球墨鑄鐵提高球化率的工藝實用方案
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發(fā)表時間：2020-05-10 16:13:06
國內(nèi)普通球墨鑄鐵鑄件的球化級別要求達到4級以上，（即球化率70%，）一般鑄造廠達到的球化率為85%左右。近年來，隨著球墨鑄鐵生產(chǎn)的發(fā)展，尤其是在風電鑄件生產(chǎn)和鑄件質(zhì)量要求較高的行業(yè)，要求球化級別達到2級，即球化率達到90%以上。筆者公司通過對QT400 15原采用的球化、孕育處理工藝以及球化劑、孕育劑進行分析、改進，使球墨鑄鐵的球化率達到了90%以上。
1、原生產(chǎn)工藝
原生產(chǎn)工藝：熔煉設(shè)備采用2.0T中頻爐和1.5T工頻爐；QT400 15原鐵液成分為ω（C）=3.75%~3.95%、、ω（Si）=1.4%~1.7%、ω(Mn)≤0.40%、ω（P）≤0.07%、ω（S）≤0.035%；球化處理所用球化劑為1.3%~l.5%的RE3Mg8SiFe合金；孕育處理所用孕育劑為0.7%~0.9%的75SiFe C合金。球化處理采用兩次出鐵沖入法：先出鐵55%~60%，進行球化處理，然后加入孕育劑，再補加其余鐵液。由于球化、孕育采用傳統(tǒng)的方式，用25 mm厚的單鑄楔形試塊檢測得到的球化率一般在80%左右，即球化級別3級。
2、提高球化率的試驗方案
為提高球化率，對原來的球化和孕育處理工藝進行了改進，主要措施是：增大球化劑和孕育劑加入量、凈化鐵液、脫硫處理等。球化率仍然采用25 mm的單鑄楔形試塊進行檢測，具體方案如下：
（1）分析原工藝球化率偏低的原因，曾認為是球化劑用量較少，故將球化劑加入量由1.3%~1.4%增加到1.7%，但球化率并未達到要求。
（2）另一種猜測是認為球化率偏低可能是由于孕育不良或孕育衰退引起，因而試驗加大孕育劑量，由0.7%~0.9%增加到1.1%，球化率亦未達到要求。
(3)繼續(xù)分析認為鐵液夾雜較多、球化干擾元素偏高等可能是造成球化率偏低的原因，因而對鐵液進行高溫凈化，高溫凈化溫度一般控制在1 500±10，但其球化率仍未突破90%。
(4) ω（S）量高嚴重消耗球化劑量并加速球化衰退，因此增加脫硫處理，將原鐵液ω（S）量從原來的0.035%降低到0.020%以下，但球化率也只達到86%。
以上4種方案的試驗結(jié)果如表1所示，楔形試塊的組織和力學性能均未達到要求。
3、最后采用的改進方案
3.1具體改進措施
原材料采用生鐵、無銹或少銹的廢鋼和回爐料；對原鐵液進行爐外加純堿（Na2CO3）脫硫；采用福士科390預處理劑在包內(nèi)進行預脫氧處理；采用福士科球化劑進行球化處理；采用碳化硅和硅鐵聯(lián)合孕育。
新工藝原鐵液成分控制：ω（C）=(3.70%~3.90%、ω（Si）=0.80%~1.20%[鑄件ω（Si終）=2.60%~3.00%]、ω（Mn）≤0.30%、ω（P）≤0.05%、ω（S）≤0.02-。當原鐵液ω（S）量超過0.02-時，采用工業(yè)用純堿進行爐前脫硫處理，因脫硫反應是吸熱反應，要求脫硫溫度控制在1500左右，純堿加入量根據(jù)爐前熔清時的ω（S）量高低控制在1.5 % ~2.5 %。同時，球化處理包采用普通的堤壩式處理包，首先把福士科NODALLOY7RE牌號球化劑1.7%加入包底堤壩一側(cè)，扒平壓實，用0.2-的粉末狀碳化硅和0.3%的小塊狀75SiFe先后覆蓋一層，搗實后用壓鐵蓋上，在鐵液包的另一側(cè)加入0.3%的福士科390孕育劑。出鐵時首先沖入總鐵液量的55%~60%，待球化反應完畢后，加入1.2-的75SiFe C孕育劑后沖入剩余鐵液，扒渣澆注。
3.2試驗結(jié)果
原鐵液脫硫前后的的成分見表2、表3，25mm單鑄楔形試塊對應的力學性能和金相組織見表4，金相組織中球化率的評定方法采用金相圖像分析系統(tǒng)自動檢測。
4、結(jié)果分析
4.1主要元素對球化率的影響
C、Si： C能促進石墨化，減少白口傾向，但ω（C）量高會使CE過高而容易產(chǎn)生石墨漂浮，一般控制在3.7%~3.9%。Si能加強石墨化能力，消除滲碳體。Si以孕育劑的方式加入時，可大大降低鐵液的過冷能力。為了提高孕育效果，原鐵液的ω（Si）量從原來的1.3% ~1.5%降到0.8%~1.2- ，ω（Si終）量控制在2.60%~3.00% 。
Mn：在結(jié)晶過程中，Mn增加鑄鐵的過冷傾向，促進形成碳化物(FeMn) 3C。在共析轉(zhuǎn)變過程中，Mn降低共析轉(zhuǎn)變溫度，穩(wěn)定并細化珠光體。Mn對球化率沒有太大的影響。因受原材料的影響，一般控制ω（Mn）<0.30%。
P：當ω（P）<0.05%時固溶于Fe，難以形成磷共晶，對球鐵的球化率影響不是很大。
S：S是反球化元素，S在球化反應時消耗球化劑中的Mg和RE，阻礙石墨化，降低球化率。硫化物夾渣還會在鐵液凝固之前回硫，再次消耗球化元素，加快球化衰退，進一步影響球化率。為了達到高的球化率，應該使原鐵液的ω（S）量降低到0.02-以下。
4.2脫硫處理
當爐料熔清后，取樣分析化學成分，當ω（S）量高于0.02-時要進行脫硫處理。
純堿脫硫的原理為：將一定量的純堿置于澆包內(nèi)，利用鐵液流沖入而攪拌，純堿在高溫下分解，反應式為Na2CO3=Na2O+CO2↑：生成的Na2O又與鐵液中硫化合生成Na2S，（Na2O）+[FeS]=（Na2S） +（FeO）。Na2CO3分解析出CO2引起鐵液劇烈攪動，促進脫硫過程進行。純堿渣極易流動、很快上浮，脫硫反應時間很短，脫硫后應及時扒渣，否則會回硫。
4.3預脫氧處理、球化處理及孕育處理
福士科390預處理劑在包內(nèi)起到預脫氧處理的作用，同時增加石墨形核核心、增加單位面積石墨球數(shù)，還可以提高Mg的吸收率，大幅度提高抗衰退能力，提高球化率。福士科孕育劑含ω（Si） =60%~70%、ω（Ca）=0.4%~2.0%、ω（Ba）=7%~11%，其中Ba可以延長有效孕育時間。
選用福士科球化劑牌號為NODALLOY7RE，其ω（Si）=40%~50%、ω（Mg）=7.0% ~ 8.0%、ω（RE）=0.3%~1.0%、ω（Ca）=1.5%~2.5%、ω（Al）<1.0%。由于鐵液經(jīng)過了脫硫和預脫氧處理，鐵液中消耗球化劑的元素大量減少，因此選用了ω（RE）量低的球化劑，以減少RE對球狀石墨形態(tài)的惡化；起球化作用的元素主要是Mg；Ca和Al可以起到加強孕育的作用。
采用碳化硅和硅鐵聯(lián)合孕育處理，碳化硅的熔點在1600左右，并在凝固時增加石墨結(jié)晶晶核，采用大劑量的硅鐵孕育，可以防止球化衰退。
5、結(jié)論
生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵，要求球化率達到90%以上時，可以采用以下措施：
(1)選用優(yōu)質(zhì)爐料，減少爐料中的反球化元素。
(2)選用ω（RE）量低的球化劑，減少RE對球狀石墨形態(tài)的惡化影響。
(3)原鐵液的ω（S）量應小于0.020%，這樣可以減少球化劑的消耗量，特別是硫化渣二次回硫所消耗的球化元素。
(4)對鐵液進行預脫氧處理，增加單位面積石墨球數(shù)，提高球化率，大幅度提高抗衰退能力，延長有效孕育時間。
(5)降低原鐵液中ω（Si）量，增加球化劑、孕育劑和各種預處理劑的加入量，強化孕育處理。
1、原生產(chǎn)工藝
原生產(chǎn)工藝：熔煉設(shè)備采用2.0T中頻爐和1.5T工頻爐；QT400 15原鐵液成分為ω（C）=3.75%~3.95%、、ω（Si）=1.4%~1.7%、ω(Mn)≤0.40%、ω（P）≤0.07%、ω（S）≤0.035%；球化處理所用球化劑為1.3%~l.5%的RE3Mg8SiFe合金；孕育處理所用孕育劑為0.7%~0.9%的75SiFe C合金。球化處理采用兩次出鐵沖入法：先出鐵55%~60%，進行球化處理，然后加入孕育劑，再補加其余鐵液。由于球化、孕育采用傳統(tǒng)的方式，用25 mm厚的單鑄楔形試塊檢測得到的球化率一般在80%左右，即球化級別3級。
2、提高球化率的試驗方案
為提高球化率，對原來的球化和孕育處理工藝進行了改進，主要措施是：增大球化劑和孕育劑加入量、凈化鐵液、脫硫處理等。球化率仍然采用25 mm的單鑄楔形試塊進行檢測，具體方案如下：
（1）分析原工藝球化率偏低的原因，曾認為是球化劑用量較少，故將球化劑加入量由1.3%~1.4%增加到1.7%，但球化率并未達到要求。
（2）另一種猜測是認為球化率偏低可能是由于孕育不良或孕育衰退引起，因而試驗加大孕育劑量，由0.7%~0.9%增加到1.1%，球化率亦未達到要求。
(3)繼續(xù)分析認為鐵液夾雜較多、球化干擾元素偏高等可能是造成球化率偏低的原因，因而對鐵液進行高溫凈化，高溫凈化溫度一般控制在1 500±10，但其球化率仍未突破90%。
(4) ω（S）量高嚴重消耗球化劑量并加速球化衰退，因此增加脫硫處理，將原鐵液ω（S）量從原來的0.035%降低到0.020%以下，但球化率也只達到86%。
以上4種方案的試驗結(jié)果如表1所示，楔形試塊的組織和力學性能均未達到要求。
3、最后采用的改進方案
3.1具體改進措施
原材料采用生鐵、無銹或少銹的廢鋼和回爐料；對原鐵液進行爐外加純堿（Na2CO3）脫硫；采用福士科390預處理劑在包內(nèi)進行預脫氧處理；采用福士科球化劑進行球化處理；采用碳化硅和硅鐵聯(lián)合孕育。
新工藝原鐵液成分控制：ω（C）=(3.70%~3.90%、ω（Si）=0.80%~1.20%[鑄件ω（Si終）=2.60%~3.00%]、ω（Mn）≤0.30%、ω（P）≤0.05%、ω（S）≤0.02-。當原鐵液ω（S）量超過0.02-時，采用工業(yè)用純堿進行爐前脫硫處理，因脫硫反應是吸熱反應，要求脫硫溫度控制在1500左右，純堿加入量根據(jù)爐前熔清時的ω（S）量高低控制在1.5 % ~2.5 %。同時，球化處理包采用普通的堤壩式處理包，首先把福士科NODALLOY7RE牌號球化劑1.7%加入包底堤壩一側(cè)，扒平壓實，用0.2-的粉末狀碳化硅和0.3%的小塊狀75SiFe先后覆蓋一層，搗實后用壓鐵蓋上，在鐵液包的另一側(cè)加入0.3%的福士科390孕育劑。出鐵時首先沖入總鐵液量的55%~60%，待球化反應完畢后，加入1.2-的75SiFe C孕育劑后沖入剩余鐵液，扒渣澆注。
3.2試驗結(jié)果
原鐵液脫硫前后的的成分見表2、表3，25mm單鑄楔形試塊對應的力學性能和金相組織見表4，金相組織中球化率的評定方法采用金相圖像分析系統(tǒng)自動檢測。
4、結(jié)果分析
4.1主要元素對球化率的影響
C、Si： C能促進石墨化，減少白口傾向，但ω（C）量高會使CE過高而容易產(chǎn)生石墨漂浮，一般控制在3.7%~3.9%。Si能加強石墨化能力，消除滲碳體。Si以孕育劑的方式加入時，可大大降低鐵液的過冷能力。為了提高孕育效果，原鐵液的ω（Si）量從原來的1.3% ~1.5%降到0.8%~1.2- ，ω（Si終）量控制在2.60%~3.00% 。
Mn：在結(jié)晶過程中，Mn增加鑄鐵的過冷傾向，促進形成碳化物(FeMn) 3C。在共析轉(zhuǎn)變過程中，Mn降低共析轉(zhuǎn)變溫度，穩(wěn)定并細化珠光體。Mn對球化率沒有太大的影響。因受原材料的影響，一般控制ω（Mn）<0.30%。
P：當ω（P）<0.05%時固溶于Fe，難以形成磷共晶，對球鐵的球化率影響不是很大。
S：S是反球化元素，S在球化反應時消耗球化劑中的Mg和RE，阻礙石墨化，降低球化率。硫化物夾渣還會在鐵液凝固之前回硫，再次消耗球化元素，加快球化衰退，進一步影響球化率。為了達到高的球化率，應該使原鐵液的ω（S）量降低到0.02-以下。
4.2脫硫處理
當爐料熔清后，取樣分析化學成分，當ω（S）量高于0.02-時要進行脫硫處理。
純堿脫硫的原理為：將一定量的純堿置于澆包內(nèi)，利用鐵液流沖入而攪拌，純堿在高溫下分解，反應式為Na2CO3=Na2O+CO2↑：生成的Na2O又與鐵液中硫化合生成Na2S，（Na2O）+[FeS]=（Na2S） +（FeO）。Na2CO3分解析出CO2引起鐵液劇烈攪動，促進脫硫過程進行。純堿渣極易流動、很快上浮，脫硫反應時間很短，脫硫后應及時扒渣，否則會回硫。
4.3預脫氧處理、球化處理及孕育處理
福士科390預處理劑在包內(nèi)起到預脫氧處理的作用，同時增加石墨形核核心、增加單位面積石墨球數(shù)，還可以提高Mg的吸收率，大幅度提高抗衰退能力，提高球化率。福士科孕育劑含ω（Si） =60%~70%、ω（Ca）=0.4%~2.0%、ω（Ba）=7%~11%，其中Ba可以延長有效孕育時間。
選用福士科球化劑牌號為NODALLOY7RE，其ω（Si）=40%~50%、ω（Mg）=7.0% ~ 8.0%、ω（RE）=0.3%~1.0%、ω（Ca）=1.5%~2.5%、ω（Al）<1.0%。由于鐵液經(jīng)過了脫硫和預脫氧處理，鐵液中消耗球化劑的元素大量減少，因此選用了ω（RE）量低的球化劑，以減少RE對球狀石墨形態(tài)的惡化；起球化作用的元素主要是Mg；Ca和Al可以起到加強孕育的作用。
采用碳化硅和硅鐵聯(lián)合孕育處理，碳化硅的熔點在1600左右，并在凝固時增加石墨結(jié)晶晶核，采用大劑量的硅鐵孕育，可以防止球化衰退。
5、結(jié)論
生產(chǎn)鐵素體球墨鑄鐵，要求球化率達到90%以上時，可以采用以下措施：
(1)選用優(yōu)質(zhì)爐料，減少爐料中的反球化元素。
(2)選用ω（RE）量低的球化劑，減少RE對球狀石墨形態(tài)的惡化影響。
(3)原鐵液的ω（S）量應小于0.020%，這樣可以減少球化劑的消耗量，特別是硫化渣二次回硫所消耗的球化元素。
(4)對鐵液進行預脫氧處理，增加單位面積石墨球數(shù)，提高球化率，大幅度提高抗衰退能力，延長有效孕育時間。
(5)降低原鐵液中ω（Si）量，增加球化劑、孕育劑和各種預處理劑的加入量，強化孕育處理。
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