用高镁合金包芯线生产球墨铸铁的研究与应用.ppt.ppt

用高镁合金包芯线生产球墨铸铁的研究与应用 一 前言 用高镁合金包芯线生产球墨铸铁的研究与应用 研究课题的主要本任务 就是要用高镁合金包芯线球化工艺完全取代冲入法 从而达到提高产品质量 降低处理成本 减轻或消除对环境的污染 实现作业机械化 降低工人劳动强度 通过近四年的试验和工业应用 不仅解决了含镁量为25 40 的高镁合金的冶炼和破碎工艺问题 包芯机的研制与高镁合金包芯线的生产问题 铸造厂专用喂线机的设计和制造问题 用高镁合金包芯线生产球铁的工艺问题以及工业生产用喂线处理站的设计 制造与调试问题 而且总结出了一套新的喂线工艺观点和理论 一个用以计算最佳喂线速度的经验公式 一个包芯线加入量计算公式以及一个 处理作业烟气量的计算公式 并使喂线工艺在东安动力集团公司铸锻厂的球铁生产中发挥了很好的作用 使铁水的残镁含量始终保持在0 028 0 030 的范围内 使每吨铁水球化剂的用量由17 20公斤变成了2 73 4 2公斤 包芯线13 20米 使原来 无法回炉的 回炉料100 地得到了再利用 使浇铸机炉口因渣多而经常被堵塞的弊端得到了减少 使球化作业对环境的污染得到了控制 使工人的劳动强度获得了很大的减轻 并为企业创造了约312 8万元 年的直接经济效益 二 喂线技术的实质和特点 所谓的喂线技术是包芯线制造技术和应用技术的总称 它是先将欲加入钢水中的各种添加剂 脱氧剂 脱硫剂 变质剂 合金等 破碎成一定的粒度 然后用冷轧低碳钢带将其包裹成为一条具有任意长度的复合材料 即通常所说的包芯线 然后借助于喂线机 使规定数量的包芯线以一定的速度穿过渣层 并到达装有钢水的钢水包的底部附近 随着包芯线包皮在该处的不断熔化 被其包裹着的添加剂也将不断地被释放入钢水中 通过添加剂与其周围钢水的相互作用 达到在炉外对被处理熔液进行脱氧 脱硫 微合金化 成分微调以及变质处理 从而提高铁水或钢水的洁净度 改善其使用性能的目的 由于添加剂同钢水的反应是在具有一定静压的钢水深处进行的 因而既能避免合金元素被空气和熔渣的氧化与烧损 又能使添加剂或其蒸汽与被处理熔液之间有较大的接触面积和较长的作用时间 从而使喂线技术具有如下一些优点 合金收得率高 结果重现性好 添加剂用量少 处理成本低 操作安全可靠 对环境污染小 容易实现作业机械化或自动化等 三 进行本研究的背景 由于喂线技术在铸造生产 特别是球铁生产方面具有很广阔的应用前景 因此 加强其在这方面的开发与应用 必将对我国铸造生产的技术进步和企业经济效益的提高 产生不可估量的推动作用 许多工业发达国家迫于日趋激烈的竟争和日益严格的环保法规 都相继投入了大量的人力和物力进行用喂线工艺实施铁水球化处理和 或孕育处理的实验与研究 我国的球铁几乎全都采用冲入法生产 都不同程度地存在着质量不稳定 球化剂用量大 环境污染严重的问题 我国的铸造企业都面临着国内各种所有制同行的强烈竟争和来自印度等发展中国家的巨大冲击 由于喂线工艺是一种既可提高产品质量 又可降低生产成本 既可减少或消除铸造作业对环境的污染 又可减轻工人的劳动强度的新技术 因此对其进行在铸造生产中的研究和应用不仅是深入贯彻我国可持续发展战略 积极进行生态环境建设 严格控制污染这一基本国策的需要 也是与世界工业发展同步和赶超世界先进水平的需要 国外用喂线技术生产球铁的研究和应用情况 工业发达国家 如德国 法国 美国 意大利和俄罗斯 将包芯线技术用于铸铁生产主要是为了完成下列冶金过程 1 对灰铁进行合金化和孕育处理2 对球墨铸铁进行脱硫和加镁处理国外用喂线法生产球铁的实际结果1234567铁水重量 kg10010013013060010001200炉内温度 1600159816101615156015701560出炉温度 1507149515201520149014801490铁水含硫 0 0060 0060 0060 0060 0150 0130 015线的类型mf6050m 线含镁量 g m9999999 线含镁量 12 712 712 711 312 712 712 7喂线速度 m min16161415192150150喂线长度 m15171422 596240178处理时间 sec56646090909671加镁量 0 1350 1530 0970 1380 1440 2070 134镁收得率 36353632363738残镁含量 0 0490 0540 0350 0440 0460 0770 045残硫含量 0 0050 0050 0050 0050 0070 0080 007处理温度 1450142414641455144014201450唯一报道过处理成本的是美国ohio州某铸造厂 它用25 镁合金包芯线进行球铁生产试验的处理成本与冲入法之比为101 100 五 国内用喂线法进行球铁处理试验与生产的情况 黑龙江省冶金研究所同齐齐哈尔第一机床厂 曾在生产条件下进行过用碳化钙包芯线脱硫 用常规球化剂包芯线球化以及用硅铁包芯线孕育的方法 生产球铁的试验 得出了 在技术上是可行的 但在经济上 无法与冲入法媲美 结论 我国某研究院曾用金属镁粉 硅铁合金粉包芯线进行过生产球铁管的试验 因没有一直没达到预期的技术经济指标而作罢 我国某铸管厂用25 镁合金包芯线生产出了合格球铁管 但一直未解决球化处理成本高于冲入法的问题 我国某汽车集团公司公司铸造厂 曾用加有金 属镁粉的28 镁包芯线生产过球铁 也是因为处理成本高于冲入法而受到否定 六 研究路线的选择与确定 喂线技术要想在我国的铸铁生产中得到应用与推广 首先必需作到1 处理成本比冲入法低 2 产品质量比冲入法高 至少与冲入法相当 众所周知的是 包线芯的消耗费是喂线法成本的主要构成项目 降低喂线法处理成本的唯一途径就是尽量减少包芯线的使用量 为此 只有两条措施可以采取 一是提高镁的有效利用率 二是提高包芯线的含镁量 而无论那条措施都直接关系着所用包芯线的类型 目前可用于球铁生产的高镁包芯线主要有以下三种类型 以纯镁粉为充填剂的包芯线 以镁粉 硅铁粉和 或 其它添加剂的机械混合物为充填剂 含镁达30 的包芯线 以镁合金粉 含镁达25 为充填剂的包芯线 鉴于高镁多元合金具有很好的工艺特性 也鉴于高镁合金的冶炼和破碎虽有难度 但还没难到无法克服的程度 因此 决定以高镁合金为充填剂的包芯线作为本课题的研究和开发对象 七 高镁合金成分的选定 由于本课题是要在一次喂线操作中 完成对铁水的脱硫 球化和孕育处理 因此 包芯线所用合金必须是既有很好的脱硫能力和很高的球化性能 又有一定的孕育和抗反球化元素干扰作用的多元复合合金 因而该合金应该含有钙 镁 稀土 硅等组分 利用钙 镁 稀土对氧和硫等表面活性元素的极强亲合力和能形成可以脱离铁水的稳定化合物的特性 担负起脱氧和脱硫的任务 利用镁和稀土优越的球化性能 担负起使石墨成球的任务 利用硅在一定条件下能与镁生成镁二硅的特性 担负起高镁合金冶炼时的 固镁 任务 以及利用铸铁中碳的石墨化行为与硅的依赖关系 担负起处理铁水时的 孕育 任务 利用稀土能与锌 锡 锑 铅 铋 砷 碲等反球化元素组成高熔点化合物的特性 担负起中和它们对石墨化的干扰作用 抑制产生变态 石墨的的任务 除了这些 基本分工 之外 适量的硅具有可抵消镁的反石墨化 以及与碳一起提高镁元素在铁水中的溶解度的作用 稀土中的铈还可使球铁有较多的球数和更小的白口倾向 钙能在铁水中与碳生成晶格与石墨相近的不稳定碳化物cac2 因而有助于晶核相的产生与作用 有鉴于 1 美国某铸造厂采用含25 镁的多元包芯线生产球铁的成本还高于冲入法 2 我国某铸管公司采用含25 镁的合金线生产球墨铸铁管的成本也难以与冲入法相比 3 我国某汽车集团公司铸造厂采用混有金属镁的高镁 含镁25 28 包芯线生产球铁时也难以 与冲入法相抗衡 4 在我国 存在着 只有比老工艺成本低的新技术才会被企业采用 的国情 5 包芯线的消耗长度是影响处理成本的最主要因素 6 另外 从硅镁二元合金相图上知道 含镁为30 45 的硅镁合金的熔点较高 因此 选定合金含镁量为30 45 八 高镁多元合金的冶炼 从硅镁二元合金状态图得知 镁和硅能生成含镁高达63 41 的硅镁合金 但是 要冶炼出高镁合金 必须严格控制温度 按科学顺序进行加料以及切实进行防氧化燃烧与爆炸 用所拟定的高镁合金冶炼工艺稳定地冶炼出了成分合格 组织緻密 外观洁净 含镁量为25 30 以及40 的多元复合合金 所制定的合金成分技术条件如下 合金名称含量 mgremcasimgo25mg24 261 31 343 45 1 530mg29 311 31 341 43 1 540mg39 411 31 337 39 1 5 硅镁合金二元相图 25 mg合金外观 40 mg合金外观 九 高镁合金的破碎 在有严密的保安措施和使高镁合金块在破碎过程中所受到的破碎比最小 所遭受的破碎次数最少以及已合格合金粉粒在破碎系统中停留的时间最短的条件下 制得了符合包芯线制作与工艺要求的合金粉剂从而保证了各种试验用包芯线对合金粉剂的需要 十 包芯线的制作与生产 由于进行铁水球化处理时包芯线的用量很少 一般为每吨铁水14 20米 因此 加入量的准确性对处理结果 尤其是对结果稳定性的影响 要比进行钢水处理时大的多 而包芯线的制作质量 包括封口是否密实 外皮有无破裂 包芯线封口是否抗扭曲 合金粉剂的粒度和粒度组成是否均匀 单位长度包芯线粉剂重量的允许误差 等等 则直接关系着这一点 高镁合金包芯线是用我们研制生产的bxj v型包芯线生产机组制作的 用以制作高镁合金包芯线的bxj v型包芯机 包芯线卷外观 十一 铸造用喂线机的研制 由于铁水球化处理具有与钢水处理截然不同的一些特点 其一是处理包的容量小 其二是处理节奏快 其三是包芯线加量少但精度要求高 其四是车间能容纳喂线机的地方小 其五是不同铸造厂的铁水处理量差别大 因而不能直接采用现有钢水处理用喂线机进行铁水球化处理 而必需研制适合不同规模铸造厂用的 具有体积小 速度低 计数精度高 能长时间工作 而且有多种安装方式 卧式 立式及倾斜式 的喂线机 十二 实验室试验 在实验室进行试验的目的 第一是为了增加对高镁合金与铁水的反应情况的感性认识 第二是为了测定包芯线的一些特性和应用参数 第三就是为了确定用高镁合金包芯线生产球铁的可能性和可行性 从而为工业性试验方案的制定与其基本参数的选择提供依据 实验室试验用装置 正进行喂线试验的情形 实验室试验使我们得到了如下一些认识 用喂线法进行球化处理所产生的渣量比冲入法少 且是 干渣 由包芯线带入铁水的硅量很少 因而适应各种含硅量的铁水 包芯线外皮 钢带 熔化速度与铁水温度的关系是一条斜率很小的直线 图4 因而铁水温度对钢带熔化速度的影响不大 钢带在铁水中的熔化速度比在同样温度钢水中的熔化速度快 图5 处理温度和熔池深度对镁在铁水中的收得率有直接的影响 由于单位时间的加镁量比冲入法多 因而球化反应比冲入法强烈 但时间比冲入法短 脱硫效果似乎不入冲入法 工业试验用装置 正在工业装置上进行试验的情形 2 工业性试验的流程 3 工业性试验用包芯线工业性试验采用了三种包芯线 它们的技术参数如下 包芯线名称合金成分 重量 克 米含量 克 米mgremcasi包芯线合金粉镁硅25mg24 142 501 9044 0236022052 0296 8430mg31 632 621 9042 4135421467 6690 7640mg39 022 351 9538 2035021081 9480 22 4 原始条件和预期指标1 原始条件原铁水成分csimnps3 60 3 800 6 0 80 2 0 3 0 03 0 03处理铁水量 400公斤 处理温度 1500 处理包 去掉了堤坝的500公斤铁水球化包 2 预期指标 球化级别 2 3级 石墨大小 6 7级 残镁含量 0 040 残硫含量 0 018 镁的收得率 30 加镁量 0 12 75 硅铁增加量 6公斤 吨铁水 每吨铁水处理成本 112元 渣少 且易扒除 烟气产生量 作业环境得到改善 工人劳动强度减轻 5 喂线处理试验1 最佳喂线速度测定试验试验结果表明 喂线速度对处理效果有较大的影响 只有使包芯线在包底附近熔化 才能使镁蒸汽在铁水中有较长的停留时间和较好的作用效果 2 最佳喂线长度测定试验试验结果表明 随着包芯线喂入量的增加 残镁含量将逐渐增大 残硫含量也会逐渐减少 而当喂线长度增加到一定数量之后 继续增加包芯线的喂线长度 残镁和残硫含量的变化不大 3 温度对处理结果的影响试验结果表明 处理温度直接影响着镁的收得率 4 球化衰退测定试验试验结果表明 在处理后的12分钟内 铁水的残镁含量几乎没有发生变化 5 干扰元素对球化衰退的影响金相检验结果表明 在锑的干扰下 不仅会使铁水的球化率下降 球化级别不到4级 而且会使球的形态变坏 6 重现性试验试验结果表明 喂线工艺具有很好的稳定性和重现性 7 工业性试验结果汇总通过为时近一年的工业性试验 稳定地取得了如下试验结果 球化级别 2 3级 石墨大小 6 7级 加镁量 0 125 补硅量 比冲入法增加0 6 残镁含量 0 042 0 045 残硫含量 0 015 0 018 镁的有效率 43 59 48 08 处理成本 110元 吨铁水 冲入法处理成本为152 176元 吨铁水 上述结果清楚表明 喂线法的稳定性和重现性远好于冲入法 镁的利用率和有效率高于冲入法 产品的质量相当于或好于冲入法 处理成本低于冲入法 十四 在东安公司铸锻厂的实际应用 工业生产用的喂线处理站 东安动力集团公司铸锻厂完全采用喂线法生产球铁后的变化和所取得的技术经济效果如下 1 炉料由本溪生铁改为回炉料 占总量的70 80 废钢 增碳剂 2 原铁水成分 变为 csimnps3 65 3 851 5 2 0 0 2 0 3 0 03 0 03 注 随球铁牌号的不同而有所变化 3 铁水出炉温度 1520 1540 4 球化处理温度 1480 1500 5 处理包容量 1000公斤 6 每包处理铁水量 700 800公斤 7 加镁量 0 125 8 浇铸机流出铁水的残镁含量 0 028 0 032 9 浇铸机流出铁水的残硫含量 0 015 0 020 10 镁的收得率 41 67 46 48 11 qt700 2凸轮轴本体金相组织的鉴定结果完全符合标准要求 球化率 85 石墨尺寸 最大60微米 平均尺寸30微米 珠光体数量 90 自由渗碳体数量 5 凸轮轴本体试样的金相组织照片 12 单铸试块的力学性能为 抗拉强度 700mpa 屈服强度 420mpa 延伸率 2 hrs硬度 254 270 完全符合国家和企业的技术标准 13 气体保护浇铸机不再频繁发生因炉渣太多而堵塞炉口的事故 这既提高了浇铸机的作业率及炉衬的使用寿命 又减少了处理炉口堵塞的费用 14 由于具有很好的重现性 因而工人不再担心铁水的球化处理质量 此外 还可依据情况 采取增加或减少球化处理的加镁量 即包芯线长度 的办法 机动灵活地将 浇铸机中铁水的残镁量保持在一定的水平上 进而免除因球化衰退而导致的铸件报废 15 使冲入法难以回炉再用的回炉料变成了好原料 从而结束了按1 35 1的比例兑换生铁的历史 16 球铁的处理成本由采用冲入法时的152 176变成了现在的84 8 102元 吨铁水 17 球化处理产生的烟气和弧光得到了管理与控制 从而使作业环境得到了很大改善 18 实现了处理作业机械化 处理包就位工作除外 十五 工厂由冲入法改为喂线法后的效益分析 1 直接经济效益包括 1 因处理成本的降低而节约70 1万元 年 2 因回炉料得到完全利用而每年节省206 3万元 3 因浇铸机炉口堵塞的减少和消除而节约事故处理费18 4万元 年 4 因铸件质量得到进一步提高而每年为企业创效18万元 每年的直接经济效益总计为312 8万元 2 间接经济效益包括 1 因浇铸机停工时间的减少而创造的效益 2 因浇铸机铁水不再出现衰退无法挽救的情况而节省由于铁水回炉所产生的能源及其它相关消耗费 3 社会效益包括 1 作业环境的改善 2 球化处理的机械化 4 投入产出比为1 30以上 十六 讨论 1 关于喂线速度问题喂线速度是用喂线法进行铁水加镁处理能否取得预想结果的决定性因数 由于铁水深度 包芯线的熔点以及铁水温度一定时 使包芯线在处理包底部附近熔化的最佳喂线速度也将是一个常数 因此喂线速度高或低于最佳速度 都会使包芯线的熔化过程发生在处理包上部的铁水中 从而使镁蒸汽很快逃逸出铁水 影响甚至破坏加镁处理的效果与质量 没有最佳的喂线速度就没有喂线工艺的一切 2 关于首次进行工业试验时喂线速度的选择问题我们得出了一个具有通用性的喂线速度计算公式 v nh式中v 喂线速度 米 分 n 常数h 处理包中铁水高度 厘米 3 关于处理温度的问题虽然处理温度对包芯线的熔化速度影响不大 但对镁的吸收率却有很大的作用 因为温度越高 镁的蒸汽压就越大 尤其是当温度高于1400 之后 镁蒸汽压的变化斜率更大 见蒸汽压力图 镁蒸汽压越高 镁从铁水逃逸的速度也就越快 镁与铁水的作用时间也就越短 铁水对镁的吸收率也就越低 因此 从喂线处理的工艺角度来说 处理温度还是低点好 这不仅有利于处理效果 也有利于企业的节能 镁的蒸汽压与温度的关系 4 关于包盖与铁水温降的问题包盖对于喂线处理来说是至关重要的 不能有任何忽视 这不仅是为了遮挡弧光 阻止铁水飞溅 收集处理过程所产生的烟气 也是为了减少铁水及渣层与周围空气的热交换 喂线法的铁水温降 一般为20 30 个别可达70 80 之所以比冲入法小 一是添加剂数量少 二是处理时间短 三是有包盖减少热损失 喂线法的热损失主要来自于铁水通过处理包和包盖对周围空气的热传导 热辐射和热对流 以及随烟气带走的热量 为了降低热损失 应尽量减少辅助作业时间和缩短处理包的运送距离 5 关于包芯线长度计算公式的使用问题用来计算包芯线需用长度的公式l 0 75x mg残 q qx是按通常的化学反应式推导出来的 式中l 包芯线长度 米 s 处理前后铁水含硫量之差 mg残 球化处理后所要求的铁水残镁含量 铁水重量 克 mg的有效率 q 包芯线单位长度的含mg量 克 米 关键是如何选取 s和 6 关于处理包的高径比问题从喂线处理的角度来说 处理包的高径比约大越好 因为高径比越大 包中铁水的静压就越高 静压就越高 就越能阻止镁蒸汽的逃逸 越有利于镁同铁水的相互作用 但是 当包的容量一定时 高径比越大 对其的维修就越不方便 因此 应在不对修包造成很大困难的前提下 使高径比越大越好 7 关于脱硫率的问题在通常情况下 高镁合金包芯线工艺的脱硫效率似乎都不如冲入法 这也许是由于 镁的加入量比较少 钙和稀土的加入量少很多 处理时间较短 单位时间产生的镁蒸汽量较多 铁水翻腾较厉害以及有用元素同硫的作用时间较短之故 8 关于高镁包芯线工艺的适应性问题高镁合金包芯线喂线工艺最适合要求铁水残余镁含量波动范围很窄的场合