几种球化处理比较

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

1 2

24.

32

紧

密六

方

晶格

1.73g/c

m3

651

℃

1107

℃

.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Sandwich，三明治法（见图2），可以延缓镁合金的反应（几秒～十几秒），使冲入的铁液有一定高度，建立一个压头后才起反应，使镁蒸气上升过程中尽量被铁液吸收，减小反应激烈程度，提高镁的回收率。

球化剂密度增大，处理温度适当降低，均可以提高镁的回收率，国外的试验结果见图3。

这种方法在国内被广泛应用，由于国内的球化剂多采用镁稀土硅铁，密度较小，一些工厂要求球化处理包撇渣后直接浇注，铁水包高径比也较小（＜1.5），镁反应比较激烈，镁的回收率较低，且不稳定，镁光烟雾大，劳动条件差。不少企业寻求新的处理方法。

2.2 盖包法

这是上世纪70～80年代，随着球铁生产工业应用的迅速扩大，不断改进发展起来的。

在有合金覆盖夹层的铁液包上端放上一个带浇口杯或中间包的包盖，并使进铁液口错开装合金的凹坑180°。

盖包的好处：

1）由于盖上包盖后，包中来自空气的有氧空间容积得到有效限制，减少了Mg的氧化烧损，使镁回收率显著提高。

2）球化剂加入量减少，节省铸造成本。图4是国外用含Mg 5%的MgFeSi合金在同样试验条件下，盖包法处理与其它方法（敞口包冲入法、敞口包+凹坑、Sandwich法）处理时Mg 合金加入量的比较。

3）MgO白烟量减少和被限制在包中，显著地改善铸造车间和周围的大气环境（在国外许多环保管理部门建议和主张铸造厂采用这种方法）。