球墨铸铁的球化率达到90%以上的改进方案

快讯

2020-11-23 10:04:01

国内普通球墨铸铁铸件的球化级别要求达到4级以上，（即球化率70%，）一般铸造厂达到的球化率为85%左右。近年来，随着球墨铸铁生产的发展，尤其是在风电铸件生产和铸件质量要求较高的行业，要求球化级别达到2级，即球化率达到90%以上。笔者公司通过对QT400-15原采用的球化、孕育处理工艺以及球化剂、孕育剂进行分析、改进，使球墨铸铁的球化率达到了90%以上。

1、原生产工艺

原生产工艺：熔炼设备采用2.0T中频炉和1.5T工频炉；QT400-15原铁液成分为ω（C）=3.75%~3.95%、、ω（Si）=1.4%~1.7%、ω(Mn)≤0.40%、ω（P）≤0.07%、ω（S）≤0.035%；球化处理所用球化剂为1.3%~l.5%的RE3Mg8SiFe合金；孕育处理所用孕育剂为0.7%~0.9%的75SiFe-C合金。球化处理采用两次出铁冲入法：先出铁55%~60%，进行球化处理，然后加入孕育剂，再补加其余铁液。由于球化、孕育采用传统的方式，用25 mm厚的单铸楔形试块检测得到的球化率一般在80%左右，即球化级别3级。

2、提高球化率的试验方案

为提高球化率，对原来的球化和孕育处理工艺进行了改进，主要措施是：增大球化剂和孕育剂加入量、净化铁液、脱硫处理等。球化率仍然采用25 mm的单铸楔形试块进行检测，具体方案如下：

（1）分析原工艺球化率偏低的原因，曾认为是球化剂用量较少，故将球化剂加入量由1.3%~1.4%增加到1.7%，但球化率并未达到要求。

（2）另一种猜测是认为球化率偏低可能是由于孕育不良或孕育衰退引起，因而试验加大孕育剂量，由0.7%~0.9%增加到1.1%，球化率亦未达到要求。

(3)继续分析认为铁液夹杂较多、球化干扰元素偏高等可能是造成球化率偏低的原因，因而对铁液进行高温净化，高温净化温度一般控制在1 500±10℃，但其球化率仍未突破90%。

(4) ω（S）量高严重消耗球化剂量并加速球化衰退，因此增加脱硫处理，将原铁液ω（S）量从原来的0.035%降低到0.020%以下，但球化率也只达到86%。

以上4种方案的试验结果如表1所示，楔形试块的组织和力学性能均未达到要求。

3、最后采用的改进方案

3.1具体改进措施

原材料采用生铁、无锈或少锈的废钢和回炉料；对原铁液进行炉外加纯碱（Na₂CO₃）脱硫；采用福士科390预处理剂在包内进行预脱氧处理；采用福士科球化剂进行球化处理；采用碳化硅和硅铁联合孕育。

新工艺原铁液成分控制：ω（C）=(3.70%~3.90%、ω（Si）=0.80%~1.20%[铸件ω（Si_终）=2.60%~3.00%]、ω（Mn）≤0.30%、ω（P）≤0.05%、ω（S）≤0.02%。当原铁液ω（S）量超过0.02%时，采用工业用纯碱进行炉前脱硫处理，因脱硫反应是吸热反应，要求脱硫温度控制在1500℃左右，纯碱加入量根据炉前熔清时的ω（S）量高低控制在1.5 % ~2.5 %。同时，球化处理包采用普通的堤坝式处理包，首先把福士科NODALLOY7RE牌号球化剂1.7%加入包底堤坝一侧，扒平压实，用0.2%的粉末状碳化硅和0.3%的小块状75SiFe先后覆盖一层，捣实后用压铁盖上，在铁液包的另一侧加入0.3%的福士科390孕育剂。出铁时首先冲入总铁液量的55%~60%，待球化反应完毕后，加入1.2%的75SiFe-C孕育剂后冲入剩余铁液，扒渣浇注。

3.2试验结果

原铁液脱硫前后的的成分见表2、表3，25mm单铸楔形试块对应的力学性能和金相组织见表4，金相组织中球化率的评定方法采用金相图像分析系统自动检测。

4、结果分析

4.1主要元素对球化率的影响

C、Si： C能促进石墨化，减少白口倾向，但ω（C）量高会使CE过高而容易产生石墨漂浮，一般控制在3.7%~3.9%。Si能加强石墨化能力，消除渗碳体。Si以孕育剂的方式加入时，可大大降低铁液的过冷能力。为了提高孕育效果，原铁液的ω（Si）量从原来的1.3% ~1.5%降到0.8%~1.2% ，ω（Si_终）量控制在2.60%~3.00% 。

Mn：在结晶过程中，Mn增加铸铁的过冷倾向，促进形成碳化物(FeMn) ₃C。在共析转变过程中，Mn降低共析转变温度，稳定并细化珠光体。Mn对球化率没有太大的影响。因受原材料的影响，一般控制ω（Mn）<0.30%。

P：当ω（P）<0.05%时固溶于Fe，难以形成磷共晶，对球铁的球化率影响不是很大。

S：S是反球化元素，S在球化反应时消耗球化剂中的Mg和RE，阻碍石墨化，降低球化率。硫化物夹渣还会在铁液凝固之前回硫，再次消耗球化元素，加快球化衰退，进一步影响球化率。为了达到高的球化率，应该使原铁液的ω（S）量降低到0.02%以下。

4.2脱硫处理

当炉料熔清后，取样分析化学成分，当ω（S）量高于0.02%时要进行脱硫处理。

纯碱脱硫的原理为：将一定量的纯碱置于浇包内，利用铁液流冲入而搅拌，纯碱在高温下分解，反应式为Na₂CO₃=Na₂O+CO₂↑：生成的Na₂O又与铁液中硫化合生成Na₂S，（Na₂O）+[FeS]=（Na₂S） +（FeO）。Na₂CO₃分解析出CO₂引起铁液剧烈搅动，促进脱硫过程进行。纯碱渣极易流动、很快上浮，脱硫反应时间很短，脱硫后应及时扒渣，否则会回硫。

4.3预脱氧处理、球化处理及孕育处理

福士科390预处理剂在包内起到预脱氧处理的作用，同时增加石墨形核核心、增加单位面积石墨球数，还可以提高Mg的吸收率，大幅度提高抗衰退能力，提高球化率。福士科孕育剂含ω（Si） =60%~70%、ω（Ca）=0.4%~2.0%、ω（Ba）=7%~11%，其中Ba可以延长有效孕育时间。

选用福士科球化剂牌号为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%。由于铁液经过了脱硫和预脱氧处理，铁液中消耗球化剂的元素大量减少，因此选用了ω（RE）量低的球化剂，以减少RE对球状石墨形态的恶化；起球化作用的元素主要是Mg；Ca和Al可以起到加强孕育的作用。

采用碳化硅和硅铁联合孕育处理，碳化硅的熔点在1600℃左右，并在凝固时增加石墨结晶晶核，采用大剂量的硅铁孕育，可以防止球化衰退。

5、结论

生产铁素体球墨铸铁，要求球化率达到90%以上时，可以采用以下措施：

(1)选用优质炉料，减少炉料中的反球化元素。

(2)选用ω（RE）量低的球化剂，减少RE对球状石墨形态的恶化影响。

(3)原铁液的ω（S）量应小于0.020%，这样可以减少球化剂的消耗量，特别是硫化渣二次回硫所消耗的球化元素。

(4)对铁液进行预脱氧处理，增加单位面积石墨球数，提高球化率，大幅度提高抗衰退能力，延长有效孕育时间。

(5)降低原铁液中ω（Si）量，增加球化剂、孕育剂和各种预处理剂的加入量，强化孕育处理。

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