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各种球化处理方法述评
发布时间:2012-06-26 07:01:42 浏览次数:217来源:张忠仇,李克锐( 郑州机械研究所,河南,郑州,450052 )
摘 要:球化处理是生产高质量球铁件的重要环节之一。通过对国内外球化处理方法的介绍和分析,提出应按照球化剂种类、铸件大小,产量规模、生产方法和环保等条件选择最合适的球化处理方法,逐步改变我国大多数工厂只采用冲入法球化处理的状况。
关键词:球墨铸铁;球化处理方法
球化处理是生产高质量球铁件的重要环节之一,我国大多数工厂只采用敞口包冲入法球化处理工艺。这种方法,球化剂烧损大、镁的回收率低,球化不稳定,特别是镁光烟雾,造成铸造车间环境污染。人们也在寻求别的途径进行球化处理,如盖包、转包、喂线等等。某些工厂经过摸索,积累了很好的经验,不断改进,取得很好效果,但也有相当一部分工厂,由于没有掌握要领,采用新方法出现了这样那样的问题,又重新采用冲入法处理。全国铸铁及熔炼专委会在征求部分专家的意见后,认为有必要在第八届学术会议上展开重点研讨。
1、铸铁石墨球化有关问题
自1948年英国莫勒Morrogh和美国INCO公司宣布往铸铁中加入稀土元素铈和镁获得球状石墨,并在1949年开始生产球墨铸铁以来,人们从实践中认识到,使铸铁石墨球化的元素,主要是镁,其它元素(稀土、钙、锂、锶等)在不同条件下虽也有一定的球化能力,但只是用于抑制干扰元素的影响,起辅助球化作用,过量反而会影响球墨的圆整度,影响球化,起不良作用。
郑州机械研究所早在上世纪70~80年代就开始进行稀土、镁元素对铸铁变质作用的研究。试验表明,镁是最好的球化元素,单独用稀土处理,也能球化,但稀土元素球化效果不好、球形差,易出现各种变态石墨、白口倾向大。球化剂中含少量稀土元素能降低保证球化的残余镁量,增加石墨球数,消除干扰元素的作用和减少氧化夹杂,因此球化剂应以镁为主,辅以少量稀土。[1]国外研究工作者如Lalich[2]、Barton[3]也得出了同样的试验结果。
回顾我国球铁发展历程,过去提的“稀土镁球铁”,是在一定历史、物质和技术条件下的产物,现在更名为“镁球铁”或“镁稀土球铁”,或许更科学、更合理。
选择合适的球化处理方法实质就是研究如何提高镁的回收率,即加入最少量的镁(使球铁中含有保证球化的Mg残),获得球化率高且质量稳定的球铁,同时球化处理过程还要安全、平稳、便捷和环境友好。[4]
镁元素的物理性能列于表1。
表1 镁的部分物理性能
在元素周期
表中的序数 原子量 晶格排列 密度 熔点 沸点 比热 熔化潜热 汽化潜热 12 24.32 紧密六
方晶格 1.73g/cm3 651℃ 1107℃ 0.25卡/克.℃ 86.3卡/克 1254±61.8卡/克
图1 敞口包一般冲入法,高径比=2:1
将镁加入铁液中会产生以下问题:
1)镁在固态铁中的溶解度非常小,在铁液中,随温度升高,碳硅含量增加,溶解度略为增加;
2)镁的沸点为1107℃,而球化处理时铁液的温度约1500℃左右,如加入纯镁,不采取安全保护措施,将会迅速汽化,形成很高蒸汽压,引起激烈的沸腾喷溅;
3)镁的密度仅为1.73g/cm2,比铁液的密度7.3g/cm3小得多,这将促使加入的镁漂浮至液面而沸腾和燃烧;
4)镁和氧有很大的亲和力,两者很易生成白烟状的MgO,会污染铸造车间的空气;
5)一部分Mg与S生成MgS;MgO往往与来自铁液和包衬耐火材料中的SiO2生成MgSiO3;这些氧化物/硅酸盐/硫化物混合在一起在铁液表面生成一层粘膜,或形成固体状的夹杂物。
这些夹杂物如未被彻底清除,有可能进入铸件形成夹渣缺陷,成为球铁件报废的主要原因之一。
生产中,以镁回收率(Mg回收率,%)来表示球化处理的效果:
Mg回收率很大程度上取决于球化方法;一般随处理温度提高而下降;受处理包的设计和维护以及球化剂(镁合金)的选择影响较大。
2、国内外球化处理方法介绍[5]、[6]、[7]
2.1 包内冲入法
2.1.1 敞口包一般冲入法
这种方法在早期应用比较广泛,国外较多使用Ni-Mg合金,密度比纯镁大得多,如含Mg 10%的Ni-Mg合金密度约可达8.1g/cm3。将这种合金置于包底凹坑内,迅速冲入铁液,合金不会上漂。适用生产高镍奥氏体球铁(如排气管、增压器等铸件)。国内处理包高径比H:D一般较小,约为1.2,现逐渐要求≥1.5,但也比国外小。此外,国内球化剂大多为镁稀土硅铁,密度较小,所以这种不加覆盖剂的方法基本不用。
2.1.2 夹层覆盖冲入法(Sardwich, 三明治法)
在包底凹坑装入球化剂上再覆盖一定数量的球铁、废钢、铁屑、硅铁(有时还加入碳化钙)压实,最上面再盖一块预先浇铸的铁板,覆盖一夹层,所谓的S
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