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球墨铸铁熔炼程序

日期:2023-01-09    浏览次数:    

1. 冶金预处理

       冶金预处理的目的是控制、保持铁液金属稳定的质量状态,调控球化、孕育数量和效果。铸铁特别是球墨铸铁熔炼应进行预处理,使铁液尽早具有稳定数量的氧含量和形核核心。适当有效的预处理能够增加20%~25%的核心数量。重要的是,应按熔炼作业指导书规定稳定控制熔炼温度,避免液态金属质量的剧烈波动(保持氧和核心存在)。

       熔炉内预处理增加铁液的核心,必须根据试验结果实施。试验主要是白口试片试验或采用CE热分析仪进行曲线测试。当炉料中含有高比例废钢时预处理更具重要意义(钢料不能提供核心)。

预处理通常有以下方案:

1)后期加入大比例的生铁。

2)加入SiC(加入量为0.4%),特别是加入钢料时。

3)第一次孕育时加入额外的孕育剂。如果氧含量高于常规,最好的预处理是出铁前加入碳化硅(SiC),作用如下:①碳与氧反应形成CO;②硅进入金属,增加硅含量。

4)最新的预处理工艺是在球化处理前,通过加入预处理剂,将铁液中的O、S含量稳定的控制在较低水平,为球化反应提供良好条件,同时反应产物能够形成稳定的形核核心。预处理元素需具有以下特点:①与铁液中的O、S反应活性强,其氧化物、硫化物的标准生成自由能低;②形成的氧化物、硫化物密度最好接近铁液,熔点要高,质点尺寸适合作形核核心。目前采用的含La、Ba的处理剂能较好地满足这些要求。

       预处理可提高孕育效率(降低孕育衰退影响)。下图7-6所示为三角试片试验的凝固过冷情况,采用FeSi合金孕育,可见采用预处理工艺后(最下面折线)孕育效果显著优于其他工艺。

       方案1)~方案3)是铸造工厂常用的方案,其中方案3)还不能算真正的预处理工艺,它是在出铁后进行的,通常用于Si含量较低的场合。SiC加入量的范围是0.4%~1.0%,加入SiC的预处理会减低随后的孕育处理的衰退。

图-1孕育处理对白口深度的影响

2. 球墨铸铁熔炼程序

球墨铸铁熔炼程序包括配料和熔炼工艺如下:

1)首批配料装炉必须致密,组分为废钢和回炉料的混合料。

2)随后装入回炉料和生铁的混合料。

3)最后是生铁和预处理的SiC。

4)加热熔化到1400~1450℃,根据铁液的化学成分(见特定材料的TG和Tc温度),温度应控制在Tc以下,直到化学分析和调整完成。

5)取样进行成分分析和Ceq曲线测试。

6)根据结果调整成分和添加预处理剂:①如果过冷温度为(3~5)℃,不在炉中额外添加,但在孕育时额外添加0.1%孕育剂;②如果过冷温度为(5 ~7)℃,在炉内额外添加生铁;③如果过冷温度为(8~10)℃,额外添加SiC和生铁;④如果过冷接近10℃,则很难通过炉前处理重建铁液的冶金质量以达到可接受的水

7)加热到出铁温度,扒渣后出铁。

       以上每个程序和操作规程中,操作必须与试验结果相联系,作业参数必须明确规定。避免人为的负面影响。

3. 脱硫处理

       球墨铸铁的终硫的质量分数应在0.008%~0.012%,以利于自由石墨的析出。由于不同原材料特别是多数的生铁中含硫量较高,采用FeSiMg(RE)或 NiMg合金中进行球化处理,会产生大量的残渣(主要是Mg反应产物)和残留的Mg,反应直到金属凝固结束。残渣会导致夹渣缺陷,因此铁液在Mg处理前的初始硫的质量分数的上限通常是0.020%~0.025%。若超出硫的质量分数上限需要单独进行脱硫处理。向铁液导入碳化钙的处理工艺可促使硫低于0.020%,最好到0.015%。降低含硫量可减少球化处理镁的加入量。

(1). 类型

       脱硫处理前铸造工厂必须要确定未脱硫前铁液中最大的初始含硫量。

       脱硫是消耗成本费时的工艺,处理剂非常便宜,可以采用包处理,处理金属需耗费能源和时间。它不会改变铁液与相关核心的冶金质量。若采用惰性气体(氮气)搅动可获得良好的持续结果。

       碳化钙是最有效的脱硫剂,尤其是对于硫的质量分数较低的铸铁。碳化钙的物理密度为(1.1~1.3)t/m3,颗粒尺寸取决于处理方式:

          0.1~1.0mm    搅拌处理

          0.01~0.06mm   N2注入

       也可加入石灰(CaO),加入量需多些,甚至可以加氟石和盐, 主要化学成分如下:

          CaC2        68%~75%

          CaO         10%~16%

          CaC2/CaO      4%~7%

          C自由        3%~6%

          SiO2+Al2O3+Fe2O3   3%~6%

       产生化学反应如下:

                                 CaC2—→Ca+2C

                                 Ca+S—→CaS

                                 CaC2+S—→CaS+2C

                                 CaO+S—→CaS+O

                                 Si+2O—→SiO2

                                 2CaO+2S+Si—→2CaS+SiO2

       处理剂的加入方法有以下两种:①搅拌(机械或电磁的),处理剂加到铁液上表面;②经包底同氮气注入。

       脱硫效果取决于以下因素:①较高的初始硫含量会导致较多脱硫量;②增加脱硫处理时间会提高脱硫率;增加脱硫剂的CaC2含量,会提高脱硫量;③剧烈的搅拌是非常重要的因素,如果没有搅拌和氮气注入,处理效率将下降许多;④通常添加0.50%~1.0% CaC2(取决于初始的硫含量),可达到>50%处理效率;⑤减少脱硫剂颗粒尺寸会因为增加接触面积而略微增加脱硫效率;⑥脱硫效果结果与铁液温度无关。

       处理时间为5~10min,处理将造成(30~55)℃的温度降低。脱硫率随硫的质量分数下降而降低。如果进行脱硫处理,硫的质量分数应降到<0.020%同时Mg的加入量尽可能降低以利于球化处理。处理后必须进行化学分析复检,用以计算镁的加入量。

(2). 脱硫处理程序

根据S初始含量结果进行脱硫处理如下:

1)保证炉内温度为1425℃~1450℃(取决于Tc温度)。

2)添加1% CaC,粒度为0.5~1.5mm。

3)向浇包中出铁反应约5~10min。

4)将铁液浇回炉内,可添加合金(FeSi, FeMn, C等)加热到出炉温度扒渣后出铁。

(3). 避免硫的质量分数过低

       冲天炉熔炼时,硫的质量分数较高,几乎是必须要进行脱硫[w(S)<0.025%,最好是w(S)≤ 0.020%]。电炉熔炼、特别是采用高纯净生铁和电极增碳剂时可能造成硫的质量分数非常低,而在镁处理之前,w(S)应该大于0.015%。

       如果硫的质量分数太低(见图7-7),必须降低镁的添加量,以避免镁和氧起化学反应,减少氧形成 SiO2的孕育浓度起伏的能力。镁和硫反应生成MgS,其尺寸≤50 μm,可增加核心数量。

       不仅是灰铸铁生产,即使是电炉熔炼球墨铸铁也需要使用FeS(黄铁矿)调整硫的质量分数。

4. 球化处理

图-2典型因过低含硫量球墨铸铁金相组织

(1). 目的

       促成铸铁的石墨由常规片状转变成团块、球状,将液态金属凝固成延展性铸铁。球化处理采用低硫生铁(小于 0.03% 甚至在一些工艺中小于 0.01%)最为经济,通常铁液中较高硫含量要消耗更多得球化剂,球化剂首先对铁液进行脱硫,并在铁液中残留充足数量确保形成球状石墨。球化处理确保液态金属一经凝固将会具有较高球化率(尽可能接近至 100%),形成大量独立的石墨球。

(2). 球化剂

       经过对多种材料进行测试,对实际应用生产而言,能最有效形成球状石墨铸铁的球化剂材料的是镁和铈。

       在工业生产中,主要球化剂是镁合金、稀土合金(以Ce、La为主的轻稀土和以Ye为主的重稀土)和钙。Mg或Ce时常连同其他稀土元素和钙以特定的成分组合在一起,在合适的时间加入到原铁液中,形成石墨球核心,并在凝固期间形成球状石墨。

       铈具有沸点高于镁的优势。Ce的沸点为3257℃,而镁仅为1105℃,所以Ce具有形成更稳定的氧化物和硫化物能力,抗衰退好,延长石墨不变形的保温时间长(这是镁的一个弱点)。

       金属中微量干扰元素铅、锑、铋、铝、钛和砷时常干扰熔炼时石墨核心的形成。少量镁和铈联合处理,能中和这些元素的不良影响。由于微量干扰元素的存在,铈依然是球化处理工艺中需保留的要素。镁与铈一同使用以弥补镁的抗衰退不足,增加球化效果。

       为确保球化需加入Mg(有时配加稀土元素,多是铈),进行以下反应:

          Mg+O—→MgO

          Mg+S—→MgS

          2Mg+SiO2+O2—→Mg2SiO4(Mg2SiO3)

       以上反应可去除硫和氧这些促使片状石墨偏析的元素。

       在预处理和脱硫之后、出铁之前,必须准确的测量金属液体中硫和氧,以便能够计算镁的必需添加镁量。

1)质量分数为 0.075%的Mg和质量分数为 0.1%的 S 形成MgS 小尺寸的 MgS 可作为核心,非常好地增加球化率,减少收缩倾向,促进形成 “长效石墨 ”。

2)但是Mg也与氧起化学反应,消耗更多的Mg 100ppm的Mg只能67ppm的 O反应,因此与硫相比氧将消耗双倍的Mg。Mg能将铁液中氧含量从0.0135%降到0.003%,图7-8是Mg与S和O反应示意图。