CN114438273A - 球化孕育复合剂及其制备方法和应用以及球墨铸铁的制备工艺 - Google Patents

球化孕育复合剂及其制备方法和应用以及球墨铸铁的制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及球墨铸铁的生产技术领域，公开了一种球化孕育复合剂及其应用以及球墨铸铁的制备工艺，包括以下质量百分比的组分：Mg 2.60～4.3%、RE 0.85～1.45%、Si 58.0～62.0%、Ca 1.15～1.40、Al 0.85～1.15%、余量为Fe。本发明将球化剂和孕育剂合二为一，这就减少了计算误差，球化时只需加入一种制剂，避免了将孕育硅铁当做稀土镁硅铁合金或将稀土镁硅铁合金当着孕育硅铁的现象，解决了现行的工艺问题，有利于控制球墨铸铁的化学成分；同时，该工艺因复合剂中镁元素的百分比降低，球化反应趋于缓和，使残余镁元素含量提高，有利于保证球墨铸铁的力学性能。

Description

球化孕育复合剂及其制备方法和应用以及球墨铸铁的制备 工艺
技术领域
本发明涉及球墨铸铁的生产技术领域，特别涉及一种球化孕育复合剂及其制备方法和应用以及球墨铸铁的制备工艺。
背景技术
球墨铸铁是一种机械工程材料，于一九四七年问世，属于黑色金属中铸铁的范畴，广泛应用于机械、电子、矿山、冶金、化工等行业并与人们的生活密切相关。世界工业发达国家广泛采用球墨铸铁取代锻钢、铸钢、可锻铸铁和普通灰铸铁制作各种结构件，由此获得巨大的经济效益和社会效益。我国的球墨铸铁起步早、水平高、发展迅速，至今，年产量世界第一。
1.铸铁简介
铸铁和钢属于铁碳合金(即铁与碳的合金)。按金属学定义：当铁碳合金中碳的含量≥2.11％为铸铁，碳的含量＜2.11％时谓之钢。
铸铁中存在大量碳，一般为2.2～3.9％(即100kg铸铁中含有2.2～3.9kg的碳)。铸铁中的碳分为游离碳和化合碳，所谓游离碳，即在金相显微镜下肉眼可见，金相学中通常称为石墨；所谓化合碳，即以化合物存在，如：渗碳体，化学式Fe3C。
2.几种最为常用的铸铁
铸铁中的石墨形态为片状，它的断口呈灰色，称为灰口铸铁，简称灰铸铁；铸铁中的石墨主要为化合碳，即渗碳体，它的断口呈白色，称为白口铸铁；铸铁中的石墨形态为团絮状，韧性比灰铸铁高得多，称为可锻铸铁；铸铁中的石墨形态为蠕虫状，称为蠕墨铸铁；铸铁中的石墨形态为球状，称为球墨铸铁。对于上述不同品种的铸铁，碳的含量和形态对它们的影响是举足轻重的。
3.孕育铸铁
铸铁的生产工艺具有悠久的历史，到1860年铸铁的抗拉强度只有60～80Mpa。第一次世界大战期间(1914年～1918年)，铸铁的抗拉强度提高到140～180Mpa。1922年美国学者A.F.Meehan在铁水中加入硅钙进行孕育处理，大大地提高了铸铁的力学性能，抗拉强度可达300Mpa以上，标志着孕育铸铁问世，当时称之为“密烘铸铁”(Meehanite)。
4.球墨铸铁
1947年英国学者H.Morrogh在铁水中加入铈(一种银灰色的活泼金属，属于稀土元素，周期系第Ⅲ族副族镧系元素，元素符号为Ce)，当铸铁凝固后石墨呈球状，宣告球墨铸铁问世。球墨铸铁的力学性能比孕育铸铁又有极大提高。
5.球墨铸铁的生产工艺
球墨铸铁自问世后，引起世界工业发达国家高度关注，发展速度惊人。球墨铸铁的生产工艺主要分为铸造工艺、熔炼工艺及热处理工艺等。而熔炼工艺包括：炉前配料、熔炼、球化处理、孕育处理。自球墨铸铁问世至今已70多年，其间发展了许多球化方法，其中，有的工艺方法已经过时被淘汰；有的工艺方法虽然仍在沿用，但其应用的范围和应用的数量较少。目前，最具代表性的两种工艺方法：一是至今国内外普遍采用的冲入法；二是具有良好发展前景的喂丝法。
传统的冲入法球化工艺为：当铁水的化学成分合格、温度达到工艺要求后，将预热至一定温度的球化剂倒入事先预热好的球化包内，在球化剂上方覆盖部分孕育剂做包内孕育，留0.2～0.4％的孕育剂做炉前孕育，然后先将铁水的2/3冲入球化包内，待反应平稳后再冲入其余的1/3铁水，同时在出铁槽中冲入剩余0.2～0.4％的孕育剂。
球墨铸铁的球化工艺分为球化及孕育两个部分；球化处理用稀土镁硅铁合金，而孕育处理大多用硅铁。稀土镁硅铁合金按国家标准选用最新国标GB/T28702—2012规定的12个牌号。通常，普通球墨铸铁的球化处理用以下三个牌号：⑴Mg5RE2；⑵Mg6RE2；⑶Mg7RE2。孕育硅铁按国家标准选用，普通球墨铸铁的孕育处理大多用75Fe-Si(GB/2272—2020)，其选用的牌号为：PG FeSi72Al2.0。
传统冲入法球化工艺目前的现状及存在的问题是：球化剂和孕育剂是由两个部分组成、按工艺要求分别计算后各自加入，而且它们的功用是独立的。首先，由两个部分各自加入时，就会出现两次误差，将引起化学成分的波动，这对严格控制化学成分是不利的，更有甚者，球墨铸铁的化学成分对它的力学性能和基体组织起着决定性的作用。其次，球化剂(稀土镁硅铁)和孕育剂(硅铁)均为铁合金，外观十分相似，炉前操作时有发生将孕育硅铁当做稀土镁硅铁合金加入铁水包的误操作情况。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种球化孕育复合剂及其制备方法和应用以及球墨铸铁的制备工艺，本发明将球化剂和孕育剂合二为一，制作时按规定的成分标准将球化元素和孕育元素融合在一起，这就减少了计算误差，球化时只需加入一种制剂，避免了将孕育硅铁当做稀土镁硅铁合金或将稀土镁硅铁合金当着孕育硅铁的现象，解决了现行的工艺问题，有利于控制球墨铸铁的化学成分；同时，该工艺因复合剂中镁元素的百分比降低，球化反应趋于缓和，使残余镁元素含量提高，有利于保证球墨铸铁的力学性能。
技术方案：本发明提供了一种球化孕育复合剂，包括以下质量百分比的组分：Mg2.60～4.3％、RE 0.85～1.45％、Si 58.0～62.0％、Ca 1.15～1.40、Al 0.85～1.15％、余量为Fe。
本发明还提供了一种球化孕育复合剂的制备工艺，包括以下步骤：S1：将事先准备好的相关合金原料镁锭、硅铁、稀土、硅钙和废钢熔化成所需化学成分的金属液体；S2：当所述金属液体的温度达到1200℃时，加入定量的铝，至铝全部熔化后浇注到金属锭模中，快速冷却成厚度为25～35mm的块状金属锭，然后出模，冷却到常温；S3：将所述块状金属锭破碎、筛分，得到所述球化孕育复合剂。
优选地，在所述S3中，破碎、筛分后的所述球化孕育复合剂的粒度为5～25mm。
本发明还提供了一种球化孕育复合剂在球墨铸铁的制备工艺中的应用。
本发明还提供了一种球墨铸铁的制备工艺，包括以下步骤：S1：将事先准备好的球化包预热至450～550℃温度；并将所述的球化孕育复合剂预热至250～350℃温度；S2：将所述球化孕育复合剂倒入所述球化包底部凹坑中，在其上面覆盖碳素钢屑，舂紧，冲入事先准备好的化学成分合格、温度达到工艺要求的铁水，待球化反应平稳后扒净铁水表面的反应渣；S3：将球化后的铁水浇注到铸型中即得球墨铸铁铸件。
优选地，在所述S2中，覆盖的所述碳素钢屑占所述球化孕育复合剂质量的8～12％。
优选地，每1000Kg所述铁水需所述球化孕育复合剂20～24Kg。
有益效果：本发明中的球化孕育复合剂将炉前球化处理与孕育处理合二为一，与现有技术相比，具有如下优势：
1，球化时只需加入一种制剂，减少了计算误差，采用了球化与孕育复合工艺，减化了炉前处理工艺，有利于技术管理；有利于控制球墨铸铁的化学成分；
2，技术层面使球墨铸铁的化学成分波动减小，有利于控制化学成分，提高球墨铸铁的冶金质量；
3，球化孕育复合剂处理铁水时，其各元素质量分数不变，但百分比降低；同时，该工艺因复合剂中镁元素百分比降低，球化反应趋于缓和，使残余镁元素含量提高，有利于保证球墨铸铁的力学性能，提高了球墨铸铁的质量，提高了经济效益；
4.避免了球化剂与孕育剂的相互混淆的现象，有利于质量管理。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的介绍。
按普通球墨铸铁的球化工艺，从国家标准(GB/T28702—2012)中选用了以下任意一种最常用的三个牌号的稀土镁硅铁合金：⑴Mg5RE2；⑵Mg6RE2；⑶Mg7RE2作为球化剂，并从国家标准(GB/2272—2020)中选用了75Fe-Si的一个牌号：PG FeSi72Al2.0作为孕育剂，用于普通球墨铸铁的制备。
对比例1：QT450-10的球化工艺
铸件名称：水利阀型号：DN100
化学成分见表1
表1 质量分数％
Figure BDA0003488631920000041
铁水包的铁水处理量：1000kg
上述水利阀的制备工艺如下：
将事先准备好的球化包预热至450～550℃温度；并将牌号为Mg6RE2的球化剂以及牌号为PG FeSi72Al2.0的孕育剂预热至250～350℃温度；当铁水的化学成分合格、温度达到工艺要求后，将预热至一定温度的球化剂倒入事先预热好的球化包内，在球化剂上方覆盖部分孕育剂做包内孕育，留0.2～0.4％的孕育剂做炉前孕育，然后先将铁水的2/3冲入球化包内，待反应平稳后再冲入其余的1/3铁水，同时在出铁槽中冲入剩余0.2～0.4％的孕育剂，铁水经扒渣后浇注到铸型中即得水利阀的球墨铸铁铸件。
上述球化剂的加入量为铁水的1.25％，即1000×1.25％＝12.5kg。
计算球墨铸铁的硅含量：
⑴原铁水中的含Si量1.35％(控制值)
⑵球化剂Mg6RE2含45％Si，球化处理时带入铁水中的Si量：12.5×0.45＝5.63kg(计算时精确到0.01,取用时精确到0.1)
Figure BDA0003488631920000042
⑶球墨铸铁中铁水的含Si量：1.35+0.56＝1.91％
炉前孕育Si量取0.4％，故：球化时球化包内孕育需补加75Fe-Si的Si量：
2.65-1.91-0.4＝0.34％
其加入75Fe-Si的量为：
Figure BDA0003488631920000051
取4.5kg
注:式中分子0.34为100kg加入0.34kg,球化铁水为1000kg,故0.34×10，分母0.75即硅铁中硅的含量为75％,下同。
⑷炉前孕育Si量0.4％，75Fe-Si量即：
Figure BDA0003488631920000052
取5.3kg。
对比例2：QT500-7的球化工艺
铸件名称：蜗轮型号：M10
化学成分见表2
表2 质量分数％
Figure BDA0003488631920000053
铁水包的铁水处理量：1000kg
上述蜗轮的制备工艺如下：
将事先准备好的球化包预热至450～550℃温度；并将牌号为Mg6RE2的球化剂以及牌号为PG FeSi72Al2.0的孕育剂预热至250～350℃温度；当铁水的化学成分合格、温度达到工艺要求后，将预热至一定温度的球化剂倒入事先预热好的球化包内，在球化剂上方覆盖部分孕育剂做包内孕育，留0.2～0.4％的孕育剂做炉前孕育，然后先将铁水的2/3冲入球化包内，待反应平稳后再冲入其余的1/3铁水，同时在出铁槽中冲入剩余0.2～0.4％的孕育剂，铁水经扒渣后浇注到铸型中即得蜗轮球墨铸铁铸件。
上述球化剂的加入量为铁水的1.25％，即1000×1.25％＝12.5kg。
计算球墨铸铁的硅量：
⑴原铁水Si量1.20％(控制值)
⑵球化剂Mg6RE2含45％Si，球化处理带入铁水中的Si量：12.5×0.45＝5.63kg(计算时精确到0.01,取用时精确到0.1)
Figure BDA0003488631920000054
⑶球墨铸铁中铁水的含Si量：1.20+0.56＝1.76％
炉前孕育Si量为0.3％，故：球化时球化包内孕育需补加75Fe-Si的Si量：
2.40-1.76-0.3＝0.34％
其加入75Fe-Si的量为：
Figure BDA0003488631920000061
取4.5kg
⑷炉前孕育Si量0.3％，75Fe-Si量即：
Figure BDA0003488631920000062
本发明中球化孕育复合剂包括以下质量百分比的组分：Mg 2.60～4.3％、RE 0.85～1.45％、Si 58.0～62.0％、Ca 1.15～1.40、Al 0.85～1.15％、余量为Fe。并将Mg的含量不同分别命名为不同的牌号，复合剂的化学成分具体见表3：
表3 质量分数(％)
牌号 Mg RE Si Ca Al Fe
Mg3RE1.5Si60 2.60～3.15 0.85～1.45 58.0～62.0 1.15～1.40 0.85～1.15 余量
Mg3.5RE1.5Si60 3.15～3.70 0.85～1.45 58.0～62.0 1.15～1.40 0.85～1.15 余量
Mg4RE1.5Si60 3.70～4.30 0.85～1.45 58.0～62.0 1.15～1.40 0.85～1.15 余量
实施方式1：QT450-10的球化工艺(与对比例1对应)
铸件名称：水利阀型号：DN100
化学成分见表4
表4 质量分数％
Figure BDA0003488631920000063
铁水包的铁水处理量：1000kg
上述水利阀的制备工艺如下：
S1：将事先准备好的球化包预热至450～550℃温度；并将上述牌号为Mg3.5RE1.5Si60的球化孕育复合剂预热至250～350℃温度；
S2：将22kg球化孕育复合剂倒入球化包底部凹坑中，在其上面覆盖占复合剂10％的碳素钢屑，舂紧，冲入事先准备好的化学成分合格、温度达到工艺要求的铁水，待球化反应平稳后扒净铁水表面的反应渣；
S3：将球化后的1000Kg铁水浇注到铸型中即得水利阀的球墨铸铁铸件。
按对比例1中传统工艺的计算，球化剂和孕育剂合计应该加入：12.5+4.5+5.3＝22.3kg
于是，本实施方式中上述球化孕育复合剂的加入量为22kg(0.3舍去)。
对比例1和实施方式1中化学元素的验算(计算值均按公称含量)
⑴球化孕育复合剂中Mg的含量验算
对比例1中普通球化剂中Mg的含量 12.5×6％＝0.75kg
实施方式1中球化孕育复合剂中Mg的含量 22×3.5％＝0.77kg
相对误差：
Figure BDA0003488631920000071
⑵球化孕育复合剂中Si量的验算
根据对比例1中传统球化工艺中，Si来自于加入到球化包中的普通球化剂、包内孕育剂、炉前孕育剂三个部分的Si量之和，Si量的计算：
传统球化工艺中的Si量＝普通球化剂Si量+包内孕育剂Si量+炉前孕育剂Si量
＝0.56％+0.34％+0.4％＝1.3％
上述实施方式1中球化孕育复合剂中的Si量＝22×60％＝22×0.6＝13.2kg
Figure BDA0003488631920000072
相对误差：
Figure BDA0003488631920000073
可见，对比例1中使用普通球化剂及孕育剂与实施方式1中直接使用球化孕育复合剂，它们的主要元素Mg与Si两者之间的相对误差分别为2.7％和1.5％，完全符合铸造工程计算误差的工艺要求。
对比例1和实施方式1中制备得到的水利阀球墨铸铁的性能测试结果如下：
水利阀球墨铸铁的传统工艺与复合工艺残余镁元素含量见表5。
表5水利阀球墨铸铁的传统工艺与复合工艺残余镁元素含量(质量分数％)
Figure BDA0003488631920000074
注:传统工艺的球化剂加入量为1.25％,复合工艺的复合剂加入量按上述计算方法加入。
水利阀球墨铸铁的传统工艺与复合工艺力学性能见表6。
表6水利阀球墨铸铁的传统工艺与复合工艺力学性能
Figure BDA0003488631920000075
Figure BDA0003488631920000081
实施方式2：QT500-7的球化工艺(与对比例2对应)
铸件名称：蜗轮型号：M10
化学成分见表7
表7 质量分数％
Figure BDA0003488631920000082
铁水包的铁水处理量：1000kg
上述蜗轮的制备工艺如下：
S1：将事先准备好的球化包预热至450～550℃温度；并将上述牌号为Mg3.5RE1.5Si60的球化孕育复合剂预热至250～350℃温度；
S2：将21kg球化孕育复合剂倒入球化包底部凹坑中，在其上面覆盖占复合剂10％的碳素钢屑，舂紧，冲入事先准备好的化学成分合格、温度达到工艺要求的铁水，待球化反应平稳后扒净铁水表面的反应渣；
S3：将球化后的1000Kg铁水浇注到铸型中即得蜗轮球墨铸铁铸件。
按对比例2中传统工艺的计算，球化剂和孕育剂合计应该加入量：12.5+4.5+4＝21kg
于是，本实施方式中上述球化孕育复合剂的加入量为21kg。
对比例2和实施方式2中化学元素的验算(计算值均按公称含量)
⑴球化孕育复合剂中Mg含量的验算
对比例2中普通球化剂中Mg的含量 12.5×6％＝0.75kg
实施方式2中球化孕育复合剂中Mg的含量 21×3.5％＝0.74kg
相对误差：
|(0.74-0.75)/0.75|*100％＝1.3％
⑵球化孕育复合剂中Si量的验算
根据对比例2中传统球化工艺中，Si来自于加入球化包中的普通球化剂、包内孕育剂、炉前孕育剂三个部分的Si量之和，Si量的计算：
传统球化工艺中的Si量＝普通球化剂Si量+包内孕育剂Si量+炉前孕育剂Si量＝0.56+0.34+0.3＝1.2％
上述实施方式2中球化孕育复合剂中的Si量＝21×60％＝21×0.6＝12.6kg
12.6/1000*100％＝1.26％
相对误差：(1.26-1.2)/1.2*100％＝5％。
可见，对比例2中使用普通球化剂及孕育剂与实施方式2中直接使用球化孕育复合剂，它们的主要元素Mg与Si两者之间的相对误差分别为1.3％和5％，完全符合铸造工程计算误差的工艺要求。
对比例2和实施方式2中制备得到的蜗轮球墨铸铁的性能测试结果如下：
蜗轮球墨铸铁的传统工艺与复合工艺残余镁元素含量见表8。
表8蜗轮球墨铸铁的传统工艺与复合工艺残余镁元素含量(质量分数％)
Figure BDA0003488631920000091
注:传统工艺的球化剂加入量为1.25％,复合工艺的复合剂加入量按上述计算方法加入。
蜗轮球墨铸铁的传统工艺与复合工艺力学性能见表9。
表9蜗轮球墨铸铁的传统工艺与复合工艺力学性能
Figure BDA0003488631920000092
由以上两个对比例1、实施方式1、对比例2和实施方式2可见，球墨铸铁使用本发明中的球化孕育复合剂进行制备，只需一次加入，工艺简单、方便，制备出来的球墨铸铁残余镁元素含量提高，有利于保证球墨铸铁的力学性能。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种球化孕育复合剂，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：Mg 2.60～4.3%、RE0.85～1.45%、Si 58.0～62.0%、Ca 1.15～1.40、Al 0.85～1.15%、余量为Fe。
2.一种如权利要求1所述的球化孕育复合剂制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将事先准备好的相关合金原料镁锭、硅铁、稀土、硅钙和废钢熔化成所需化学成分的金属液体；
S2：当所述金属液体的温度达到1200℃时，加入定量的铝，至铝全部熔化后浇注到金属锭模中，快速冷却成厚度为25~35mm的块状金属锭，然后出模，冷却到常温；
S3：将所述块状金属锭破碎、筛分，得到所述球化孕育复合剂。
3.根据权利要求2所述的球化孕育复合剂制备工艺，其特征在于，在所述S3中，破碎、筛分后的所述球化孕育复合剂的粒度为5～25mm。
4.一种如权利要求1所述的球化孕育复合剂在球墨铸铁的制备工艺中的应用。
5.一种球墨铸铁的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将事先准备好的球化包预热至450~550℃温度；并将权利要求1至3中任一项所述的球化孕育复合剂预热至250~350℃温度；
S2：将所述球化孕育复合剂倒入所述球化包底部凹坑中，在其上面覆盖碳素钢屑，舂紧，冲入事先准备好的化学成分合格、温度达到工艺要求的铁水，待球化反应平稳后扒净铁水表面的反应渣；
S3：将球化后的铁水浇注到铸型中即得球墨铸铁铸件。
6.根据权利要求5所述的球墨铸铁的制备工艺，其特征在于，在所述S2中，覆盖的所述碳素钢屑占所述球化孕育复合剂质量的8~12%。
7.根据权利要求5或6所述的球墨铸铁的制备工艺，其特征在于，每1000Kg所述铁水需所述球化孕育复合剂20~24Kg。
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