专利名称：球墨铸铁无烟球化处理工艺及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生产球墨铸铁的炉前球化处理工艺及其球化处理装置、包内脱硫、孕育处理的工艺。
现有技术背景目前球墨铸铁生产所应用的球化处理方法有冲入包内法、钟罩压入法、合金砣压入法、转动包法、自建压力加镁法、有盖浇包加入法、流线法(In-Stream Method)、型内球化法、透气塞法、多孔质过滤片法等等。上述的球化处理方法在铁水处理量、操作上、经济成本、设备要求以及质量稳定和环境影响等方面都有各自的优缺点，工厂根据各自的实际情况，采用着不同的球化处理方法。国内外大多数的工厂均采用“冲入包内法”进行球化处理，因为这种方法相对来讲，设备简单，投资少，操作方便。一九九四年五月全国铸造科技信息中心第七届年会论文集中刊登的“日本五味铸工所的球铁生产技术”介绍了有关球铁生产的情况，株式会社五味铸工所的球化处理也采用冲入法球化处理工艺。该厂采用1.5t中频电炉熔炼，出炉温度控制在1530℃～1550℃，原铁水含硫量为0.005～0.020％，在堤坝式铁水包中加入占处理铁水总重量1.3％的稀土镁合金，并覆盖一层Si50硅铁，其加入量为铁水量的1.2％。球化反应时间为90s±30s。浇注温度规定为小件＞1350℃，中件＞1300℃，大件＞1280℃。全部铁水浇注时间要求控制在球化反应终了后的12min内。若球化反应过分激烈或估计铁水浇注时间较长，尚需酌情补加球化剂。
在冲入包内法球化处理时，铁水与球化剂接触面积大，反应剧烈，铁水飞溅，发出眩目、白灼的镁光，环境污染大。在剧烈反应中，造成部分颗粒偏大的球化剂未反应完毕即浮起氧化烧损掉，而颗粒偏小的球化剂其表面积大，堆积比重小，其整体抗铁水的冲击力小，在铁水的冲击力和球化反应时镁蒸气压力的作用下极易浮起氧化掉。随着出炉铁水温度的提高，镁的蒸气压力增大，铁水沸腾加剧，球化剂的烧损也随之增加。为缓解冲入包内法球化处理时的反应速度及合金的上浮速度，在合金中增添镍、铜比重大的合金，虽然可以降低球化剂的加入量(冲天炉熔炼时，球化剂的加入量可由1.8％降低到1.6％)，但是，镍、铜价格昂贵，使球化剂成本大幅度增加，综合成本上升，并且抑制作用不显著。
钟罩式压入法球化处理时，虽然可以防止球化剂的上浮，但是由于其反应速度快，铁水沸腾剧烈，球化剂的消耗量仍较高。自建压力加镁法时，镁锭的加入量虽然可以降低到0.12～0.14％，但是其设备复杂，操作麻烦，经倒包后铁水降温较大，安全性差。采用灭容自建压力加镁法球化处理时，压力包内铁水盛得太满，铁水面上部的空间太小，或密闭太严密时，包内镁蒸气自建压力过大，造成镁蒸气不沸腾，没有同铁水充分搅动而被铁水吸收，以液体状态浮于铁水表面，当打开压力包盖时，压力消失，液体镁遇空气剧烈燃烧、蒸发。这样不但操作不安全，而且达不到球化处理的目的。因而，冲入包内法产生以后，自建压力加镁法的球化处理方法受到限制。
另外，在惯用的冲入包内法球化处理时，使用的球化剂是按一定成分要求预先熔制好的。在熔制过程中，镁、稀土元素等的烧损是不可避免的。
中国专利申请号93305754.7名称为“移动式球化处理反应室”的球化处理克服了上述不足，使球化处理时的球化剂加入量大幅度降低。在冲天炉熔化条件下，原铁水含硫量小于0.1％，采用9-10ReMg球化剂，只需加入占处理铁水总重量0.5～0.7％，就可以球化处理成功。
中国专利申请号93120914.5名称为“球化处理装置及其球化处理工艺”的专利申请为控制球化反应速度，取消球化剂的熔制工序，利用镁合金粉末，在包内进行脱硫、孕育处理提出了解决的技术方案。在生产中为了得到理想的球化反应速度，反应室的壁厚就要适当加厚，(例出铁温度在1480℃，处理3吨铁水时，用低碳钢焊制的反应室，壁厚就需10mm以上。)以保证延长球化反应的时间。这就增加了反应室的重量，其生产成本也随之增加。装入球化剂原料的反应室体积大而且较重，对于炉前操作者带来不便。“球化处理装置及其球化处理工艺”专利申请说明书中叙述的球化反应方式，“当需进一步控制反应速度时，反应室口面积应小于反应室内水平面截面积的30％。在球化处理开始时，铁水冲入铁水包内，首先将反应室盖熔化，铁水漫进反应室口接触到镁块。”应该指出，根据该技术方案的要求，装在反应室内的各种原料是呈堆积状的。待反应室口附近的镁块熔化消失一部分后，进入反应室的铁水同镁块的接触面积变大，反应室内镁块的熔化、气化速度也相应加快。镁液和镁蒸气的比重较轻，由反应室的下层向上浮起，在镁气化反应的压力及铁水静压力的作用下，反应室内的镁块在反应室内剧烈不停地振动。随着镁块的不断熔化，反应室内的镁蒸气也随之增大，气化沸腾的镁蒸气从反应室喷射出来以后，反应室内的压力在瞬间相应减弱，此时铁水继续进入反应室，且进入的铁水量不断增加。镁块在球化反应室内由开始的面接触逐步发展为其体表面全部接触，镁块周围的铁水层逐渐加厚，温度逐步升高，镁块的熔化、气化过程也随之加剧，因此造成反应室内后期的球化反应速度仍较快，镁蒸气的沸腾仍较剧烈。尽管在减小反应室口的截面积、减小镁块的表面积以及减小硅铁粒度等方面做了一些改变，但是，球化反应后期反应沸腾剧烈的问题仍不能控制。因此，当原铁水含硫量为0.08～0.1％时，镁块的加入量占处理铁水总重量的0.10～0.12％才能保证球化处理合格。
发明的目的本发明的目的是提供一种生产制造工艺简单、质量稳定可靠、操作简便、无环境污染、机械性能及铸造性能优良的低成本、无烟球化处理工艺及其球化处理装置。本发明的另一个目的是提供一种简便易行的脱硫、孕育处理工艺。发明的技术方案其技术解决方案是将现有的堤坝式铁水包修砌成附
图1页或附图2页的形状，将附图1页、2页所示的球化处理反应装置放置于包内，用泥杆把由耐火土与焦炭粉或全部由泥土加水制成的楔形块塞进铁水包堤坝与反应装置的间隙中，将球化反应装置固定在铁水包底，铁水包内冲入铁水进行球化反应。球化处理每吨铁水的成本可以降低80～90％，操作简便，使工作环境得到明显改善。该方案完全可以取消对球化剂的熔炼工序过程，并稳定、有效地控制住了球化反应速度，使镁的回收率大幅度提高。其工艺过程是将用于球化处理铁水的主要元素镁块(3)制成长方体(或其它类型柱状体也可以)，可以采用反应室(2)内、外均衬耐火材料的办法来减薄反应室的壁厚，反应室(2)也可以全部由耐火材料，型芯砂制成。镁块(3)可以是一个整体，对于处理铁水量较大、镁加入量较多时，也可以是若干段拼接而成，每段之间用薄钢板隔开，以减缓其反应速度。根据球化处理的需要量，可以在铁水包(1)内堤坝两侧安置若干个反应装置。将占处理铁水总重量0.020～0.095％的镁块(3)单独或分别置于若干个用铸钢、铸铁铸造或采用钢材焊接制造或全部由耐火材料制成的反应室(2)中，周围用耐火材料或型砂、芯砂(4)捣实，并将其烘干或固化，经过烘干或固化后就可以用来球化处理。也可以将熔化了的镁液浇注到上述条件的反应室(2)中，待其凝固冷却后，外衬耐火材料或型、芯砂就可以用来球化处理。将准备好置有镁块(3)的反应室放置于铁水包(1)内，依靠塞进反应装置与堤坝间隙中楔形块(5)产生的摩擦力控制反应装置的上浮，将其固定在铁水包底。在铁水包(1)堤坝内，反应室(2)上面及侧面空隙处再加入占处理铁水总重量0.8～1.6％的小于2mm混合好的碳酸钙和氧化钙(1∶5)为脱硫剂(6)，在其表面覆盖铸造珍珠岩(7)。采用碳酸钠等为脱硫剂也可以，但是增加了经济成本。如附图1页、3页所示以制备好的反应盖板(8)为反应预留口。向铁水包内冲入铁水至所需铁水总重量的70％，把出铁口堵住。铁水冲入包内后，铸造珍珠岩(7)受热后结为一体覆盖在反应室(2)及脱硫剂(6)上。当铁水液面达到一定高度时，反应盖板(8)被熔化，铁水与脱硫剂(6)接触，碳酸钙受热首先分解成氧化钙和二氧化碳气体，在气体压力作用下，将氧化钙由包底向上喷射出来，在铁水包内进行自下而上的脱硫处理。当反应室的反应盖板(9)熔化后(对于加入镁合金的情况下不存在)，铁水将镁块(3)或镁合金(10)熔化并气化，在镁蒸气的作用下将剩余的脱硫剂(6)继续喷射出来，随着上浮气体，这些微小颗粒在上浮过程中继续进行脱硫反应，降低了铁水中的含硫量，使镁的有效利用率提高。由于反应室(2)内衬的隔热作用，只有反应室口处的镁块(3)接触铁水熔化后气化，镁块(3)与铁水的接触面积大为减少，有效地控制了镁块(3)的熔化、气化速度，基本消除了球化反应时的烟尘镁光，使镁的回收率提高。等球化反应完毕，覆盖铸造珍珠岩(7)，搅拌、扒净渣后补放其余30％的铁水的同时，在出铁槽随流加入孕育剂进行孕育处理，冲满铁水后再进行第二次搅拌、扒渣、覆盖铸造珍珠岩，必要时可进行第三次搅拌、扒渣、覆盖铸造珍珠岩，并在浇注时进行瞬时孕育处理。
镁块(3)的长度及截面积根据球化处理铁水的温度、镁块(3)的加入量及所需的球化反应速度来确定。在反应室(2)结构不变的情况下，当需进一步减慢反应速度时，减小反应室口的面积，可以使球化反应速度趋于平缓。在镁块(3)重量一定的条件下，改变镁块(3)的长度，改变反应室口的截面积，可以控制堤坝或凹坑内镁蒸气的反应速度，使反应速度平稳。对于加入镁块(3)的球化处理，改变反应盖板(9)的厚度来控制球化反应的开始时间。
对于原铁水含硫量低于0.06～0.08％时，可采用附图2页所示的铁水包结构，只将装有镁块(3)的装置用楔型块(5)固定在铁水包底，就可以直接用来球化处理。反应时产生的镁蒸气沿水平方向喷射出来，可获得理想的效果。
对于目前采用镁合金冲入包内法球化处理工艺的工厂，利用堤坝式或凹坑式铁水包，也可以采用覆盖珍珠岩(7)、予埋反应盖板(8)控制其反应速度的方案。采用本方案可以将镁合金破碎加工时产生的小于3mm的镁合金粉末得到有效利用。通过控制镁合金的尺寸及予留反应盖板的面积来调节反应速度。也可以单独加入脱硫剂，在包内进行脱硫处理。
由于本发明有效地控制住球化反应速度，使球化处理成本大幅度降低，可以将该技术扩展到灰铸铁孕育处理的范畴。即加入不足以完全球化所需重量的镁块(3)或镁合金，控制反应速度，可获得理想的脱硫、孕育效果，使铸铁中游离状态的石墨成为蠕虫状、团状及部分球状。据西安交通大学陆文华主编的《铸铁及其熔炼》第七十二页中指出“随着机械性能(即牌号)的提高，碳、硅含量逐渐下降，……其次随着铸件壁厚的加大，为了得到同样的机械性能(牌号)，碳、硅的含量相应地减少。”该书表5-7介绍了一些工厂常用的灰铸铁件化学成分，对于HT200以上需孕育处理铸铁的碳当量由4.1％逐渐减小到3.5％左右。因此，造成了铁水的流动性下降，白口倾向增加。应用本发明的高效脱硫、孕育处理工艺得到的铁水含硫量明显下降，含碳量比传统的高强度孕育铸铁要高0.3％以上，其碳当量也较传统的高强度灰铸铁高(其碳当量在共晶成分左右)，因此具有较好的充型性，白口倾向减小(炉前检测的三角试块白口宽度在1～2mm以下)，具有良好的机械加工性能。抗拉强度达200～500牛顿/平方毫米时，硬度为HB160～210，为获得高强度、低硬度、低成本并具有良好铸造性能的铸件开辟了一条新途径。发明的有益效果本发明解决了冲入包内法球化处理时，因球化反应速度过快而造成的镁回收率低、成份偏析，操作简单、方便安全、质量稳定可靠。与普通冲入法比较，球化处理每吨球铁的综合成本只有传统工艺的10～20％。所加入球化剂的重量与反应室重量之和只有传统工艺的三分之一左右。对于全部由耐火材料或型芯砂制成的反应室，其重量仅为传统工艺的10～15％。这不仅使炉前球化处理的操作更为轻便，也使包括反应室在内的球化剂的存储、运输的工作量大为减轻。其球化级别可以稳定地达到1级，石墨尺寸大小为6～7级，机械性能(抗拉强度、延伸率)均符合国标要求。烟尘污染环境，危害人体健康已是众所周知的，它被看成致病的因素。传统工艺冲入包内法球化处理时，由于反应速度快，镁回收率低，大量的镁蒸气逸出，产生浓烈的白烟，环境污染严重。采用本发明炉前球化处理时，基本消除了烟尘镁光，使炉前的操作环境得到明显改善，其操作轻便。球化反应平缓，热量损失少，铁水降温较小。由于取消了球化剂的熔制工序，因此避免了球化剂熔制过程中合金元素的烧损。
目前国内球化剂年产量为4万吨，每吨成本为1万元左右，以该工艺技术推广面为70％，降低球化处理成本85％计算4万吨×1万元/吨×70％×85％＝2.38亿元即每年可以节省球化剂价值2.38亿元人民币。
将本发明扩展到孕育铸铁的范畴，可以在炉前进行高效脱硫、孕育处理。与传统工艺的高强度孕育铸铁(HT200以上牌号)比较，比重可以降低3～5％。由于采用本发明的脱硫、孕育处理后，机械性能可以提高30～100％(与HT200～HT350比较)，因此采用新工艺减薄铸件壁厚20％是完全可行的。国內灰铸铁件年产量约800万吨，每吨价格为3000元左右，其中若有200万吨灰铸铁件采用本工艺技术，按上述条件计算3000元/吨×200万吨×(3％+20％)＝13.8亿元即每年可以降低孕育铸铁件费用为13.8亿元人民币。
以上二项合计每年可以降低原材料费用为16.18亿元人民币。
图面说明图1是修筑的堤坝式铁水包(1)放置球化处理反应装置并加入脱硫剂(6)的主视图；图2是图1所示装置及状态的俯视图；图3是修筑的球化处理铁水包(1)放置球化处理反应装置的主视图；图4是图3所示装置及状态的俯视图；图5是普通堤坝式铁水包(1)放置镁合金(10)并加入脱硫剂(6)，覆盖珍珠岩(7)、予埋反应盖板(8)的主视图；图6是图5所示装置及状态的俯视图。
发明的实施举例实施例1在300kg工频炉中熔炼，采用附图1所示的球化处理装置，采用堤坝式铁水包，处理铁水总重量为300kg。出炉温度控制在1550℃，原铁水含硫量为0.06％，镁块(3)加入量占处理铁水总重量的0.048％，脱硫剂(6)为碳酸钙和氧化钙，加入量占处理铁水总重量的1.0％，反应时间为2分10秒，反应比较平稳，无烟尘镁光。补加完剩余30％的铁水后，包内铁水温度为1460℃。球化反应结束后9分钟取样，三角试块白口宽度为2mm，球化级别为1级，石墨尺寸大小为7级。实施例2在冷风冲天炉条件下进行，熔化率为2吨/小时，采用附图1所示球化处理装置，堤坝式铁水包，处理铁水总重量为1000kg。出铁槽铁水温度为1462℃，原铁水含硫量为0.09％，镁块(3)加入量占处理铁水总重量的0.08％。球化反应时间为2分18秒；反应平稳。补加完剩余30％铁水后，包内铁水温度为1381℃，球化反应结束后12分钟取样，三角试块无白口，球化级别为1级，石墨尺寸大小为7级。实施例3在300kg工频炉中熔炼。采用附图3所示球化处理装置，堤坝式铁水包，处理铁水总重量为300kg，出炉温度为1560℃。原铁水含硫量小于0.02％，镁块(3)加入量占处理铁水总重量的0.028％。球化反应时间为2分40秒，反应平稳，无烟尘镁光。补加完剩余30％的铁水后，包内铁水温度为1465℃。球化反应结束10分钟取样，三角试块白口宽度小于1mm，球化级别为1级，石墨尺寸大小为7级。实施例4在冷风冲天炉条件下进行，熔化率为2吨/小时，采用附图5所示球化处理装置，堤坝式铁水包放置镁合金(10)，处理铁水总重量800kg。出铁槽铁水温度1450℃，原铁水含硫量为0.08％，所加入镁合金(10)中总含镁量占处理铁水总重量的0.05％，并加入碳酸钙与氧化钙为脱硫剂(6)脱硫，加入量为1.2％。反应时间为2分40秒，反应平稳，无烟尘镁光。补加完剩余30％的铁水后，包内铁水温度为1380℃。球化反应结束后12分钟取样，三角试块无白口，球化级别为1级，石墨尺寸大小为7级。
权利要求
1.一种生产球墨铸铁的炉前冲入包内法球化处理工艺及其球化处理装置，其特征是用钢、铁或耐火材料制成的反应室(2)中，以耐火材料或型砂、芯砂(4)为内衬，将制备好的镁块(3)设置于其中；也可以是将熔化了的镁液浇注到上述条件的反应装置中，依靠塞进反应室(2)与堤坝或凹坑间隙中的楔型块(5)的摩擦力将反应装置固定在铁水包(1)底，通过改变反应室(2)及镁块(3)的长度，改变反应室(2)口的面积及珍珠岩覆盖层(7)予留反应盖板(8)的面积来控制球化反应速度，通过改变反应盖板(8)与反应室的反应盖板(9)的厚度来控制球化反应的开始时间，当原铁水含硫量小于0.1％时，反应室(2)中镁块(3)的加入量为处理铁水总重量的0.020～0.095％。
2.如权利要求1所述的球化处理工艺及其球化处理装置，其特征是在铁水包(1)的堤坝内或凹坑内加入块状的镁合金(10)，当原铁水含硫量小于0.1％时，所加入的镁合金(10)中总含镁重量占处理铁水总重量的0.020～0.095％，通过改变镁合金(10)尺寸的大小，改变珍珠岩覆盖层(7)予留反应盖板(8)的面积来控制球化反应速度，通过改变反应盖板(8)的厚度来控制球化反应的开始时间。
3.根据权利要求1所述的球化处理装置，其特征是在铁水包(1)的堤坝内或凹坑内加入占处理铁水总重量0.8～1.6％粒度小于5mm的碳酸钙、氧化钙为脱硫剂(6)，利用珍珠岩覆盖层(7)的作用，可以在包内进行自下而上的脱硫处理。
4.根据权利要求1所述的球化处理工艺及其球化处理装置，其特征是在球化反应装置周围覆盖占处理铁水总重量0.8～1.6％粒度小于5mm的碳酸钙、氧化钙为脱硫剂(6)，利用珍珠岩覆盖层(7)的作用，可以在包内进行脱硫、球化复合处理，当原铁水含硫量小于0.1％时，反应室(2)中镁块(3)的加入量为处理铁水总重量的0.020～0.070％。
5.根据权利要求2所述的球化处理工艺及其球化处理装置，其特征是在块状镁合金(10)的表面覆盖占处理铁水总重量0.8～1.6％粒度小于5mm的碳酸钙、氧化钙为脱硫剂(6)，利用珍珠岩覆盖层(7)的作用，可以在包内进行脱硫、球化复合处理，当原铁水含硫量小于0.1％时，所加入的镁合金(10)中总含镁重量占处理铁水总重量的0.020～0.070％。
6.根据权利要求4或5所述的脱硫、球化复合处理工艺及其处理装置，其特征是当原铁水含硫量小于0.06％时，所加入的镁块(3)或镁合金(10)中总含镁重量占处理铁水总重量的0.02～0.05％。
7.根据权利要求1或2所述的球化处理工艺及其球化处理装置，其特征是当原铁水含硫量小于0.06％时，所加入的镁块(3)或镁合金(10)中总含镁重量占处理铁水总重量的0.02～0.07％。
8.根据权利要求1或2所述的球化处理工艺及其球化处理装置，其特征是当原铁水含硫量小于0.02％时，所加入的镁块(3)或镁合金(10)中总含镁重量占处理铁水总重量的0.02～0.05％。
9.根据权利要求1、2、3、4或5所述处理工艺及其处理装置，其特征是在灰铸铁炉前孕育处理时加入不足以完全球化所需重量的镁块(3)或镁合金(10)，控制反应速度，可获得理想的脱硫、孕育效果，使铸铁中游离状态的石墨成为蠕虫状、团状及部分球状，其铸态抗拉强度达200～500牛顿/平方毫米时，硬度为HB160～210，具有良好的铸造性能和机械加工性能，用于铸造低成本、高质量指标的各类机械零件。
10.根据权利要求1或4所述的球化处理工艺及其装置，其特征是在铁水包(1)的堤坝或凹坑内添加所需含量的稀土合金进行脱硫、球化复合处理。
全文摘要
一种关于生产球墨铸铁的炉前无烟球化处理工艺及其装置。本发明解决了冲入包内法球化处理时，因反应剧烈而造成的镁回收率低，改善了工作环境，处理后不倒包，铁水降温水，操作简单方便，可连续使用。用纯镁处理可取消镁合金的熔制，大幅度降低了球化处理成本，可以达到一级球化级别，石墨尺寸大小为7级。利用该工艺可以在炉前进行脱硫、孕育处理，用于铸造低成本、高质量指标的各类机械零件。
文档编号C22C33/00GK1148632SQ9511708
公开日1997年4月30日 申请日期1995年10月26日 优先权日1995年10月26日
发明者刘年路, 曾诚璧, 戈丽萍 申请人:天津市塘沽区铸造技术开发研究所