六種典型球化處理方法
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墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨，降低了石墨對基體的割裂作用，有效地提高了鑄鐵的力學(xué)性能，獲得了較高的塑性、韌性及強度。球墨鑄鐵是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種高強度鑄鐵材料，其綜合性能接近于鋼，正是基于其優(yōu)異的性能，已成功應(yīng)用于一些受力復(fù)雜，強度、韌性、耐磨性要求較高的零件。球墨鑄鐵已迅速發(fā)展為僅次于灰鑄鐵的、應(yīng)用十分廣泛的鑄鐵材料。人們對球墨鑄鐵性能的要求越來越高。在球墨鑄鐵生產(chǎn)中可以應(yīng)用多種球化處理方法，這些球化處理方法各有利弊，需要企業(yè)工程師根據(jù)實際生產(chǎn)條件合理選擇應(yīng)用。
壓力加鎂法
由于鎂的沸點(1107℃)較低且難溶于鐵液，而球化處理時鐵液溫度可達1500℃，這樣一來鎂容易在鐵液中發(fā)生劇烈的反應(yīng)，導(dǎo)致其較低的吸收率。而當(dāng)鎂周圍介質(zhì)的壓力增加時，鎂的沸騰溫度相應(yīng)提高，鎂的燒損減少，鎂的吸收率提高?；诖嗽?，開發(fā)出壓力加鎂法。根據(jù)建壓方式的不同，可分為外加壓式和自建壓力式兩種壓力加鎂法。早期使用的外壓式是將盛滿鐵液的處理包放在密閉的壓力罐內(nèi)，通過壓縮空氣或氮氣來建立所需的壓力。另一種是利用鎂蒸氣在鐵液包內(nèi)自建壓力，后者是把純鎂加入密封的鐵液包內(nèi)，鎂在鐵液包內(nèi)迅速產(chǎn)生大量鎂蒸氣，此蒸氣通過鐵液時一部分被鐵液吸收，另一部分逸出并迅速在包內(nèi)空間建立起與鐵液溫度相應(yīng)的飽和蒸氣壓，這時鎂就不再沸騰汽化而損失了。壓力加鎂法的優(yōu)點是，使用純鎂進行球化處理，鎂的吸收率高，可達70%～80%，且處理過程中無煙塵，勞動環(huán)境好。缺點是處理設(shè)備要求及費用較高;操作復(fù)雜、嚴(yán)格;處理時間長，鐵液降溫較多;球化處理過程中壓力大，容易發(fā)生工傷事故。
沖入法
沖入法是目前在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的球化處理方法。所使用的處理包通常是堤壩式球化處理包。為了降低鐵液和鎂之間反應(yīng)的激烈程度以及鎂蒸氣的揮發(fā)速率，沖入法通常使用含鎂量較低的合金球化劑。球化處理時，首先將球化劑裝入堤壩一側(cè)，上面覆蓋硅鐵合金，稍加緊實，然后再覆蓋無銹鐵屑、鋼板或其他覆蓋劑。球化處理時，應(yīng)盡可能地將鐵液一次沖入鐵液包的另一側(cè)。沖入法鎂的吸收率一般為30%～50%。為了提高球化效果，可提高處理包高度與直徑的比值;采用低鎂合金球化劑;合理的鐵液溫度和覆蓋劑量。沖入法的優(yōu)點是處理方式和設(shè)備簡單，容易操作，在生產(chǎn)中有較大的靈活性，所需的技術(shù)含量也較低，但不足之處是球化處理過程中鎂光、煙塵污染較嚴(yán)重;鎂的吸收率較低。
轉(zhuǎn)包法
轉(zhuǎn)包法是George Fischer公司開發(fā)并申請的一種球化處理方法。該方法用純鎂作球化劑，適用于處理含硫量高的鐵液，能使鎂的硫化物、硅酸鎂等雜質(zhì)與鐵液較好地分離，鎂與鐵液反應(yīng)不很劇烈，鐵液降溫較少，使用安全，鎂的吸收率可達60%～80%。具體工藝流程是球化處理前，先將轉(zhuǎn)包橫臥，注入定量鐵液，然后將球化劑加入反應(yīng)室，鎖緊密閉裝置，并蓋上包蓋。隨即轉(zhuǎn)動鐵液包將其立放，這時鐵液通過反應(yīng)室上的小孔進入反應(yīng)室，其流速與小孔的面積和鐵液包內(nèi)的靜壓力有關(guān)。鎂受熱汽化，在反應(yīng)室內(nèi)形成鎂蒸氣壓，當(dāng)壓力超過包內(nèi)鐵液靜壓時，鐵液暫停進入，鎂的汽化潛熱使反應(yīng)室內(nèi)溫度下降;蒸氣壓力也隨之下降，鐵液再次進入反應(yīng)室，這種自動調(diào)節(jié)作用能使鎂比較平穩(wěn)地與鐵液反應(yīng)。轉(zhuǎn)包法球化處理過程中也產(chǎn)生較大鎂光和煙塵，并且轉(zhuǎn)包內(nèi)反應(yīng)室的小孔易被鐵液或熔渣堵塞，清理和保持小孔的尺寸比較麻煩，該球化處理方法難于連續(xù)處理鐵液。
包芯線喂絲法
包芯線喂絲法起初應(yīng)用于煉鋼工業(yè)，隨后該技術(shù)推廣應(yīng)用于鑄造行業(yè)。目前，工業(yè)發(fā)達在球墨鑄鐵件生產(chǎn)中普遍應(yīng)用喂絲技術(shù)，而國內(nèi)將該技術(shù)應(yīng)用于球墨鑄鐵的生產(chǎn)起步較晚，在球墨鑄鐵件生產(chǎn)中尚未普及應(yīng)用，處于推廣階段。應(yīng)用喂絲法生產(chǎn)球墨鑄鐵件，簡單來說就是將包有鎂及其他合金元素的包芯線直接插入到鐵液中對其進行球化處理從而進行球墨鑄鐵生產(chǎn)，整個球化處理過程可以完全自動化。常用包芯線直徑一般為9mm、13mm，內(nèi)置粉料合金一般含鎂量在25%～30%。有特殊需要時還加入一定數(shù)量的RE、Ca、Ba等，來改善鑄件的性能。喂絲機可以設(shè)置喂絲速度、喂絲長度、喂絲模式等參數(shù)，處理過程中，喂絲機通過傳動機構(gòu)將包芯線按照設(shè)置好的參數(shù)配置連續(xù)不斷地插入到加蓋包的處理包鐵液中，由于鐵液高度所產(chǎn)生的壓力作用、包蓋隔絕空氣的有效流動及包芯線按照一定速度連續(xù)插入鐵液，這樣既可避免鎂蒸氣的瞬間大量爆發(fā)，鎂合金的安全加入，又可避免鎂的大量逸出和燒損，提高鎂在鐵液中的吸收率。一般來說，合金包芯線的性能和質(zhì)量，以及喂絲速度和喂絲量是喂絲球化處理成功的關(guān)鍵因素。處理包形狀、鐵液溫度、原液水含硫量，以及包蓋的密封性等也是影響球化處理效果的重要因素。包芯線喂絲法球化處理的優(yōu)點是：脫硫脫氧效果好，降溫少，放寬了對原鐵液的要求;鎂的吸收率高并且比較穩(wěn)定，殘留鎂含量波動范圍較小;球化處理過程中的煙塵和鎂光較少;可以實現(xiàn)合金加入量和自動化控制。
蓋包法
蓋包法是由英國鑄鐵研究協(xié)會發(fā)明的，在國外球墨鑄鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用比較廣泛。蓋包法球化處理時，合金的加入與沖入法相同，然后將包蓋安放在處理包上并使其周邊密封好，將鐵液注入包蓋，鐵液會通過包蓋一側(cè)的鐵液注入孔(鐵液不得直接對準(zhǔn)合金堆放處)流入包內(nèi)。這樣，可使外界的氣體與包內(nèi)完全隔離，減少鎂的氧化、燒損，提高鎂的吸收率(一般在60%～65%或以上)，改善勞動環(huán)境。球化反應(yīng)結(jié)束后，去除包蓋。蓋包法球化效果與蓋包鐵液注入孔直徑選擇正確與否有著密切關(guān)系。正確的鐵液注入孔直徑可以蓋包中保持有一定的鐵液高度;鐵液全部流入蓋包的時間與球化反應(yīng)時間相同。采用蓋包法既保留了沖入法設(shè)備簡單、容易操作的優(yōu)點，又克服了沖入法中鎂氧化燒損嚴(yán)重、吸收率低、球化劑消耗量大、勞動環(huán)境差等缺點。多年來鑄造工作者一直在利用蓋包法的優(yōu)點來進行球墨鑄鐵生產(chǎn)，同時也在不斷地努力克服該球化處理方法在使用中的不足之處：包蓋起吊困難，操作難度較大;在使用沖天爐連續(xù)出鐵時，鐵液重量難以量化。經(jīng)過不斷完善，目前該球化處理工藝得到了廣泛的推廣應(yīng)用。
型內(nèi)法
將球化劑放在澆注系統(tǒng)中專門設(shè)計的反應(yīng)室內(nèi)，澆注過程中鐵液流經(jīng)反應(yīng)室時與球化劑發(fā)生反應(yīng)，進行球化處理。為球化處理穩(wěn)定，減少燒損，要嚴(yán)格計算反應(yīng)室及澆注系統(tǒng)尺寸。一般情況下，反應(yīng)室設(shè)置于直澆道下的橫澆道中。
型內(nèi)法鎂吸收率高，可達70%～80%，無鎂光，無煙塵，無球化衰退，適合于機械化造型的流水線生產(chǎn)。其不足之處是對鐵液溫度、含硫量、球化劑成分、球化劑塊度、反應(yīng)室尺寸及澆注系統(tǒng)設(shè)計都有嚴(yán)格要求，以上這些因素的細(xì)微變化都可能引起球化效果的變化。此外，這種方法還容易產(chǎn)生夾渣。
總的來說，以上6種球化處理方法各有其優(yōu)缺點，希望各球墨鑄鐵件生產(chǎn)企業(yè)能夠根據(jù)自身生產(chǎn)條件及狀況，綜合評價每種球化處理方法，揚長避短，選擇適于自己的球化處理方法，球墨鑄造鑄鐵件質(zhì)量。
壓力加鎂法
由于鎂的沸點(1107℃)較低且難溶于鐵液，而球化處理時鐵液溫度可達1500℃，這樣一來鎂容易在鐵液中發(fā)生劇烈的反應(yīng)，導(dǎo)致其較低的吸收率。而當(dāng)鎂周圍介質(zhì)的壓力增加時，鎂的沸騰溫度相應(yīng)提高，鎂的燒損減少，鎂的吸收率提高?；诖嗽?，開發(fā)出壓力加鎂法。根據(jù)建壓方式的不同，可分為外加壓式和自建壓力式兩種壓力加鎂法。早期使用的外壓式是將盛滿鐵液的處理包放在密閉的壓力罐內(nèi)，通過壓縮空氣或氮氣來建立所需的壓力。另一種是利用鎂蒸氣在鐵液包內(nèi)自建壓力，后者是把純鎂加入密封的鐵液包內(nèi)，鎂在鐵液包內(nèi)迅速產(chǎn)生大量鎂蒸氣，此蒸氣通過鐵液時一部分被鐵液吸收，另一部分逸出并迅速在包內(nèi)空間建立起與鐵液溫度相應(yīng)的飽和蒸氣壓，這時鎂就不再沸騰汽化而損失了。壓力加鎂法的優(yōu)點是，使用純鎂進行球化處理，鎂的吸收率高，可達70%～80%，且處理過程中無煙塵，勞動環(huán)境好。缺點是處理設(shè)備要求及費用較高;操作復(fù)雜、嚴(yán)格;處理時間長，鐵液降溫較多;球化處理過程中壓力大，容易發(fā)生工傷事故。
沖入法
沖入法是目前在國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的球化處理方法。所使用的處理包通常是堤壩式球化處理包。為了降低鐵液和鎂之間反應(yīng)的激烈程度以及鎂蒸氣的揮發(fā)速率，沖入法通常使用含鎂量較低的合金球化劑。球化處理時，首先將球化劑裝入堤壩一側(cè)，上面覆蓋硅鐵合金，稍加緊實，然后再覆蓋無銹鐵屑、鋼板或其他覆蓋劑。球化處理時，應(yīng)盡可能地將鐵液一次沖入鐵液包的另一側(cè)。沖入法鎂的吸收率一般為30%～50%。為了提高球化效果，可提高處理包高度與直徑的比值;采用低鎂合金球化劑;合理的鐵液溫度和覆蓋劑量。沖入法的優(yōu)點是處理方式和設(shè)備簡單，容易操作，在生產(chǎn)中有較大的靈活性，所需的技術(shù)含量也較低，但不足之處是球化處理過程中鎂光、煙塵污染較嚴(yán)重;鎂的吸收率較低。
轉(zhuǎn)包法
轉(zhuǎn)包法是George Fischer公司開發(fā)并申請的一種球化處理方法。該方法用純鎂作球化劑，適用于處理含硫量高的鐵液，能使鎂的硫化物、硅酸鎂等雜質(zhì)與鐵液較好地分離，鎂與鐵液反應(yīng)不很劇烈，鐵液降溫較少，使用安全，鎂的吸收率可達60%～80%。具體工藝流程是球化處理前，先將轉(zhuǎn)包橫臥，注入定量鐵液，然后將球化劑加入反應(yīng)室，鎖緊密閉裝置，并蓋上包蓋。隨即轉(zhuǎn)動鐵液包將其立放，這時鐵液通過反應(yīng)室上的小孔進入反應(yīng)室，其流速與小孔的面積和鐵液包內(nèi)的靜壓力有關(guān)。鎂受熱汽化，在反應(yīng)室內(nèi)形成鎂蒸氣壓，當(dāng)壓力超過包內(nèi)鐵液靜壓時，鐵液暫停進入，鎂的汽化潛熱使反應(yīng)室內(nèi)溫度下降;蒸氣壓力也隨之下降，鐵液再次進入反應(yīng)室，這種自動調(diào)節(jié)作用能使鎂比較平穩(wěn)地與鐵液反應(yīng)。轉(zhuǎn)包法球化處理過程中也產(chǎn)生較大鎂光和煙塵，并且轉(zhuǎn)包內(nèi)反應(yīng)室的小孔易被鐵液或熔渣堵塞，清理和保持小孔的尺寸比較麻煩，該球化處理方法難于連續(xù)處理鐵液。
包芯線喂絲法
包芯線喂絲法起初應(yīng)用于煉鋼工業(yè)，隨后該技術(shù)推廣應(yīng)用于鑄造行業(yè)。目前，工業(yè)發(fā)達在球墨鑄鐵件生產(chǎn)中普遍應(yīng)用喂絲技術(shù)，而國內(nèi)將該技術(shù)應(yīng)用于球墨鑄鐵的生產(chǎn)起步較晚，在球墨鑄鐵件生產(chǎn)中尚未普及應(yīng)用，處于推廣階段。應(yīng)用喂絲法生產(chǎn)球墨鑄鐵件，簡單來說就是將包有鎂及其他合金元素的包芯線直接插入到鐵液中對其進行球化處理從而進行球墨鑄鐵生產(chǎn)，整個球化處理過程可以完全自動化。常用包芯線直徑一般為9mm、13mm，內(nèi)置粉料合金一般含鎂量在25%～30%。有特殊需要時還加入一定數(shù)量的RE、Ca、Ba等，來改善鑄件的性能。喂絲機可以設(shè)置喂絲速度、喂絲長度、喂絲模式等參數(shù)，處理過程中，喂絲機通過傳動機構(gòu)將包芯線按照設(shè)置好的參數(shù)配置連續(xù)不斷地插入到加蓋包的處理包鐵液中，由于鐵液高度所產(chǎn)生的壓力作用、包蓋隔絕空氣的有效流動及包芯線按照一定速度連續(xù)插入鐵液，這樣既可避免鎂蒸氣的瞬間大量爆發(fā)，鎂合金的安全加入，又可避免鎂的大量逸出和燒損，提高鎂在鐵液中的吸收率。一般來說，合金包芯線的性能和質(zhì)量，以及喂絲速度和喂絲量是喂絲球化處理成功的關(guān)鍵因素。處理包形狀、鐵液溫度、原液水含硫量，以及包蓋的密封性等也是影響球化處理效果的重要因素。包芯線喂絲法球化處理的優(yōu)點是：脫硫脫氧效果好，降溫少，放寬了對原鐵液的要求;鎂的吸收率高并且比較穩(wěn)定，殘留鎂含量波動范圍較小;球化處理過程中的煙塵和鎂光較少;可以實現(xiàn)合金加入量和自動化控制。
蓋包法
蓋包法是由英國鑄鐵研究協(xié)會發(fā)明的，在國外球墨鑄鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用比較廣泛。蓋包法球化處理時，合金的加入與沖入法相同，然后將包蓋安放在處理包上并使其周邊密封好，將鐵液注入包蓋，鐵液會通過包蓋一側(cè)的鐵液注入孔(鐵液不得直接對準(zhǔn)合金堆放處)流入包內(nèi)。這樣，可使外界的氣體與包內(nèi)完全隔離，減少鎂的氧化、燒損，提高鎂的吸收率(一般在60%～65%或以上)，改善勞動環(huán)境。球化反應(yīng)結(jié)束后，去除包蓋。蓋包法球化效果與蓋包鐵液注入孔直徑選擇正確與否有著密切關(guān)系。正確的鐵液注入孔直徑可以蓋包中保持有一定的鐵液高度;鐵液全部流入蓋包的時間與球化反應(yīng)時間相同。采用蓋包法既保留了沖入法設(shè)備簡單、容易操作的優(yōu)點，又克服了沖入法中鎂氧化燒損嚴(yán)重、吸收率低、球化劑消耗量大、勞動環(huán)境差等缺點。多年來鑄造工作者一直在利用蓋包法的優(yōu)點來進行球墨鑄鐵生產(chǎn)，同時也在不斷地努力克服該球化處理方法在使用中的不足之處：包蓋起吊困難，操作難度較大;在使用沖天爐連續(xù)出鐵時，鐵液重量難以量化。經(jīng)過不斷完善，目前該球化處理工藝得到了廣泛的推廣應(yīng)用。
型內(nèi)法
將球化劑放在澆注系統(tǒng)中專門設(shè)計的反應(yīng)室內(nèi)，澆注過程中鐵液流經(jīng)反應(yīng)室時與球化劑發(fā)生反應(yīng)，進行球化處理。為球化處理穩(wěn)定，減少燒損，要嚴(yán)格計算反應(yīng)室及澆注系統(tǒng)尺寸。一般情況下，反應(yīng)室設(shè)置于直澆道下的橫澆道中。
型內(nèi)法鎂吸收率高，可達70%～80%，無鎂光，無煙塵，無球化衰退，適合于機械化造型的流水線生產(chǎn)。其不足之處是對鐵液溫度、含硫量、球化劑成分、球化劑塊度、反應(yīng)室尺寸及澆注系統(tǒng)設(shè)計都有嚴(yán)格要求，以上這些因素的細(xì)微變化都可能引起球化效果的變化。此外，這種方法還容易產(chǎn)生夾渣。
總的來說，以上6種球化處理方法各有其優(yōu)缺點，希望各球墨鑄鐵件生產(chǎn)企業(yè)能夠根據(jù)自身生產(chǎn)條件及狀況，綜合評價每種球化處理方法，揚長避短，選擇適于自己的球化處理方法，球墨鑄造鑄鐵件質(zhì)量。
