专利名称：低氧化镁镁硅铁产品的生产工艺和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及铁合金冶炼领域。具体地，本发明涉及低氧化镁的镁硅铁的新生产工艺和设备。
镁硅铁合金作为一种添加剂、球化剂、精炼剂加入钢铁和有色金属中，与其中的硫、氧、氮等元素具有很强的亲和能力，能与有害元素形成熔点很高的化合物质点。其主要功用是细化了金属的铸造组织，改变了钢铁和有色金属中非金属杂质的形状、大小、分布形成和数量等，减少了非金属杂质对金属性能的有害影响，从而提高了金属材料的力学性能，耐磨性能，低温韧性及高温耐热性能等。而镁硅铁中的氧化镁含量是影响镁硅铁性能发挥的最主要因素，传统工艺生产的镁硅铁，氧化镁含量在0.8-1.2％之间甚至更高，过高的氧化镁含量，降低了有效镁含量，不仅在用量上高于低氧化镁产品，而且冶炼出的钢铁铸造件及合金的各项性能也不能适应现代汽车工业的要求。
镁硅铁中的镁含量一般由金属镁(有效镁)和氧化镁组成。氧化镁过高不仅直接影响到实际有效金属镁的含量，同时也在许多铸造行业带来很多技术上难以解决的问题，如因氧化镁而造成的铸件内产生气孔等。这往往直接影响了铸件的品质，尤其在汽车工业。因氧化镁已经成为西方所有汽车铸造配件生产商所要求的重要技术指标。而氧化镁在一般镁硅铁生产厂家却仍然是一个未能解决的问题，例如国内镁硅铁氧化镁指标一般在0.8-1.2％之间。
目前，传统镁硅铁生产采用中频炉、电弧炉、或硅铁炉生产。然而，这些生产工艺都存在种种缺点。
在中频炉生产工艺中采用的兑镁方式中有炉中兑镁和炉外压镁。传统的兑镁工艺存在许多缺点(1)和炉中兑镁相比，炉中兑镁是将镁锭直接投入炉中，镁锭投入后，飘浮在铁水表面，剧烈反应燃烧，镁损失大，难以搅拌混合。(2)如果加盖，虽可减少燃烧，但易造成炉内压力过大，事故隐患大。(3)产品中氧化镁含量高达0.8-1.2％之间，且成本高，产量低。总之，中频炉兑镁因消耗大，成本高，产量低，以及无法从根本上解决合金成份偏析以及氧化镁含量高等问题和弊病，已属于淘汰工艺。
电弧炉和硅铁炉生产现多采用开放式压镁，这种工艺在理论上固然可行，但在实际操作中却缺乏安全和可靠性。70％的镁会在空气中剧烈反应掉，并形成大量的氧化镁烟雾。尤其是当空气潮湿或稍有忽视，剧烈的金属镁反应有可能引起喷发或爆裂，甚至会造成经济财产的损失和人身伤亡，因而存在生产安全上的很大隐患。同时，铁水与空气接触面积大，也使得氧化镁含量偏高，金属镁流失或损耗大，合金成份偏析，以及粘包等问题。
传统式炉外压镁也无法解决氧化镁含量偏高，金属镁在反应过程中的流失，产品合金成分偏析等一系列技术和工艺遗留问题。
此外，传统的浇模工艺也存在许多缺点。传统镁硅铁的浇模工艺沿用铁合金铸模的传统工艺，多数无模盖，该方式的特点是合金浇铸迅速，冷却速度快，节省人工，模子重复利用率高，但因浇铸过程完全暴露在空气中，金属镁烧损率高，产生大量氧化镁。产品使用局限性大，不能满足现代铸造工业高精度铸件和汽车工业的要求。少数使用模盖浇铸的，也是采用先浇铸后盖模盖，虽可减少金属镁烧损率，但浇模时间相对延长，效果不显著。且一般模厚较大，脱包和破碎都比较麻烦。
因此，本领域迫切需要简便、安全地生产低氧化镁含量的镁硅铁的方法和/或设备。
本发明的目的之一就是提供一种新的、安全地生产低氧化镁含量的镁硅铁的方法。该方法采用了炉外直接压镁和/或封闭式浇铸工艺。
本发明的目的之二就是提供一种用于该新的低氧化镁镁硅铁生产方法的专用设备。
在本发明的第一方面，提供了一种低氧化镁镁硅铁的生产方法，它包括步骤配料-冶炼-兑镁-浇模-脱模-破碎(任选)-包装，其中，所述的兑镁步骤是在基本闭合的容器中，于惰性气体存在下，通过将镁锭直接压入铁水的方式进行。
在一个实施例中，所述的惰性气体选自氦气、氖气、氩气、氮气、以及它们的混合物，并且所述惰性气体从反应体系下方进入，从而对铁水和镁起搅拌作用。在另一优选例中，所述的浇模采用封闭式连续浇铸法。在另一实施例中，所述的镁锭是整体镁锭。
在本发明的第二方面，提供了一种用于生产镁硅铁的压镁钢包，它包括一具有内壁的本体，其中，该钢包还包括一由母盖和子盖构成的盖体，所述母盖的边缘紧贴所述本体的内壁，并具有一镁锭投料孔，所述子盖穿设并连接一用于携带镁锭进入所述钢包的投料杆，并可覆盖在所述镁锭投料孔上，并且在本体底部设有惰性气体入口。
在一实例中，在所述本体内壁上具有耐火材料层。
在另一实例中，在所述本体的底部的惰性气体入口是可让气体透过但不让铁水通过的充气耐火砖，所述耐火砖连接于一充气管。
在另一实例中，在所述本体和盖体上设置有用于连接起重装置的挂钩。
在另一实例中，在所述母盖上设置有透气孔。
在另一实例中，在所述子盖和投料杆之间有空隙。
在另一实例中，所述所述子盖与所述投料杆可通过选自下组的结构相互连接螺栓连接件、铆接件和焊接头。
在另一实例中，所述镁锭具有一供穿设所述投料杆的中心孔，并通过一悬挂销固定于所述投料杆。
在另一实例中，所述投料杆的长度为可伸入所述本体的底部。
在附图中，
图1(a)是本发明一种压镁钢包本体的剖视图。
图1(b)是本发明一种压镁钢包母盖的俯视图。
图1(c)和(d)是本发明一种压镁钢包母盖的剖视图。
图2是本发明一种压镁钢包子盖、投料杆和整体镁锭的工作示意图。
图3(a)和(b)是本发明一种整体镁锭的剖面图和俯视图。
图4(a)和(b)是本发明一种镁硅铁铸模底座的俯视图和剖视图。
图5(a)和(b)是本发明一种镁硅铁铸模底座的俯视图和侧视图。
本发明人针对传统镁硅铁生产工艺中所出现的上述问题，研制出了采用炉外直接压镁和封闭式浇模连续浇铸的新工艺，不仅从根本上提高了生产和安全和可靠性，也有效达到了控制镁硅铁产品中氧化镁含量的目的，并解决了镁含量偏析的问题。
镁硅铁冶炼生产步骤分为配料→冶炼(熔炼)→兑镁→浇模(或称为“浇铸”)→脱模→破碎(任选步骤)→包装。本发明的先进之处在于兑镁和/或浇模两个步骤上，其余步骤与现有的技术基本相同或相似。
兑镁步骤兑镁步骤的改进之处在于，在基本闭合的容器中，于惰性气体存在下，通过将镁锭直接压入铁水的方式进行兑镁，从而有效地控制金属镁的剧烈反应效应，降低金属镁损耗，减少氧化镁含量，提高生产安全和可靠性，并解决了压镁过程中粘包和成品合金出现偏析等老大难问题。本发明的兑镁步骤可通过使用本发明新型的压镁钢包而实现。
本发明的炉外直接压镁有别于传统压镁法的根本之处在于，使用了新型的压镁钢包。本发明压镁钢包具有结构特点(1)内层具有防粘层。本发明钢包可在传统硅铁钢包的基础上制作。较佳地，在内壁涂抹2-30mm，较佳地5-10mm厚的耐火泥，以解决粘包和脱包问题。
(2)在压镁钢包的底部有惰性气体入口。一种较佳的方式是在压镁钢包底部装填特种充气耐火砖，这种耐火砖具有细小的气孔，可以透过压力气体但铁水无法渗出。砖的外部即另一头带有一个固定的管道并连接到外部的压力气体输送管道。在实施压镁的瞬间，可以不断地向钢包内充入不参加反应的惰性气体，如氮气等。这样，不仅降缓了金属镁的剧烈反应程度，而且还使铁水在钢包内呈沸腾状，起到了充分搅拌作用，因而从根本上解决了金属镁流失和合金成份的偏析等问题。
适用于本发明的惰性气体包括任何不与铁水和镁反应的气体。代表性的惰性气体例子包括(但并不限于)氦气、氖气、氩气、氮气、以及它们的混合物。一种较佳的气体是氮气。
(3)特制的压镁钢包的子母盖。钢包母盖边缘与钢包壁结合紧密，从钢包底部通入的不参加反应的气体将钢包内的空气从钢包母盖中心圆洞中排除，从而保证整个压镁过程能够在极少量的空气(氧气)的情况下进行，从而减少氧化镁的产生。而钢包母盖中心圆洞同时作为镁锭的填入口。
钢包子盖在镁锭压入铁水后盖在钢包母盖上。钢包子盖中心的圆孔可穿过镁锭中心杆，镁锭中心杆和钢包子盖留有少量孔隙，以及包盖上的小圆洞，作为气体出气口，避免处于基本封闭的钢包内压力过大。此钢包盖应采用密度较高和耐高温的合金浇铸而成，牢度高，重量大，降低钢包压力过大可能造成的事故隐患，从预防的角度出发再次提高了生产的安全可靠性。同时可以使钢包内形成压力状态，始终形成气体和合金环流，使部分气化的金属镁重新被压入铁水中。
(4)钢包盖同时还具有保温作用，可以降低能源消耗。
现参见图1。图1示出了本发明的一种压镁钢包的具体结构。它具有一压镁钢包内膛1，耐火材料层2，充气管3，充气耐火砖4，压镁钢包底座支脚5，包体挂钩座6，包盖挂钩座7，透气孔8，压镁钢包中心洞即子盖放置处9，钢包母盖10，钢包出水口包盖位置11。
在压镁钢包中，各结构的作用或功能简述如下1.压镁钢包内膛1为盛放铁水，镁锭浸入位置2.耐火材料层2外层采用普通钢包所采用的耐火材料，内壁涂抹10厘米厚的耐火泥，可加强保温性能，并易于脱包。
3.充气管3接在充气耐火砖上，可沿钢包外壁接出管子，并连接在气体发生装置或钢瓶上。
4.充气耐火砖4填充充气耐火砖可以通过不参加反应的气体，如氮气，氩气等，不会透过铁水。该结构起者气体入口的作用。气体入口可有1个或多个，较佳地为1-5个，更佳地为1-3个。
5.压镁钢包底座支脚5用于支撑压镁钢包并保持钢包平稳，可以如图式设计3个支脚，也可根据情况做4个或更多。
6.包体挂钩座6用于行车，吊车等起重装置挂钩连接之用。
7.包盖挂钩座7用于行车，吊车等起重装置挂钩连接之用。
8.透气孔8在包盖放置在钢包上以后，钢包底部充气，包膛内压力较大，部分气体可以通过该透气孔释放，以免包膛压力过大，钢包盖被掀翻。增加安全保障。该透气孔可以是圆形，方形，梅花形，三角形等多种形状，数量及大小根据钢包的大小以及充气的压力设置。
9.压镁钢包母盖中心洞9[即子盖放置处]为镁锭投入孔(口)，镁锭投入后，连接在镁锭投料系统上的钢包子盖会同时落到钢包母盖上。
10.钢包母盖10中心圆洞设计，边沿呈内扣设计，可以紧贴钢包边缘，11.钢包出水口包盖位置11为配合钢包出水口，包盖做成相应形状。
在本发明中，兑镁是通过将镁锭直接压入铁水的方式进行的。所用的镁锭可以是任何形状的镁锭，只要该镁锭可通过压镁钢包母盖中心洞9。一种较佳的镁锭如图3所示，该镁锭17为圆柱体，具有镁锭中心圆孔18。
加入镁锭可采用本领域现有的镁锭投料方式进行。然而，优选地是采用图2所示的整体镁锭投料系统进行。该投料系统具有吊环12、连接铁环13、螺栓连接件14、压镁钢包子盖15、镁锭中心杆16、镁锭悬挂销销19、连接杆20。其中连接杆20超过镁锭17的中心圆孔18，并在末端用镁锭悬挂销销19之类的固定件固定。
图2和图3中各结构的作用和功能简述如下1.吊环12连接起重设备。
2.连接铁环13缓冲机械压力，在镁锭穿过钢包母盖中心洞，进入铁水时更容易。
3.螺栓式连接件14连接压镁装置中心杆和钢包子盖，可为螺栓，铆钉或焊接等形式。
4.压镁钢包子盖15固定在压镁装置上，在镁锭压入铁水时，可以同时落到钢包母盖上。
5.镁锭中心杆16用于穿镁锭之用。采用耐高温材料制作，如没有合适的材料，可以用普通钢材制作。长度要求能够插入铁水底部。
6.镁锭17镁锭为圆柱或其他可配合钢包的形状，中心做成空心状，可以穿过镁锭中心杆。这种形状的镁锭可以充分和铁水混合，加速熔解速度。
7.镁锭中心圆孔18用于穿过连接杆20，并与悬挂销19一起固定镁锭。
8.镁锭悬挂销19可将镁锭固定在镁锭中心杆上，防止镁锭下落。可以采用耐高温的螺母，或焊接其他固体。如没有合适的材料，可用普通钢材制作。
9.连接杆20镁锭中心杆的一部分。
本发明的这种整体镁锭投料系统具有如下特点1)镁锭呈圆柱形或其他合适的形状结构，中心的园洞可穿过镁锭中心杆，具体要求是能够使镁锭配合钢包，以最短的时间压入钢包，并使镁锭能够直接插入铁水底部，使整个镁锭完全浸入铁水里予以溶化。镁锭直径，尺寸，和重量均应与出炉的铁水量成比例(如一吨的出炉铁水，一般可以配置65公斤的整体镁锭)。
2)镁锭中心杆采用耐高温的材料结构，一端使用螺母或焊接其他固定体，以便固定镁锭以防下落。另一端焊有吊环。如果没有适当的耐高温材料，该中心杆也可以考虑用普通钢材制作。因为钢铁即使熔化在合金里也不会构成杂质。
3)在镁锭中心杆上固定钢包子盖，可采用销子或螺栓，或整体浇铸，焊接等形式。使得镁锭在压入铁水的同时，子盖落在母盖上，达到密闭的效果，使钢包铁水与外界空气隔绝。
通过其内壁涂抹耐火泥，底部装填特种冲气耐火砖并加有充氮装置，特制子母盖等一系列具有创益性及合理而切合实际的设计，并且炉外直接压镁采用了整体金属镁锭(区别于传统工艺的分体镁锭)直接一次性压入的技术和工艺，这从理论和实践上都解决了传统开放式压镁法的弊病，达到了有效地控制金属镁的剧烈反应效应，降低金属镁损耗，减少氧化镁含量，提高生产安全和可靠性，并解决了压镁过程中粘包和成品合金出现偏析等老大难问题。
封闭式连续浇铸本发明的另一改进之处在于浇模过程中采用了封闭式连续浇铸。封闭式连续浇铸有别于传统浇铸法的根本之处在于使用了新型的带盖铸模，采用基本封闭式浇铸方式，使其镁硅铁合金能够在隔绝空气的状态下实行冷却，解决了旧工艺中产品在冷却过程中因不断与空气接触而产生氧化作用的问题，有效控制并大大降低了产品中氧化镁的含量。
本发明的镁硅铁铸模的结构特点如下(1)每组铸模由底座和模盖两部分组成。模盖设有浇铸口，模盖底座和模盘之间保持的间隙通常不能大于10厘米，较佳地为3-5厘米，更佳地为约3.5厘米。浇模时采用基本封闭式浇铸铁水从浇铸口流入，利用其自然重力作用注满整个模子，随着铁水的流动，空气从底座和模盖的四周排出，使镁硅铁合金能够在隔绝空气的状态下实行冷却。
(2)模盖底部有数个(如3个、4个或更多个)例如园形柱体(触点)与底座(模盘)接触，柱体高度应控制通常不能大于10厘米，较佳地为3-5厘米，更佳地为约3.5厘米。
(3)模盖放置好后，模盘底座边沿的高度应略高出模盖底部，可以防止铁水溢出；(4)多组铸模可成直线，环形或其他形式排列，以实现连续性浇铸，适合大规模生产。
(5)采用大面积，超薄铸模设计。脱模时，粘在模盖上的合金，依靠自然重力脱落，底座上的合金，因厚度薄，也非常易于脱模和破碎。
图4和图5示出了本发明一种铸模实例。该铸模包括一铸模底座23和一铸模盖24。铸模底座23上设有铸模底座起落支架21和铸模底座边22。铸模盖24具有铸模盖挂钩25、浇铸口26和触点27。
该铸模中各结构的作用或功能如下1.铸模底座起落支架21用于挂起重设备挂钩。
2.铸模盖挂钩25用于挂起重设备挂钩。
3.浇铸口26浇铸时，模盖盖在底座上，铁水通过浇铸口留入模子4.触点27模子底部有4个圆柱形柱体(或称“触点”)，高度为3.5公分。当模盖盖在底座上时，可使模盖和底座保持3.5公分的厚度，触点的形状和数量也可根据要求改变。此外，将触点设置在底座上也是可行的，即在底座上设置若干个柱体。
使用本发明的封闭式铸模工艺可进行基本封闭式浇铸，并可实现连续浇模，由于模厚小，不单保留了传统浇模浇铸迅速，冷却速度快，节省人工等各项优点，并可循环使用，大大提高利用率，同时还可降低金属镁损耗，氧化镁生成少，易脱模，易破碎，且投资成本低。
综上所述，用本发明工艺所生产出的镁硅铁产品比原有旧工艺所生产出的产品在品质上产生了飞跃，不仅能使生产厂家大大降低成本，更能使产品用户在使用过程中也降低成本，达到事半功倍的效果。经试产已实现了所有预期的安全、可靠、和经济效果。其产品的氧化镁指标可以控制在0.3-0.5％，完全达到现代优质产品的水平。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
最佳实施例镁硅铁的生产用电弧炉法生产镁硅铁，不同点仅在于在兑镁步骤中采用了图1所示的压镁钢包、图3所示的镁锭和图2所示的整体镁锭投料系统，以及在浇铸步骤中采用了图4和5所示的铸模。其中，所用的惰性气体为氮气。
对获得的镁硅铁进行氧化镁含量分析。结果表明，氧化镁含量在0.3-0.5％之间。
此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
权利要求
1.一种低氧化镁镁硅铁的生产方法，它包括步骤配料-冶炼-兑镁-浇模-脱模-包装，其特征在于，所述的兑镁步骤是在基本闭合的容器中，于惰性气体存在下，通过将镁锭直接压入铁水的方式进行。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的惰性气体选自氦气、氖气、氩气、氮气、以及它们的混合物，并且所述惰性气体从反应体系下方进入，从而对铁水和镁起搅拌作用。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的浇模采用封闭式连续浇铸法。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的镁锭是整体镁锭。
5.一种用于生产镁硅铁的压镁钢包，包括一具有内壁的本体，其特征在于，该钢包还包括一由母盖和子盖构成的盖体，所述母盖的边缘紧贴所述本体的内壁，并具有一镁锭投料孔，所述子盖穿设并连接一用于携带镁锭进入所述钢包的投料杆，并可覆盖在所述镁锭投料孔上，并且在本体底部设有惰性气体入口。
6.如权利要求5所述的压镁钢包，其特征在于，在所述本体内壁上具有耐火材料层。
7.如权利要求5所述的压镁钢包，其特征在于，在所述本体的底部的惰性气体入口是可让气体透过但不让铁水通过的充气耐火砖，所述耐火砖连接于一充气管。
8.如权利要求5所述的压镁钢包，其特征在于，在所述本体和盖体上设置有用于连接起重装置的挂钩。
9.如权利要求5所述的压镁钢包，其特征在于，在所述母盖上设置有透气孔。
10.如权利要求5所述的压镁钢包，其特征在于，在所述子盖和投料杆之间有空隙。
全文摘要
本发明提供了一种低氧化镁镁硅铁的生产方法,它包括步骤:配料－冶炼－兑镁－浇模－脱模－破碎－包装,其中所述的兑镁步骤是在基本闭合的容器中,于惰性气体存在下,通过将镁锭直接压入铁水的方式进行。还提供了新颖的用于该工艺的压镁钢包和铸模。
文档编号C22C33/04GK1355326SQ00127598
公开日2002年6月26日 申请日期2000年11月28日 优先权日2000年11月28日
发明者杨世工 申请人:杨世工