CN101508009B - 一种大断面球铁的瞬时孕育方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大断面球铁的瞬时孕育方法。本发明是提供一种根据浇注时铁水流速不同，能准确改变孕育剂加入速度的大断面球铁的瞬时孕育方法。本发明可用于生产高性能要求、可抗低温冲击的大断面球铁铸件。一种大断面球铁的瞬时孕育方法，铁水从浇口箱注入直浇道其特征在于浇注同时自动给料装置将孕育剂通过管道加入直浇道中，孕育剂与在直浇道中呈半充盈状态铁水混合后注入型腔；自动给料装置根据铁水流量的变化自动调整孕育剂的加入速度。

Description

一种大断面球铁的瞬时孕育方法

技术领域

本发明涉及一种瞬时孕育方法，尤其是采用浇口箱浇注大断面球铁的瞬时孕育方法。

背景技术

在大断面球铁生产过程中，最突出的问题就是球化和孕育衰退，导致碎块状石墨或石墨畸变，恶化铸件性能，因而孕育处理是极其重要。孕育处理可以决定球径大小、石墨球数量、石墨球圆整度、乃至抑制球化衰退的关键要素。获得高等级孕育效果除了与孕育剂的组成物质和加入量有关外，还与孕育剂的加入时间和加入方式密切相关。通常情况下，孕育处理距离铁水凝固时间越近越好，即孕育得越晚越好，因此瞬时孕育往往成为球铁生产过程中的关键技术。

目前，生产大断面球铁铸件时通常采用的瞬时孕育处理方法是将孕育剂预先加入到浇口箱中，这种瞬时孕育方法简单，容易实现。但这种方法的问题是孕育剂要在浇口箱中完全溶解后才能进入型腔，孕育剂加入距离铸件凝固的时间较长，特别是由于孕育剂长时间在浇口箱中的热铁水中保存，不能迅速进入型腔随铸件本体一起快速冷却，这样就很容易降低球化剂率，出现孕育衰退，产生石墨畸变、产生碎块状石墨，进而导致球化率的降低，使得铸件的力学性能达不到技术标准要求。

目前使用的孕育剂有多种：75SiFe，Si-Ba，Si-Sr，Si-Zr等，但对于大断面球铁来说，均不能达到满意的球化效果，铸件组织中容易产生石墨畸变乃至碎块状石墨，球化率较低，进而导致铸件力学性能达不到标准要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大断面球铁的瞬时孕育方法，它适用于浇口箱浇注的开放式浇注系统，根据铁水流速不同，能准确改变孕育剂加入速度；使用新组分的孕育剂在浇注同时对铁水进行瞬时孕育处理，可用于生产材料牌号为EN GJS400-18LT或EN GJS350-22LT的高性能要求、可抗低温冲击的大断面球铁铸件。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种大断面球铁的瞬时孕育方法，铁水从浇口箱注入直浇道其特征在于浇注同时自动给料装置将孕育剂通过管道加入直浇道中，孕育剂与在直浇道中呈半充盈状态铁水混合后注入型腔；自动给料装置根据铁水流量的变化自动调整孕育剂的加入速度。

孕育剂成分及其重量百分比为：CeRe 1-2％、Ba 2-3％、Ca 0-3％、Si 65-68％、Bi 1-3％，其余为Fe。

孕育剂的加入量为浇注重量的0.2％。

孕育剂通过的管道为陶瓷管道。

发明有益效果：

本发明的孕育剂加入采用随铁水流量变化而改变孕育剂加入速度，准确控制孕育剂流量，使之和铁水的混合比稳定，提高孕育质量；孕育剂靠重力和铁水在直浇道产生负压进入直浇道，在铁水冲击作用下，与铁水均匀混合，无残留，不会产生阻塞现象，并能顺利进入型腔。孕育剂的加入方式与直接在浇口箱中加入方式相比，省去了铁水在浇口箱内停留的时间，因此孕育剂加入的时间更加接近铁水凝固的时间，从而使得铸件获得较高的球化等级，质量稳定性大为提高。

本发明采用高效能的孕育剂，其中Bi以物理混合方式加入到CeRe-Si-Ba-Ca孕育剂中，Bi是反球化元素，但在加入量适量的情况下，具有强烈的增加石墨球的能力，高效能的孕育剂中含有Bi 1-3％，会使石墨成核数量多，球径小，圆整度好，消除石墨畸变及碎块状石墨，铸件力学性能、特别是低温冲击性能更好，可用于制造高质量水平的抗低温冲击大断面球铁产品。

附图说明

图1是本发明实施例的示意图。

图中附图标记为：1、变频器；2、电机；3、给料器；4、料斗；5、导入口；6、陶瓷管道；7、单板机；8、自动给料装置；9、浇口箱；10、浇口塞；11、直浇道；12、内浇道；13、型腔；14、砂箱。

具体实施方式

浇注前，确定产品浇注量和浇注时间，求出浇口箱液面高度与时间变化关系，进而求出铁水浇注流量与时间的函数关系，再依据孕育剂加入量为铁水浇注重量的0.2％，导出孕育剂流量与时间函数关系，本发明使用的自动给料装置8加入孕育剂流量为50g/r，导出自动给料装置8旋转速度与时间函数关系，将旋转速度与时间的关系式输入单板机7，从而通过单板7控孕育剂的流量，实现对孕育剂流量的变量控制，使之与浇注的铁水流量相应，满足孕育处理的要求。

浇注时，启动电机2并拔下浇口塞10，铁水经浇口箱9底部注入直浇道11并保持半充盈状态，开放式浇注系统设置有阻流结构，从而可实现向型腔13内逐层注入铁水；加入孕育剂，重量为铁水重量的0.2％，其成分及其重量百分比为：CeRe 1-2％、Ba 2-3％、Ca 0-3％、Si 65-68％、Bi 1-3％，其余为Fe；孕育剂由自动给料装置8从砂箱14上部加入，通过陶瓷管道6进入砂箱14内的直浇道11；借助自然重力和开放式浇注系统中直浇道11中铁水流动造成的负压将孕育剂导入，并在直浇道11与铁水充分混合，经内浇道进入型腔13。

实施例：以1.5MW风电机组的轮毂为例，参照附图进一步说明本发明。

1、首先确定各参数及变量关系：

A、浇注时间计算

该铸件重量为W＝10500kg，采用无冒口铸造，工艺出品率设计为88％，故浇注重量为：G＝11930Kg。

浇注时间为：t＝(2/3)×mG^1/2＝138s。式中m为壁厚系数，为1.9；G为浇注重量(kg)。

B、浇口箱9出口铁水流量计算

铁水重量为G＝11930Kg，铁水密度为r_铁水＝7×10^-3kg/cm³；

设浇口箱9直径D₁(cm)，浇口箱9截面积为S₁(cm²)，浇口箱9初始液面高度为h₁(cm)，阻流段高度为h_x(cm)，阻流段直径D_阻(cm)，阻流面积为S_阻(cm²)，如果是两个以上阻流口时，阻流面积可表示为∑S_阻(cm²)。

根据液体不可压缩原理，浇口箱9内液面高度下降dh_x，

铁水体积变化为dV＝-S₁×dh_x(cm³)----------式(1)

即为浇口箱9底部出口流出体积。

铁水在浇口箱9底部阻流处的瞬时速度为：

Vx_阻＝u(2gh_x)^1/2，g为重力加速度＝980cm/s²；h_x为浇口箱液面高度(cm)，u为流量系数，在浇口箱9底部阻流的情况下，取0.76。

铁水瞬时流量：dV_阻＝dt_x×Vx_阻×∑S_阻(cm³)，

故，dV_阻＝u(2gh_x)^1/2×∑S_阻×dt_x-------------------式(2)

根据式(1)及式(2)，

-S₁dh_x＝u(2gh_x)^1/2∑S_阻dt_x

即，-〔u(2gh_x)〕^-1/2dh_x＝∑S_阻/S₁dt_x

两边积分：

-∫〔u(2gh_x)〕^-1/2dh_x＝∫∑S_阻/S₁dt_x，得出：

-〔2^1/2/ug^1/2〕h_x ^1/2＝∑S_阻/S₁t_x+C-------------------式(3)

将t＝0，h_x＝h₁+h_阻及t＝138s，h_x＝h_阻分别带入式(3)，

得到：

-〔2^1/2/ug^1/2〕h_阻 ^1/2＝138∑S_阻/S₁+C-------------------式(4)

-〔2^1/2/ug^1/2〕(h₁+h_阻)^1/2＝+C    ----  ---------------式(5)

由式(4)及式(5)得到：

〔2^1/2/ug^1/2〕〔(h₁+h_阻)^1/2-h_阻 ^1/2〕＝138∑S_阻/S₁--------式(6)

将u＝0.76，g＝980cm/s²带入式(6)，可得：

即〔(h₁+h_阻)^1/2-h_阻 ^1/2〕＝2322∑S_阻/S₁------------------------式(7)

只有一个阻流口时，根据式(7)可得：

〔(h₁+h_阻)^1/2-h_阻 ^1/2〕＝2322S_阻/S₁------------------------式(8)

对于两个阻流口的情形，∑S_阻＝2S_阻，则根据式(7)可得：

〔(h₁+h_阻)^1/2-h_阻 ^1/2〕＝4644S_阻/S₁------------------------式(9)

本发明以带有两个阻流口的轮毂为例，所以适用式(9)。

现在需要确定h₁及S₁：

根据h₁＝G/S₁r_铁水，G＝11930kg，r_铁水＝7×10^-3kg/cm³，设S₁＝280×100＝28000cm²，得到浇口箱9初始液面高度为：

h₁＝60.9cm。

将S_阻/S₁＝(3.14×6.5²/4)/28000，h₁＝60.9cm带入式(9)，得到：

〔(60.9+h_阻)^1/2-h_阻 ^1/2〕＝5.5-------------------式(10)，

求解方程式，两边同时平方：

60.9+h_阻-2×h_阻 ^1/2(60.9+h_阻)^1/2+h_阻＝30.26，即：

30.64+2h_阻＝2×(60.9h_阻+h_阻 ²)^1/2，两边同时平方：

121.04h_阻-938.84＝0，解此方程得出阻流口直线段长度为：

h_阻≈7.76cm。

带入式(5)，得出：C＝-0.494，带入式(3)，得到：

-〔2^1/2/ug^1/2〕h_x ^1/2＝(2S_阻/S₁)t_x-0.493------------------式(11)

浇口箱液面高度随时间变化方程式为：

h_x ^1/2＝8.29-33.64(S_阻/S₁)t_x-------------------式(12)，即：

h_x〔(8.29-33.64×(S_阻/S₁)t_x)〕²-------------------式(13)，即：

h_x＝(8.3-0.04t_x)²----------------------------式(14)

式(14)为浇口箱9液面高度h_x随时间t_x变化的最后关系式。

根据Vx_阻＝u(2gh_x)^1/2，可得出铁水出流速度随时间变化规律如下：

Vx_阻＝u(2g)^1/2(8.3-0.04t_x)，即：

Vx_阻＝279-1.35t_x(cm/s)-------------------式(15)，

由此可见，铁水自阻流口的出流速度与时间为一线性关系。

C、孕育剂流量计算

孕育剂加入量为铁水重量的0.2％，则孕育剂流量速度dG_瞬/dt随时间变化规律为：dG_瞬/dt＝0.002×Vx_阻×D² _阻×r_铁水

dG_瞬/dt＝0.002×(279-1.35t_x)×D² _阻×r_铁水-------------------式(12)

将r_铁水＝7×10^-3kg/cm³，D_阻＝6.5cm带入式(12)，得到：

dG_瞬/dt＝0.558-0.0027t_x(kg/s)-------------------式(13)，即：

dG_瞬/dt＝558-2.7t_x(g/s)-------------------式(14)

D、自动给料装置8的转速度计算

本发明的自动给料装置8每旋转一周，孕育剂流量为50g/r。

自动给料装置8的转速与孕育剂流量速度dG_瞬/dt成正比，即：

50(g/r)×V_螺旋＝dG_瞬/dt＝558-2.7t_x(g/s)，

V＝11.2-0.054t_x(r/s)-------------------式(15)

式(15)即为自动给料装置8旋转速度随时间变化规律。

2、将旋转速度与时间的关系式V＝11.2-0.054t_x输入单板机7，单板机7同时与两个自动给料装置8电连接，可同时控制两个直浇道11加入孕育剂的流量。

3、将铁水重量的0.2％的孕育剂等分后分别加入两个料斗4中，孕育剂成分及其重量百分比为：CeRe 1-2％、Ba 2-3％、Ca 0-3％、Si 65-68％、Bi 1-3％，其余为Fe。

4、具体过程：对炉中熔化的铁水进行调温、调质，将成分达到要求的铁水进行球化处理及二次孕育处理，在1340～1360℃温度条件下浇注，浇注同时进行瞬时孕育处理，即拔下两个浇口塞10同时启动两个自动给料装置8，料斗4中的孕育剂不断落入给料器3中，在单板机7的控制下，变频器1输出功率不断变化，从而带动电机2转速发生变化，使孕育剂流量与铁水流量相适应。孕育剂经过给料器3落入设置在砂箱14上部导入口5，经陶瓷管道6进入直浇道11；铁水从浇口箱9流出，注入直浇道11，在直浇道11内与孕育剂混合，再经内浇道12注入型腔13，完成浇注过程，当铁水在型腔13中缓慢冷却后落砂打开砂箱14。

5、轮毂最终化学成分为：3.70％C、2.25％Si、0.30％Mn、0.012％S、0.04％P、0.050％Mg、0.020％Re。采用本发明生产的轮毂铸件的力学性能检测结果如表1所示：

表1、1.5MW轮毂铸件力学性能与金相检测结果

	σb(MPa)	σ<sub>0.2</sub>(MPa)	δ(％)	HB	-40℃冲(J)(三个平均)	-40℃冲击(J)(最低)	球化率(％)	球径(级)
									标准	320	200	15	130～180	10	7	90	5～6级
试样1	370	245	25	145	14	13	90	6～7级
									试样2	380	255	26	148	13.5	13	92	6～7级
试样3	375	240	24	150	14.5	14	92	6～7级

Claims (3)

1.一种大断面球铁的瞬时孕育方法，铁水从浇口箱注入直浇道，其特征在于浇注同时自动给料装置将孕育剂通过管道加入直浇道中，孕育剂与在直浇道中呈半充盈状态铁水混合后注入型腔；自动给料装置根据铁水流量的变化自动调整孕育剂的加入速度。

2.如权利要求1所述的大断面球铁的瞬时孕育方法，其特征在于孕育剂的加入量为浇注重量的0.2％。

3.如权利要求1所述的大断面球铁的瞬时孕育方法，其特征在于加入孕育剂的管道为陶瓷管道。 

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