冲入法球化处理工艺的改进.docx
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冲入法球化处理工艺的改进
冲入法球化处理工艺的改进
王秀国
（聊城鑫泰克机械有限责任公司，聊城252000）
摘要：
通过对原铁水进行脱氧预处理、对球化剂采取合适的覆盖方式、适当降低铁水出炉温度、使球化反应开始的时间尽量发生在出“后半包铁水”的时间、严控出铁铁水的重量等等措施，可以使冲入法的球化工艺发挥到一个更高的水平：
在球化剂加入量降低至0.82~1%的情况下，使铸件的球化级别符合国家标准，且大大降低铸件的缩孔、缩松倾向，减少夹渣、夹杂缺陷。
关键词：
冲入法球化处理工艺脱氧预处理覆盖铁水出炉温度球化反应
冲入法球化处理工艺，简单易行，对球墨铸铁件的推广应用起了“巨大”的作用，至今仍然是铸造企业较为普遍采用的球化处理方法。
但是，冲入法球化处理工艺也有严重的不足：
一是球化剂Mg吸收率较低，二是生产的球铁铸件的质量不稳定。
传统的冲入法球化处理工艺：
球化包通常设计成堤坝式或坑式。
将球化剂加入堤坝一侧或坑，在球化剂上面覆盖硅铁粒、孕育剂、铁屑、钢片、覆盖合金、珍珠岩等物。
感应电炉熔炼，使用6-2球化剂或7-2球化剂的较多，加入量大多在1.1%~1.4%。
球化剂Mg吸收率较低，一般在30%~40%。
传统的冲入法球化处理工艺，球化剂Mg元素损耗严重，球化剂使用量大，球化质量不稳定；组织含有大量片状和蠕虫状石墨，对基体割裂作用大，影响性能；铁水温度损失大，渣量多，铸造废品率高。
笔者根据二十多年的工作经验、客户的要求、同行的先进经验，采取了一些“创造”性的方法，在生产0.5kg~400kg的球墨铸铁件时，使用5-2球化剂，加入量降低至0.82~1.0%。
正常情况下，球化率达到80%以上的包次达到99%以上。
参照《现代铸铁》2011年6月提供的一组数据，进行球化处理工艺对比
指标
国冲入法
国外盖包法
球化浇注处理包
本项目
Mg的吸收率%
35
60
61
＞63
球化剂消耗量%
1.4
1.1
1.1
0.82~1.05
球化质量
差
优
优
优
铁液温度损失/℃
70
40
40
40~70
劳动条件
差
好
好
好
Mg吸收率（%）
={0.75×（原铁水含硫量%—残余硫量%）+残余镁量%Mg}/镁加入量（%）
以15年8月18日夜班生产平衡块为例：
原铁水S0.026，残余硫量0.022，残余镁量0.031%Mg;球化级别：
3级
球化剂加入量6.8kg，含Mg按6%计算，出铁775kg（球化剂加入量0.88%）
Mg吸收率（%）={0.75×（0.026%-0.022%）+0.031%Mg}/{0.88×6%}=64.3%
做到以上效果，措施如下：
1.对原铁水进行预处理——脱氧
1.1对原铁水进行脱氧的起因
在球化反应中，除考虑反球化元素S以外，还要考虑O的作用。
Mg+O→MgO。
铁液中的ω（O）量与铁液温度、保温时间息息相关。
缓慢熔炼的铁液紊流程度小，铁液中的ω（O）量较低（<40ppm）；快速熔炼的铁液往往紊流程度大，铁液中的ω（O）量高（>80ppm），有时甚至高达120-140ppm。
经过计算，因熔炼条件不一致，造成两种铁液的ω（O）量一个为20ppm，一个为120ppm，就相当于原铁液中有0.01%的ω（S）量波动，这是不容忽视的情况。
另外，如果熔炼用的原材料铁锈多，熔炼好的铁水，氧化也比较严重；熔炼好的铁水，在1550℃以上过热保温，也容易氧化。
采用感应电炉熔炼，原铁水的ω（S）量一般在0.01~0.025。
如果考虑不到有相当于0.01%的ω（S）在波动，不加以调整球化剂的加入量，就会出现严重的冶金质量问题。
造成球化剂加入量相对不足，使得石墨球圆整度差、发生球化不良，导致球化级别不够；若球化剂加入量相对过剩，将使得残余Mg量高，从而导致皮下气孔、显微缩松等铸造缺陷。
在球化反应前，铁液对球化剂的需求保持在一个相对稳定的水平，就必须使球化前铁液的ω（O）、ω（S）量相对固定在一个较低的水平，这就是预处理技术的起因。
1.2在对铁水采取脱氧技术前，本公司存在的问题
1.2.1球化剂加入量大、球化质量不稳定
笔者生产的球铁件有0.3~2kg的管卡类铸件、2~10kg的割草机皮带轮铸件、7~10kg的重卡用行星架、10~20kg的轿车用飞轮、15~20kg的柴油机平衡块、20~40kg的轮边减速器壳/差速器壳、250~300kg的柴油机飞轮铸件等等。
球铁件的牌号为QT400-15、QT450-10、QT450-12、QT500-7、QT600-3。
熔炼设备为1.5T/h、5T/h的中频感应电炉。
球化包每包出铁水量为750kg/包和1500kg/包两种。
造型设备主要为ZZ416垂直分型无箱射压造型线。
造型线使用3个250kg的浇注包。
采用5T/h电炉熔炼，在造型线上生产20~25kg/箱的铸件，每包出铁水750kg，一般每炉出6包铁水。
球化、浇注6包铁水，用时55~60分钟。
在造型线上生产12~15kg/箱的铸件，每包出铁水500kg，每炉出10包。
球化、浇注10包铁水，用时100分钟左右。
铁水在炉停留的时间越长，温度越高，氧化得越严重。
为了确保铸件球化级别≥3级，5kg以上的铸件,残余Mg不得不控制在0.05~0.085%，大大超出国家要求的0.03~0.06的围。
即使如此，残余Mg在0.05~0.055%时，经常有球化不良的包次出现。
2012年以前，球化剂的加入量为1.65%~1.5%。
2012年~2014年上半年的生产条件：
球化包修成堤坝式，包窝深度200mm。
为控制好球化反应速度，在球化剂上面覆盖1%的覆盖合金。
使用的球化剂为OGRC-6（G），含Mg量在6.8左右。
生产7~10kg的重卡用行星架，球化剂的加入量为1.35，残余Mg量多数控制在0.05~0.08的围。
1.2.2铸件质量差，缩孔、缩松倾向严重
我公司生产的行星架系列产品，在腿部及法兰盘接触处存在着热节。
在热节处容易产生缩孔。
特别是法兰盘较薄9GFT行星架，补缩通道不畅通，残余Mg达到0.055%以上时，在解剖检查的样件中，几乎都发现有缩孔、缩松存在。
9GFT行星架铸件的法兰盘厚度为20mm，腿部热节圆直径约30mm。
成品法兰盘厚度为：
15.5mm。
铸件补缩非常困难。
同种类型的行星架2405022TOOH，成品法兰盘厚度为：
17.8mm，铸件法兰盘厚度25mm，很少产生缩松。
将残余Mg适当降低至0.045~0.055，缩孔、缩松倾向减少了，但是，出现了大批球化级别为4~5级的包次。
因球化级别不合格而报废的包次大幅上升。
这增加了生产安排的难度，严重影响了公司对客户的供货，降低了公司的信誉。
1.3对以上问题的分析
1.3.1原铁液冲入球化包，球化剂开始反应，在形成石墨球以前，Mg会先对铁液进行脱氧，再进行脱硫。
Mg对原铁液而言，是很强的脱氧剂。
球化处理后，Mg会强烈地吸收各种来源的氧。
因此，Mg可能在保温停留、浇注和浇注系统中发生紊流时损失。
严重氧化的原铁液（由于熔化和保温温度高、炉料中废钢量高、炉料与大气含水等）将在球化处理过程中消耗大量的Mg，造成Mg吸收率低。
球铁球化质量的好坏与ω（Mg残）并没有直接的关系，真正起作用的
是游离ω（Mg）量。
有时，ω（Mg残）量高，可能是化合态ω（Mg）量高，即ω（MgS）、ω（MgO）量高。
感应电炉熔炼，炉料主要为生铁、废钢、低S的增碳剂，硫高的可能性不大。
通过炉前快速C、S分析或光谱分析，原铁水中的S是可以在出铁球化前获悉的。
因铁水氧化，铁液含FeO高，发生反应Mg+O→MgO，会导致Mg被大量消耗，生成过大的ω（MgO）量。
而此时游离ω（Mg）量低，不仅不能获得良好的球化效果，而且会形成更多的缩松、夹杂。
铁水过度氧化，ω（MgO）量过高，游离ω（Mg）量过低，致使残
余Mg高达0.05~0.055，铸件仍出现球化不良的根本原因。
铁水过度氧化，除了铁水在炉就氧化以外，还有一种情况：
球化包、
浇注包未烤干、烤透。
出铁球化时，包衬中的水分进入铁水，发生呛火。
H2O分解成H和O，O和Mg形成MgO。
1.3.2ω（Mg残）量在0.04%以下时，铁液的凝固区间基本和ω（Mg残）量
无关，但当铁液中ω（Mg残）量增加到0.05%甚至更高时，铁液的凝固区间迅速扩大，使得奥氏体析出围增宽，缩孔、缩松倾向迅速增大。
如果ω（Mg残）量在0.06%或更高，其收缩倾向更大。
同时，随着ω（Mg残）量的升高，铁液有效补缩时间占铸件整个凝固时间的百分比也必须随之增加，才有可能获得健全的铸件。
换言之，在不调整补缩工艺的情况下，随着ω（Mg残）量的升高，铸件出现缩松的几率也大为升高。
综上，ω（Mg残）量过高是9GFT行星架产生缩孔、缩松的主要原因。
另外，球化过程中产生的氧化镁（MgO）化学稳定性很高，具有高熔点（会一直保持固相），低密度（在铁液中漂浮），在铁中的溶解度很低。
氧化镁渣会上浮到浇包铁液的表面，浇注入铸型后会上浮并积累在铸件的上表面，也可能被卷进铸件部形成有害夹杂物。
1-4以上问题的解决方案
1.4.1导致ω（Mg残）量中游离ω（Mg）量比例低的因素有两个：
一是原铁水的S高。
通过采用特级球墨铸铁用生铁、优质碳素结构钢的下脚料、高温石墨化处理增碳剂，可以将原铁水的S稳定地控制在一个较低的水平。
而且，原铁水的含S量也是可以检测获知的。
即原铁水的含S量是可控的。
原铁水的S太低（0.004或更低），会降低孕育效果。
二是原铁水的O不稳定，有时高，有时低，不易控制。
原铁水的O高时，Mg+O→MgO，ω（Mg残）量中ω（MgO）量比例较高，游离ω（Mg）量低。
只有将原铁水的O控制在一个较低的水平，才可以提高ω（Mg残）量中的游离ω（Mg）量的比例。
1.4.2如何将原铁水的O控制在一个较低的水平？
对原铁水进行脱氧。
1.4.3对原铁水进行脱氧的机理：
在出铁前7分钟左右，扒渣后将脱氧预处理剂加入炉铁水表面，使其与FeO反应，将FeO中的O置换出来。
脱氧预处理剂的功能元素必须具备以下特点：
（1）和铁液中O反应活性强，其氧化物的标准吉布斯自由能要低；
（2）这种元素的氧化物密度尽可能小，最好和铁液类似；（3）这种氧化物的熔点要高。
根据标准吉布斯自由能-T图，各元素被氧化的难易程度，随温度略有变动，但有一个大致的顺序：
Cu、Pb、Ni、Co、P、Fe、Cr、Mn、Si、Ti、Al、Mg、Ca。
元素与氧的亲和力按此顺序逐渐增加。
想脱出FeO中的O，必须使用Fe以下的元素如Mn、Si、Al、Ca。
还有两个元素Ba、La，具备脱氧的功能。
早期的研究表明：
Ba并不溶于铁液，Ba具有比Ca强很多的表面活性。
加入铁水，在铁液中起强脱氧剂的作用。
Ba夺取其它金属氧化物中的氧，生成更为稳定的氧化物漂浮在铁液表面，即净化铁液又保护铁液免受氧化。
1.4.4对脱氧预处理剂的选择
根据对原铁水进行脱氧预处理的机理，首先咨询了福士科公司，其生产的Inoculin390预处理剂，满足脱氧的要求。
Inoculin390是以Ba为主、La为辅的产品。
但是，其价格昂贵，接近38000元/T，适用于高端产品。
其次，又咨询了一家生产冶金材料的公司，其生产的PRE-La预处理剂，也能满足脱氧的要求。
PRE-La预处理剂化学成分
Si
Ba
Ca
Al
La
化学成分%
60-70
7-14
0.5-2
≤1.5
适量
PRE-La预处理剂使用方法：
电炉熔炼，在出铁前10分钟左右扒渣后将预处理剂加入铁水表面即可，加入量0.5%；增硅量以预处理剂加入量的50%计算。
但是，其价格偏高，接近18000元/T，生产中、低档产品时应用该产品，经济上承受不住。
根据Ba、Al、Ca的脱氧机理，经过多次试验，最后选择了高钡预处理剂。
其价格在9000元/T左右。
高钡预处理剂的成分含量：
Si
Ba
Ca
Al
粒度
化学成分%
60-65
14-16
0.5-2
0.5-2
实际控制
60左右
15左右
1.3-1.4
1.7-1.8
3-6mm
Si、Al、Ca、Ba都是脱氧元素。
Al是强脱氧剂，能在铁液中形成氧化保护膜，提高其他活性添加剂在铁液中的吸收率。
Ca是优秀的脱氧剂，夺取FeO中的O，生成CaO，形渣后密度小浮出铁水表面。
1.4.5ω（Mg残）量的有效围
根据原铁液含硫量的不同，形成完全球状石墨组织所需Mg量的围为0.03~0.06%.若铁液中硫和氧含量都很低，大约0.018%的Mg就足以形成全球状石墨组织。
在实际生产中，通常以检测残留镁量来判断球化反应是否正常？
检测到的残留镁量是总Mg量，包括MgO、MgS、MgSiO3等化合物中的Mg.
综上：
我公司对铸件的残余Mg量定为：
1）因铸件结构，生产工艺限制，缩孔、缩松倾向大的铸件，残余Mg量0.03~0.045%；2）铸件缩孔、缩松倾向小的铸件，残余Mg量0.03~0.055%。
2015年8月18日夜班1.5T/h生产柴油机平衡块，金相、化学成分检测如下
炉次
包次
球化级别
硬度
HB
C
Si
S
Mn
Mg
Re
Cu
Cr
铁水kg/包
一
1
3
229
3.68
1.9
0.019
0.81
0.048
0.02
0.32
0.25
730
2
3
202
3.75
1.97
0.022
0.81
0.031
0.02
0.32
0.25
775
二
3
3
222
3.77
1.93
0.018
0.82
0.05
0.018
0.35
0.25
745
4
3
217
3.84
2
0.017
0.8
0.043
0.023
0.34
0.25
755
三
5
3
241
3.77
1.92
0.016
0.79
0.051
0.024
0.32
0.25
735
6
3
216
3.72
1.97
0.015
0.79
0.053
0.023
0.31
0.24
740
四
7
3
211
3.75
1.87
0.016
0.85
0.052
0.029
0.34
0.26
740
8
3
217
3.65
1.89
0.013
0.85
0.049
0.027
0.33
0.25
745
五
9
3
241
3.83
1.82
0016
0.78
0.048
0.024
0.31
0.23
735
10
3
231
3.83
1.89
0.017
0.77
0.044
0.024
0.31
0.23
730
平衡块的材质为QT600-3，铸件厚度为60~70mm。
使用5-2球化剂（Mg5.5~6%），球化剂加入量为6.8kg/包（0.92%）。
对铸件进行解刨，无缩松。
1.4.6不同的生产条件下，如何使用高钡孕育剂对原铁液脱氧？
1.4.6.1易产生缩孔、缩松的铸件
升温至1500~1530℃，扒渣，做原铁水的光谱分析；出铁前7分钟，扒渣，向炉液面加入0.1%高钡预处理剂脱氧；出铁前1分钟，将铁水表面的杂质撒聚渣剂扒除，再向炉铁水表面加入0.05%高钡预处理剂强化脱氧。
生产该类铸件时，控制残余Mg量0.03~0.045%，球化剂的加入量一般为0.82~0.9%。
2015年5月13日白班5T/h电炉生产皮带轮，金相、化学成分检测如下
序号
球化级别
珠光体
硬度
HB
C
Si
S
Mn
Mg
Re
Cu
Cr
铁水kg/包
1
3
45
185
3.8
2.06
0.023
0.32
0.042
0.022
0.29
0.2
755
2
3
45
185
3.79
2.1
00.17
0.29
0.042
0.02
0.29
0.2
740
3
3
45
192
3.75
2.12
0.015
0.3
0.048
0.02
0.28
0.2
750
4
3
45
203
3.7
2.17
0.017
0.3
.048
0.022
0.3
0.2
755
5
3
45
203
3.62
2.18
0.014
0.3
0.04
0.018
0.29
0.2
800
6
3
45
196
3.66
2.22
0.015
0.3
0.045
0.02
0.29
0.2
800
皮带轮的材质为QT500-7，重量为2-10kg。
使用5-2球化剂，铁水出炉前进行2次脱氧。
球化剂加入量为6.3kg/包（0.84%）。
对铸件进行加工，无缩孔缩松。
2015年5月18日白班5T/h电炉生产9GFT行星架，金相、化学成分检测如下
序号
球化级别
珠光体
硬度
HB
C
Si
S
Mn
Mg
Re
Cu
Cr
球化剂kg/包
1
3
75
232
3.83
1.73
0.02
0.32
0.056
0.019
0.49
0.19
6.4
2
3
75
234
3.75
1.7
0.016
0.31
0.058
0.015
0.48
0.19
6.4
3
3
75
222
3.72
1.8
0.016
0.31
.042
0.016
0.48
0.19
6.2
4
3
65
215
3.79
1.81
0.019
0.3
0.041
0.017
0.5
0.19
6.2
5
3
65
214
3.67
1.86
0.016
0.3
0.046
0.013
0.5
0.19
6.2
6
3
75
229
3.59
1.86
0.015
0.3
0.04
0.017
0.49
0.19
6.2
7
3
65
205
3.73
1.8
0.015
0.31
0.044
0.018
0.48
0.2
6.2
8
3
65
221
3.75
1.73
0.017
0.32
0.042
0.019
0.48
0.2
6.2
9
3
75
224
3.7
1.83
0.017
0.32
0.04
0.02
0.5
0.2
6.2
10
3
65
217
3.78
1.84
0.017
0.33
0.043
0.02
0.5
0.2
6.2
11
3
75
223
3.71
1.82
0.017
0.33
0.042
0.016
0.49
0.2
6.2
12
3
75
226
3.72
1.81
0.019
0.33
0.048
0.018
0.49
0.2
6.2
9GFT行星架的材质为QT600-7，质量为7.5kg/件。
使用5-2球化剂，铁水出炉前进行2次脱氧。
每包出铁750kg。
对每包的包尾件进行解刨，检查缩孔、缩松：
5包无缩孔缩松；6包有轻微，不易发觉的缩松；1包有一个轻微的缩孔。
基本上满足客户的使用要求。
1.4.6.2一般不易缩松球铁小件控制残余Mg量0.03~0.055%，球化剂的加入量
一般为0.85~0.95%。
脱氧：
在出铁前3~4分钟，扒渣，向炉液面加入0.1%高钡预处理剂脱氧即可。
1.4.6.3质量在200~350kg的球铁件，控制残余Mg量0.04~0.055%，球化
剂的加入量一般为0.9~1%。
两次脱氧：
出铁前7分钟，扒渣，向炉液面加入0.1%高钡预处理剂脱氧；出铁前2分钟，将铁水表面的杂质撒聚渣剂扒除，再向炉铁水表面加入0.05%高钡预处理剂强化脱氧。
2015年8月5日白班1.5T/h电炉生产柴油机飞轮，金相、化学成分检测如下
球化级别
珠光体
硬度
HB
C
Si
S
Mn
Mg
Re
Cu
Cr
铁水kg/包
球化剂kg
3
75
230
3.6
1.82
0.02
0.89
0.05
0.02
0.39
0.3
1350
14
柴油机飞轮的材质为QT600-3，质量为310kg。
使用5-2球化剂，铁水出炉前进行2次脱氧。
对铸件进行加工，无缩孔、缩松。
1.4.6.4除去每炉出第一包铁水前需要向炉加高钡预处理剂脱氧以外，其余包次，每次出铁球化前2~3分钟，都需要向炉加0.05%的高钡预处理剂脱氧。
1.4.6.5因种种原因，铁水熔化好了不能及时出炉，铁水在炉煮的时间过长，增加一次脱氧过程，高钡预处理剂的加入量为0.1%。
1.4.6.6生产小件，要求的浇注温度高，炉铁水温度就高，更容易氧化。
出第一包铁水前，两次脱氧；出第2包及随后包次前，都需要向炉加0.05~0.1%的高钡孕育剂脱氧。
多次向炉加孕育剂，会明显改变炉原铁液的Si量。
一般出3包铁水，检测一次炉的初Si含量，根据初Si量，调整一次孕育的孕育量。
2015年6月23日白班5T/h电炉生产管卡，金相、化学成分检测如下
序
号
球化级别
珠光体
初
Si
一次孕育量
球化剂
C
Si
S
Mn
Mg
Re
铁水kg/包
1
3
25
1.32
6
4.8
3.52
3.15
0.011
0.17
0.038
0.02
460
2
3
25
6
4.8
3.54
3.21
0.011
0.16
0.04
0.02
500
3
3
25
1.57
5
4.8
3.48
3.05
0.013
0.15
0.04
0.02
500
4
3
20
1.61
5
4.8
3.47
3.19
0.012
0.15
0.034
0.02
480
5
3
25
5
4.8
3.53
3.07
0.01
0.16
0.038
0.02
500
6
3
25
5
4.8
3.5
3.27
0.01
0.15
0.039
0.02
485
管卡的材质为QT450-12，质量为0.3、0.6kg两种。
60.3管卡壁厚为4mm，要求高温浇注。
使用5-2球化剂，铁水出炉前进行2次脱氧。
1.4．7在阴雨天，空气湿度大，铁水容易氧化，适当降低原铁水的初Si含量，适当增加用于脱氧的高钡预处理剂的重量。
1.4.8向炉加高钡预处理剂后，铁液表面的现象：
撒聚渣剂扒渣，向铁液表面撒入高钡预处理剂，大约30秒左右，从铁水部逐渐向上笵出灰蒙蒙的片状杂质。
持续时间约1~2分钟。
1.4.9熔炼时，使用高钡预处理剂进行脱氧；造型时，使用碳化硅过滤网滤渣。
两项技术结合使用，基本上会消除渣眼缺陷。
2对不同的出炉温度，采取各自合适的覆盖方式
不同的铁水出炉温度，使球化剂发生反应的剧烈程度是不一样的。
如果对
球化剂覆盖不合理，有时会造成球化剂过早剧烈反应，Mg没有被铁水吸
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