冲入法球化处理工艺的改进

冲入法球化处理工艺的改进王秀国（聊城鑫泰克机械有限责任公司，聊城 252000）摘要：通过对原铁水进行脱氧预处理、对球化剂采取合适的覆盖方式、适当降低铁水出炉温度、使球化反应开始的时间尽量发生在出“后半包铁水”的时间、严控出铁铁水的重量等等措施，可以使冲入法的球化工艺发挥到一个更高的水平：在球化剂加入量降低至0.82~1%的情况下，使铸件的球化级别符合国家标准，且大大降低铸件的缩孔、缩松倾向，减少夹渣、夹杂缺陷。

关键词：冲入法球化处理工艺脱氧预处理覆盖铁水出炉温度球化反应冲入法球化处理工艺，简单易行，对球墨铸铁件的推广应用起了“巨大”的作用，至今仍然是铸造企业较为普遍采用的球化处理方法。

但是，冲入法球化处理工艺也有严重的不足：一是球化剂Mg吸收率较低，二是生产的球铁铸件的质量不稳定。

传统的冲入法球化处理工艺：球化包通常设计成堤坝式或坑式。

将球化剂加入堤坝一侧或坑，在球化剂上面覆盖硅铁粒、孕育剂、铁屑、钢片、覆盖合金、珍珠岩等物。

感应电炉熔炼，使用6-2球化剂或7-2球化剂的较多，加入量大多在1.1% ~ 1.4% 。

球化剂Mg吸收率较低，一般在30% ~ 40%。

传统的冲入法球化处理工艺，球化剂Mg元素损耗严重，球化剂使用量大，球化质量不稳定；组织含有大量片状和蠕虫状石墨，对基体割裂作用大，影响性能；铁水温度损失大，渣量多，铸造废品率高。

笔者根据二十多年的工作经验、客户的要求、同行的先进经验，采取了一些“创造”性的方法，在生产0.5kg~400kg的球墨铸铁件时，使用5-2球化剂，加入量降低至0.82~ 1.0%。

正常情况下，球化率达到80%以上的包次达到99%以上。

参照《现代铸铁》2011年6月提供的一组数据，进行球化处理工艺对比Mg吸收率（%）={0.75×（原铁水含硫量% —残余硫量%）+残余镁量%Mg}/镁加入量（%）以15年8月18日夜班生产平衡块为例：原铁水S0.026，残余硫量0.022，残余镁量0.031%Mg ;球化级别：3级球化剂加入量6.8kg，含Mg按6%计算，出铁775kg（球化剂加入量0.88%）Mg吸收率（%）={0.75×（0.026%-0.022%）+0.031%Mg}/{0.88×6%}=64.3%做到以上效果，措施如下：1.对原铁水进行预处理——脱氧1.1 对原铁水进行脱氧的起因在球化反应中，除考虑反球化元素S以外，还要考虑O的作用。

Mg+O→MgO。

铁液中的ω（O）量与铁液温度、保温时间息息相关。

缓慢熔炼的铁液紊流程度小，铁液中的ω（O）量较低（< 40ppm）；快速熔炼的铁液往往紊流程度大，铁液中的ω（O）量高（> 80ppm），有时甚至高达120-140ppm。

经过计算，因熔炼条件不一致，造成两种铁液的ω（O）量一个为20ppm，一个为120ppm，就相当于原铁液中有0.01%的ω（S）量波动，这是不容忽视的情况。

另外，如果熔炼用的原材料铁锈多，熔炼好的铁水，氧化也比较严重；熔炼好的铁水，在1550℃以上过热保温，也容易氧化。

采用感应电炉熔炼，原铁水的ω（S）量一般在0.01~0.025。

如果考虑不到有相当于0.01%的ω（S）在波动，不加以调整球化剂的加入量，就会出现严重的冶金质量问题。

造成球化剂加入量相对不足，使得石墨球圆整度差、发生球化不良，导致球化级别不够；若球化剂加入量相对过剩，将使得残余Mg量高，从而导致皮下气孔、显微缩松等铸造缺陷。

在球化反应前，铁液对球化剂的需求保持在一个相对稳定的水平，就必须使球化前铁液的ω（O）、ω（S）量相对固定在一个较低的水平，这就是预处理技术的起因。

1.2 在对铁水采取脱氧技术前，本公司存在的问题1.2.1 球化剂加入量大、球化质量不稳定笔者生产的球铁件有0.3~2kg的管卡类铸件、2~10kg的割草机皮带轮铸件、7~10kg的重卡用行星架、10~20kg的轿车用飞轮、15~20kg的柴油机平衡块、20~40kg的轮边减速器壳/差速器壳、250~300kg的柴油机飞轮铸件等等。

球铁件的牌号为QT400-15、QT450-10、QT450-12、QT500-7、QT600-3。

熔炼设备为 1.5T/ h、5T/h的中频感应电炉。

球化包每包出铁水量为750kg/包和1500kg/包两种。

造型设备主要为ZZ416垂直分型无箱射压造型线。

造型线使用3个250kg的浇注包。

采用5T/ h电炉熔炼，在造型线上生产20~25kg/箱的铸件，每包出铁水750kg，一般每炉出6包铁水。

球化、浇注6包铁水，用时55~ 60分钟。

在造型线上生产12~15kg/箱的铸件，每包出铁水500kg，每炉出10包。

球化、浇注10包铁水，用时100分钟左右。

铁水在炉停留的时间越长，温度越高，氧化得越严重。

为了确保铸件球化级别≥3级，5kg以上的铸件,残余Mg不得不控制在0.05~0.085%，大大超出国家要求的0.03~0.06的围。

即使如此，残余Mg在0.05~ 0.055%时，经常有球化不良的包次出现。

2012年以前，球化剂的加入量为1.65% ~ 1.5%。

2012年~2014年上半年的生产条件：球化包修成堤坝式，包窝深度200mm。

为控制好球化反应速度，在球化剂上面覆盖1%的覆盖合金。

使用的球化剂为OGRC-6（G），含Mg量在6.8左右。

生产7~10kg的重卡用行星架，球化剂的加入量为1.35，残余Mg量多数控制在0.05~0.08的围。

1.2.2 铸件质量差，缩孔、缩松倾向严重我公司生产的行星架系列产品，在腿部及法兰盘接触处存在着热节。

在热节处容易产生缩孔。

特别是法兰盘较薄9GFT行星架，补缩通道不畅通，残余Mg 达到0.055%以上时，在解剖检查的样件中，几乎都发现有缩孔、缩松存在。

9GFT 行星架铸件的法兰盘厚度为20mm，腿部热节圆直径约30mm。

成品法兰盘厚度为：15.5mm。

铸件补缩非常困难。

同种类型的行星架2405022TOOH ，成品法兰盘厚度为：17.8mm，铸件法兰盘厚度25mm，很少产生缩松。

将残余Mg适当降低至0.045~0.055，缩孔、缩松倾向减少了，但是，出现了大批球化级别为4~5级的包次。

因球化级别不合格而报废的包次大幅上升。

这增加了生产安排的难度，严重影响了公司对客户的供货，降低了公司的信誉。

1.3 对以上问题的分析1.3.1 原铁液冲入球化包，球化剂开始反应，在形成石墨球以前，Mg会先对铁液进行脱氧，再进行脱硫。

Mg对原铁液而言，是很强的脱氧剂。

球化处理后，Mg会强烈地吸收各种来源的氧。

因此，Mg可能在保温停留、浇注和浇注系统中发生紊流时损失。

严重氧化的原铁液（由于熔化和保温温度高、炉料中废钢量高、炉料与大气含水等）将在球化处理过程中消耗大量的Mg，造成Mg吸收率低。

球铁球化质量的好坏与ω（Mg残）并没有直接的关系，真正起作用的是游离ω（Mg）量。

有时，ω（Mg残）量高，可能是化合态ω（Mg）量高，即ω（MgS）、ω（MgO）量高。

感应电炉熔炼，炉料主要为生铁、废钢、低S的增碳剂，硫高的可能性不大。

通过炉前快速C、S分析或光谱分析，原铁水中的S是可以在出铁球化前获悉的。

因铁水氧化，铁液含FeO高，发生反应Mg+O→MgO，会导致Mg被大量消耗，生成过大的ω（MgO）量。

而此时游离ω（Mg）量低，不仅不能获得良好的球化效果，而且会形成更多的缩松、夹杂。

铁水过度氧化，ω（MgO）量过高，游离ω（Mg）量过低，致使残余Mg高达0.05~0.055，铸件仍出现球化不良的根本原因。

铁水过度氧化，除了铁水在炉就氧化以外，还有一种情况：球化包、浇注包未烤干、烤透。

出铁球化时，包衬中的水分进入铁水，发生呛火。

H2O分解成H和O，O和Mg形成MgO。

1.3.2ω（Mg残）量在0.04%以下时，铁液的凝固区间基本和ω（Mg残）量无关，但当铁液中ω（Mg残）量增加到0.05%甚至更高时，铁液的凝固区间迅速扩大，使得奥氏体析出围增宽，缩孔、缩松倾向迅速增大。

如果ω（Mg残）量在0.06%或更高，其收缩倾向更大。

同时，随着ω（Mg残）量的升高，铁液有效补缩时间占铸件整个凝固时间的百分比也必须随之增加，才有可能获得健全的铸件。

换言之，在不调整补缩工艺的情况下，随着ω（Mg残）量的升高，铸件出现缩松的几率也大为升高。

综上，ω（Mg残）量过高是9GFT行星架产生缩孔、缩松的主要原因。

另外，球化过程中产生的氧化镁（MgO）化学稳定性很高，具有高熔点（会一直保持固相），低密度（在铁液中漂浮），在铁中的溶解度很低。

氧化镁渣会上浮到浇包铁液的表面，浇注入铸型后会上浮并积累在铸件的上表面，也可能被卷进铸件部形成有害夹杂物。

1-4 以上问题的解决方案1.4.1 导致ω（Mg残）量中游离ω（Mg）量比例低的因素有两个：一是原铁水的S高。

通过采用特级球墨铸铁用生铁、优质碳素结构钢的下脚料、高温石墨化处理增碳剂，可以将原铁水的S稳定地控制在一个较低的水平。

而且，原铁水的含S量也是可以检测获知的。

即原铁水的含S量是可控的。

原铁水的S太低（0.004或更低），会降低孕育效果。

二是原铁水的O不稳定，有时高，有时低，不易控制。

原铁水的O高时，Mg+O→MgO，ω（Mg残）量中ω（MgO）量比例较高，游离ω（Mg）量低。

只有将原铁水的O控制在一个较低的水平，才可以提高ω（Mg残）量中的游离ω（Mg）量的比例。

1.4.2如何将原铁水的O控制在一个较低的水平？对原铁水进行脱氧。

1.4.3对原铁水进行脱氧的机理：在出铁前7分钟左右，扒渣后将脱氧预处理剂加入炉铁水表面，使其与FeO 反应，将FeO中的O置换出来。

脱氧预处理剂的功能元素必须具备以下特点：（1）和铁液中O反应活性强，其氧化物的标准吉布斯自由能要低；（2）这种元素的氧化物密度尽可能小，最好和铁液类似；（3）这种氧化物的熔点要高。

根据标准吉布斯自由能-T图，各元素被氧化的难易程度，随温度略有变动，但有一个大致的顺序：Cu、Pb、Ni、Co、P、Fe、Cr、Mn、Si、Ti、Al、Mg、Ca。

元素与氧的亲和力按此顺序逐渐增加。

想脱出FeO中的O，必须使用Fe以下的元素如Mn、Si、Al、Ca。

还有两个元素Ba、La，具备脱氧的功能。

早期的研究表明：Ba并不溶于铁液，Ba具有比Ca强很多的表面活性。

加入铁水，在铁液中起强脱氧剂的作用。

Ba夺取其它金属氧化物中的氧，生成更为稳定的氧化物漂浮在铁液表面，即净化铁液又保护铁液免受氧化。

1.4.4对脱氧预处理剂的选择根据对原铁水进行脱氧预处理的机理，首先咨询了福士科公司，其生产的Inoculin390预处理剂，满足脱氧的要求。

Inoculin390是以Ba为主、La为辅的产品。