球化剂、球化包芯线的选择和球化工艺参数的确定

科技 2024-11-03 21:38 河北

1 前言：

在对熔炼材料的长期技术服务过程中，发现有些铸造单位，不知道如何根据自己生产铸件的牌号、结构及生产工艺、炉料的情况选择球化的种类和成分，对于球化剂中各种成分的作用还不是很清楚，有的单位不能根据自己单位的实际情况确定正确的球化工艺参数，这一方面造成不同程度的成本升高，而且造成资源的浪费。

2 球化剂的分类：

2.1根据球化剂中主要的球化元素可分为：镁系球化剂、稀土系球化剂和钙系球化剂

镁系球化剂：镁是球化能力最强的元素，也是应用最广泛的球化剂，尽管从热力学上看，镁与氧、硫的亲和能力要次于钙和铈，但从动力学角度，由于镁的沸点（1107℃）低，密度小（1.738g/cm³），对铁水有搅拌作用，镁的实际脱氧去硫的作用大于钙和铈。镁作为球化元素可以使石墨球园整，对合金液处理前的含硫量范围适应性好，并且在亚共晶和过共晶成分的合金液均能起到良好的球化效果，但是由于镁与大部分反球化元素不相化合或者化合程度很小，故镁球化剂的缺点是抗反球化元素能力低^【1】；镁的密度低，在铁液中容易上浮，球化衰退快，形成夹渣、缩松和皮下气孔等缺陷的倾向大；而且反应剧烈，烧损大，烟雾大，恶化环境。

稀土系球化剂：稀土的沸点高，其中铈的沸点为1400℃，密度大（7.4-7.6g/cm³），球化处理时无沸腾和火光烟尘，环境污染少，劳动条件好，但反应动力学条件差，石墨球圆整度差，常出现团状及团片状石墨，在大断面球墨铸铁件及热节部位易产生石墨畸变，白口倾向及石墨漂浮都比镁球墨铸铁严重；稀土元素能和反球化元素形成稳定的化合物，从而在一定程度上可抵消这些元素的干扰作用，对原铁液中反球化元素含量可比用镁时适当放宽^【2】；对过共晶成分的铁液有稳定的球化效果，对于含硫量为0.06%的铁液在残留铈为0.04%以上时，就能使铁液中石墨球化，但对亚共晶成分铁液要求铁液含硫量极低（0.006%），并且加入量大^【3】。稀土球化剂有利于净化铁水，铸件夹渣、缩松倾向小，但由于加入量高及成本高等因素一般不再单独使用，最好与镁复合使用。

在球化剂常用的稀土中，镧的球化作用最弱，只有在激冷区有一定的球化作用。但镧氏球化剂可以延缓共晶过程中石墨的析出，对防治铸件缩松有一定的作用。轻稀土元素起球化作用的含量范围较窄，加入量不足难以球化，加入过多，白口倾向严重并出现异形石墨^【4】；重稀土元素钇对高碳过共晶合金液有很好的球化作用，在高碳过共晶合金液中，钇的球化能力比铈强，略逊于镁；碳量较低时，冷却快则成白口，冷却慢则不球化。钇与镁、铈不同的是可以过量加入，在碳当量和冷却速度适当时，加入量达到正常球化需要量的3-4倍也不出现白口，而且钇的脱硫能力极强，且不回硫。因此可以利用钇的过量增加和不回硫特点来提高铁液的抗衰退能力^【5】。

钙系球化剂：钙的沸点1440℃，密度1.54g/cm³，作用平稳，对于要求高温球化处理（大于1500℃）的铁液，球化剂除了采用低镁低稀土的成分外，还可以在球化剂中添加一定含量的钙，延缓铁液与球化剂反应的剧烈程度。虽然从热力学的角度上其与硫、氧的亲和力比镁强，但与硫、氧反应的动力学条件差，球化能力弱，需要加入量大，造渣多。金属钙很容易氧化，不便于储存，故一般不单独做球化剂。加钙处理的球墨铸铁的白口倾向比加镁处理的白口倾向要小，使得加钙处理的球墨铸铁对硅、锰的敏感性较小，容易得到铸态铁素体基体。图1、图2^【6】分别是含硅量、含锰量不同时，加钙处理与加镁处理的白口倾向对比。

图1 含硅量不同时加钙处理与加镁处理的白口倾向对比

图2 含锰量不同时加钙处理与加镁处理的白口倾向

目前单纯的稀土球化剂和钙系球化剂已不再单独使用，而是结合镁、稀土、钙的优点以合理的比例含量做成稀土镁硅铁合金球化剂。

2.2按照制作方法和形状可分为：普通球化剂和球化包芯线

普通球化剂是将几种合金或者金属用电炉熔化浇注成一定形状，或者破碎成一定行块度的颗粒；

球化包芯线是先将一定成分的球化剂破碎成一定细度的粉状颗粒，然后用包线机用一定宽度和一定厚度的铁皮将球化剂粉末颗粒或者是几种合金的粉末颗粒包裹成一定粗细的金属线，使用时用专用喂丝机以一定速度喂入金属液。

3 球化剂的选择

3.1球化剂种类的选择原则

球化种类的选择一般要根据铸件的种类、牌号、重量、结构，炉料的情况等来选择。

对材质中硅含量要求低的铸件，为防止球化过程中增硅过多，选用无硅的纯镁球化剂；对含干扰元素少的炉料，选用无稀土的纯镁球化剂或者镁硅铁合金球化剂；对含干扰元素多的炉料，选用含稀土的稀土硅铁镁合金球化剂；对大型珠光体球铁，选用铜镁合金；对高镍奥氏体、贝氏体球墨铸铁件，选用镍镁球化剂；对于铸态铁素体球墨铸铁件、高韧性铁素体球墨铸铁件，首先选用含钡的稀土硅铁镁合金，或者无稀土球化剂；对于铸件大小稳定，批量大，每次球化铁水重量稳定的铸件，首先考虑采用球化包芯线。

3.2球化剂成分的选择

球化剂的成分包括镁、稀土、钙等球化元素、硅、铝、和铜、镍、铁等。球化元素是主要起球化作用的元素，硅则在球化剂的熔炼过程中和镁形成MgSi合金，起到减少镁烧损和上浮的作用。铜、镍、铁含量的多少可以起到调节球化剂的密度的作用，防治在在球化反应过程中，球化剂上浮过快的作用，从而提高镁的吸收率。另外球化中还含有氧化镁，则是由在球化剂的生产过程中由金属镁氧化形成，另外氧化镁的含量高，增加铁液中氧化渣的数量，则铸件形成黑斑缺陷的机率就越大。

3.2.1镁含量的确定

选择球化剂中镁含量的高低主要依据球化处理温度，球化处理温度低时，选择含镁量较高的球化剂，以免球化剂加入量过多，造成铁液降温过多；球化处理温度高时，选择含镁量低的球化剂，以免镁的吸收率过低；

铁水的含硫量高，则选择的球化剂的镁含量相应的要高些，避免因选择含镁量过低的球化剂导致球化剂加入量过高，造成球化过程铁水降温过多；铁水含硫量低，选择镁含量低的球化剂，可以使球化反应平稳，避免脱硫效果不稳定。

3.2.2稀土含量的确定

炉前铁液中的反球化元素高，则球化剂和球化包芯线中的稀土含量要高。炉前铁液中反球化元素少，则球化剂和球化包芯线中稀土含量要低，避免增加成本。目前随着我国生铁和废钢的质量提高，我们使用球化剂中的稀土含量存在普遍偏高的现象；铸件属于薄壁铸件，则球化剂和球化包芯线中的稀土含量要低，防治铸件出现白口缺陷；铸件属于厚大铸件，则球化剂和球化包芯线中的稀土含量要低，防治铸件中心部位出现碎块石墨；由于铁液中稀土元素含量高时，可强烈增加铁液的过冷度，促进珠光体的形成，铁素体球铁使用的球化剂和包芯线中稀土含量要低些，珠光体球铁使用的球化剂中稀土含量可以高些；铁液浇注时间长时，球化剂中稀土含量可相应高些，稀土含量高可以延缓球化衰退时间。

3.2.3钙含量的确定

钙是球化元素，钙元素和镁、稀土元素一样都可以对铁液起到球化的作用。由于钙的熔点高，当铁水球化温度高时，球化剂和球化包芯线中的钙含量可以高些，以降低反应剧烈程度和延缓起爆时间；生产薄壁铸件，铸件容易出现白口缺陷时，球化剂和球化包芯线中的钙含量可以相应高些，以降低铁液的白口倾向。当生产铸态铁素体基体铸件时，球化剂中的钙含量可以高些，生产珠光体基体球墨铸铁件时，球化剂中钙含量要低些。

3.2.4 铝元素的确定

铝元素由生产球化剂和包芯线时加入的合金代入，球化剂和球化包芯线中的铝含量越低越好。

4 球化工艺参数的确定

4.1 铁水球化量的确定

一次球化铁水量的多少决定于浇注时间的长短，最好一次球化铁水量要保证从铁液球化完到铁液完全浇完能够控制在12分钟内，最长不要超过15分钟。

4.2 球化温度的确定

铁液球化温度的高低是由浇注温度的高低决定的，也就是由尾箱需要满足的最低浇注温度决定的。

铁液的球化温度=尾箱的需要满足的最低浇注温度+出铁降温+球化降温+导包降温+运输、浇注过程的降温。球化温度确定的原则是在满足尾箱需要的最低浇注温度的前提下球化温度越低越好。

4.3 球化剂加入量的确定

球化剂的加入量取决于以下几个因素：

4.3.1 原铁水的含硫量、含氧量

原铁水的含硫量越高，球化剂的加入量越高；原铁水的含硫量越低，加入量越低。铁液含氧量高时，加入量要高些。

4.3.2 球化剂中的镁、稀土含量

球化剂中镁含量高，球化剂加入量低；球化剂中镁含量低，球化剂加入量高。

4.3.3 铁水的球化处理温度

铁水的球化处理温度高，球化剂加入量高；铁水的处理温度低，球化剂加入量低。

4.3.4 球化处理工艺

球化剂加入量的高低还要根据采用的球化处理工艺来定，采用镁的吸收率高的处理工艺，球化剂加入量低；采用镁的吸收率低的处理工艺时，球化剂加入量高。

4.4 球化剂的粒度的确定

球化剂粒度的大小要根据一次球化的铁水量的多少来决定，球化剂的粒度和一次球化铁水量的关系见表3。

表3：球化剂的粒度和一次球化铁水量的关系

一次球化铁水量（吨）

≤0.5

0.5～3

3～10

10～30

30～50

≥50

球化剂的粒度（mm）

2～15

3～20

3～25

5～25

5～30

5～35

4.5 残留镁的确定

球化后铁液的残留镁量在保证球化等级的情况下越低越好，一般要保证中、大件在浇注末尾大于0.035%，小件大于0.025%。球化后残留镁的的高低主要取决于以下因素：

4.5.1 铸件的的结构

厚大铸件，浇注后铁液凝固时间长，残留镁要相应的高些，薄壁小件浇注后凝固时间短，残留镁量可以相应低些。

4.5.2 铁水的球化温度

铁液球化温度高，铁液球化后，球化衰退快，残留镁量要高些，铁液球化温度低，球化后球化衰退慢，铁液残留镁量可以相应低些。

4.5.3 从球化结束到浇注结束的时间

从铁液球化后到浇注完的时间长，残留镁量要控制的高些；从球化完到铁液浇注完的时间短，残留镁量可以控制的相应的低些。

4.5.4 铁水的碳含量

铁液的碳含量越高，保证铁液球化良好的最低残留镁量越高。铁液含碳量和残余镁量的关系见图3^【7】。

图3：铁液含碳量、残余镁量与石墨形态的关系

（注：含硅量2.5% 试棒φ30mm）

4.5.5 球化后铁水的硫含量

球化后铁液的硫含量高，随着时间的延长，球化衰退的快，残留镁量要控制的高些；球化后铁液的硫含量低，球化衰退的慢，残留镁量可以低些。

4.6 残留稀土的确定

球化后铁液残留稀土含量的多少根据以下因素确定：

4.6.1 铁液中反球化元素的含量多少

当铁液中反球化元素含量高时，铁液的稀土残留量要高些；铁液中反球化元素的含量低时，铁液的稀土残留量要低些。

4.6.2 铁液温度

铁液温度高时，球化衰退速度快，铁液中残留稀土适当提高，可以减缓铁液球化衰退速度。

4.6.3 铸件壁厚

为防止薄壁铸件产生白口和厚大铸件中心产生碎块石墨，铁液的残留稀土要低些。

4.6.4 铸件的牌号（或者组织）

由于残留稀土提高铁液的过冷度，珠光体基体球铁残留稀土可适当高些，铁素体基体球铁残留稀土要低些。

4.7 喂丝球化速度的确定

喂丝球化工艺中喂丝速度决定决定着包芯线中镁的吸收率，合适的喂丝速度要保证球化丝伸入到离液面底部100～200mm时起爆，以保证包内铁液脱硫充分。喂丝速度过低，则不能保证球化包芯线深入到铁水包底起爆，使球化包底部的铁水不能和包芯线内的球化粉料充分接触脱硫；喂丝速度过快，则会使球化包芯线到达底部时不能起爆，使球化包芯线在浮力作用下上浮到铁液上部或者表面燃烧，起不到脱硫脱氧的作用。图4是铁水温度低时，因球化包芯线因为喂丝速度过快球化包芯线到达铁水包底部后上浮到铁液表面燃烧后的情况（铁水重量：7.5吨；铁水温度1430℃；喂丝速度50米/分钟，铁液喂丝球化前后硫含量几乎不变。后将喂丝速度调整为35米/分钟，脱硫、球化正常）。

图4：喂丝速度过快造成的球化线上浮到铁液表面燃烧

假设球化包内液面高度为H米，球化丝在伸入铁液中T秒时刻球化丝熔化起爆，则适合的喂丝速度V（米/分钟）为:V=（H—0.2）×60÷T。式中T的大小取决于球化包芯线铁皮的厚度、铁液的喂丝球化温度；H的大小取决于球化铁液的重量和球化包的高径比。

当铁液球化温度较高时，球化丝在铁液中熔化起爆的时间T变小，为保证球化丝在包底起爆，此时喂丝速度需要变大，但太高的喂丝速度导致喂丝球化时间变短，脱硫脱氧的时间过短，脱硫脱氧的效果变差，同时铁液球化反应会过于剧烈，铁液喷溅剧烈，镁的吸收率降低。此时只有增加球化包芯线的铁皮厚度，增加球化丝熔化起爆时间T,从而降低喂丝速度V,使喂丝球化时间在适宜的范围内，反应剧烈程度适宜，从而保证镁的吸收率和脱硫脱氧的效果。

4.8 喂丝根数的确定

喂丝根数的多少取决于每包球化铁液的重量，当一包的铁液重量较大时，需要同时喂丝多根球化线。多线喂丝是为了控制球化反应时间在合理的范围之内，使球化反应时间不至于过长，从而保证球化效果。

表4是铁液重量和喂丝根数的关系：

铁液重量（吨）	≤5	5～20	20～50	＞50
喂丝根数	1	2	2～3	3～4

喂丝球化工艺中有关球化包、球化铁水量、球化温度、球化丝加入量的确定、残留镁和稀土的确定和普通球化剂的要求一样，在此不再重复。

5 结论

在生产球铁时，只有根据铸件的种类、牌号、结构及炉料的状况、铸造工艺等选择合理的球化剂种类及球化剂的成分，并制定合理的球化工艺，才能生产出性能合格的球墨铸铁件，并使铸件成本最优。

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