁水总重量为1000kg，出铁槽铁水温度1478℃。原铁水含硫量0.065%，镁加入量占处理铁水总重量的0.032%。球化反应时间为2分40秒，反应平稳，无烟尘镁光。补加完剩余的30%铁水后，包内铁水温度为1425℃。球化反应结束后15分钟取样，三角试块白口宽度小于1mm，球化级别为1级，石墨尺寸大小为7级。

实施例5：

在冷风冲天炉熔炼条件下进行，熔化率为7吨/小时。采用本发明技术方案之二，即具有支杆的覆盖板（10）与堤坝组成反应室，在其中加入含镁7%的镁合金（14），其加入量为处理铁水总重量的0.8%，并加入小于2mm的碳酸钙脱硫。处理铁水总重量为3000kg，出铁槽铁水温度为1485℃。原铁水含硫量为0.07%，所加入的镁合金（14）中总含镁重量占处理铁水总重量的0.056%。球化反应时间为1分15秒，有少量的烟尘镁光。补加完剩余30%的铁水后，包内铁水温度为1418℃，球化反应结束后18分钟取样，三角试块无白口，球化级别为3级，石墨尺寸大小为6～7级（在放大100倍的金相显微镜下观察，除了球状石墨外，有部分的石墨为团状或蠕虫状）。机械性能为抗拉极限强度499牛顿/平方毫米，抗拉屈服强度425牛顿/平方毫米，延伸率（%）16.9，硬度HB178。

实施例6：

在冷风冲天炉熔炼条件下进行，熔化率为7吨/小时。采用本发明技术方案之二，即具有支杆的覆盖板（10）与堤坝组成反应室，在其中加入衬有耐火材料（12）的镁块（3），并加入小于2mm的碳酸钙脱硫。处理铁水总重量为300kg，出铁槽铁水温度为1490℃。原铁水含硫量为0.05%，镁的加入量占处理铁水总重量的0.031%。球化反应时间为2分55秒，反应平稳。补加剩余的30%铁水后，包内温度为1396℃。球化反应结束后18分钟取样，三角试块无白口，球化级别为1级，石墨尺寸大小为7级，机械性能为抗拉极限强度608牛顿/平方毫米，延伸率（%）13.4，硬度HB185。