喷粉净化及球化处理工艺的试验研究

喷粉净化及球化处理工艺的试验研究

随着重型机械工业，尤其是原子能工业的发展，厚壁和大型球墨铸造广泛应用于厚技术行业。目前，广泛应用于重型制造行业、电机制造行业、造船行业和能源行业的厚梯度球墨铸造件。其中，由西部公司制造的厚大型旋转齿条的tyn3100件是最具代表性的厚大型球具。容器最大尺寸25.2576mm最大壁厚400mm，重115吨。1987年,日本电力中央研究所组织了6家公司制作出6个大型球铁核燃料储运容器,并对其做了比较全面地检验分析。我国厚大断面球墨铸铁的研究和生产近年来取得了很大进展,国内生产的某些柴油机、内燃机曲轴及一些大型轧辊等都属于厚大断面球铁件。厚大断面球墨铸铁生产技术的发展中,铁液的纯度及球化效果极为重要。目前,国内球铁生产中,原铁液含硫量和夹杂物含量高,成为阻碍提高球铁质量的关键。如何利用国内资源,设法除去原铁液的硫、杂质及一些有害元素,以适应厚大断面球铁生产是急待解决的问题。喷粉脱硫技术在炼钢行业已逐步推广应用,但在铸造上应用的并不多,为了开发大型球铁核燃料储运容器,本文研制了一套喷粉装置,进行了喷粉脱硫、铁液净化的试验研究。1试验条件和方法1.1喷粉试验确定的主要喷粉参数熔化设备是1.5t工频感应电炉。炉料由本溪Z15生铁和少量球铁回炉料及废钢组成。铁液温度采用快速微型热电偶测量,出炉温度1480～1500℃,出炉后喷粉试验在500～3000kg包中进行,喷粉装置如图1所示,喷粉温度在1450℃左右,为保证喷粉处理时铁液不产生激烈飞溅,并能满足冶金反应的需要,经过反复试验确定的主要喷粉参数见表1,喷粉处理后浇注75mm楔形试样供力学性能和金相检测,浇注硫印试样供化学分析及硫分布的分析。1.2ao与caf2试验用脱硫剂粉料CaC2采用纯度大于85%的工业用低熔点粉剂,粒度小于0.5mm;CaO采用纯度大于85%的工业用粉剂,粒度小于0.5mm;防潮活性CaO为吉林铁合金厂生产,其指标见表2;CaF2为化学纯试剂,其纯度大于98.5%;A12O3,为化学试剂,其纯度大于98.5%。试验用球化剂为XtMg5-8稀土镁合金,孕育剂为75Si-Fe。1.3铁溶液的化学成分铁液成分w为:3.4%～3.6%C;1.8%～2.1%Si;0.4%～0.6%Mn;P<0.07%;S<0.05%。1.4综合喷粉球化处理在相同工艺条件下,炉前进行了喷粉脱硫处理、冲入法球化处理、喷粉法球化处理和将脱硫剂、球化剂、孕育剂同时喷入的综合喷粉球化处理试验。喷粉用脱硫剂、球化剂、孕育剂的粉剂粒度均小于0.8mm。2试验结果及分析2.1喷粉脱硅处理效果2.1.1脱硫剂的脱硫效果试验用铁液加FeS增硫,将其原铁液含硫量增至0.2%,采用CaC2系(CaC290%+CaF25%+C黑5%),CaO系(CaO90%+CaF25%+C黑5%),CaO+CaC2混合系(CaC245%+Ca045%+CaF25%+C黑5%)三种系列脱硫剂进行了大量的脱硫对比试验,得出不同脱硫剂、不同加入量对脱硫率的影响规律,见图2、图3。理论上,CaC2脱硫效果不仅优于CaO,而且CaC2的脱硫速度大约是CaO的20倍。从图2、图3的结果可看出,尽管CaC2的效果比CaO好,但由于喷粉过程强化了脱硫过程的动力学因素,增强了CaO的脱硫速度,从而也增强了CaO的脱硫效果。试验证明:利用50%CaO和50%CaC2的效果几乎和采用100%CaC2的效果相当,脱硫率可达70%以上,这不仅在脱硫效率上,而且在经济效益上都是十分明显的。2.1.2喷粉脱硫和脱氧借鉴高硫铁液的试验条件,改用活性防潮CaO粉,对原铁液进行了脱硫、脱氧试验,其结果如表3所示,对其中一些炉次进行了硫印分析。从结果中可以看出,喷粉脱硫对球铁原铁液是极为有效的,一般条件下,脱硫率在68%～75%,可获得低硫铁液。对高硫铁液,采用喷粉工艺可使用活性CaO代替CaC2,取得相同的脱硫效果,这对大量生产具有明显的实用价值和经济效益。试验结果还表明,喷粉脱硫的同时,脱氧效果也很明显,其脱氧率在50%左右,喷粉脱硫是一种有效的铁液净化方法,可获得低硫、低氧的高质量铁液。从硫印分析可见,原铁液含硫量较高,硫印明显,且在试样的上表面出现硫偏析,经喷粉脱硫处理的硫印照片较浅,而且深浅度均匀,说明喷粉脱硫不仅使硫含量大大降低,而且使硫趋于均匀分布,减少了偏析,由此可见喷粉处理使铁液成分更均匀。2.2喷粉处理的球化和净化效果2.2.1球化工艺对比表4列出了冲入法和喷射不同球化剂、孕育剂时铁液的主要成分、球化效果和基体组织的测试结果。为了比较,列入了综合喷粉处理的相应数据,图4是各种球化方法的金相组织照片。从表4可见,只有球化剂加入质量分数为0.9%、孕育剂加入质量分数为1.0%的B1炉次,由于球化剂量少,使得RE残、Mg残较低,硫量较高,不足以使石墨完全球化,球化效果低于冲入法,其它炉次的球化效果均优于冲入法。从Ao与B8的比较可见,在孕育剂量相同的条件下,喷粉法球化剂加入量为冲入法的75%时,球化级别由冲入法的4级提高到1级,石墨大小从2～3级提高到1级,珠光体面积率从0.35%～0.40%降低到0.05%,喷粉法提高了球化元素的吸收率,大大减少了合金用量。从表4还可以看出,经喷粉处理后,残余硫质量分数都低于0.01%,残余氧质量分数也较冲入法低,证明喷粉球化工艺强化了脱硫、脱氧的净化效果,正是由于这种净化作用的强化,使S、O等阻碍石墨球化的元素含量降低,改善了石墨成球的条件,从而球化级别、石墨圆整度提高,石墨细化。同时S、O含量的降低,又阻碍了共析渗碳体的析出,使基体的珠光体面积率降低。2.2.2综合喷粉球化试验结果若对经过预先良好脱硫的铁液再进行喷粉球化,可使球化剂加入量限制到最少程度而且球铁性能会更好。但这对设备要求高,工艺复杂,处理时间长,铁液降温较大。为了克服这些弊端,本试验将脱硫剂、球化剂和孕育剂一同加入喷粉罐,一次喷入铁液进行综合处理,目的是使脱硫剂先进入铁液,球化剂、孕育剂后进入铁液,达到脱硫、球化、孕育依次进行的喷粉冶金过程。由于喷粉罐下部采用特殊悬浮结构,可确保这些综合冶金过程得以实现。综合喷粉球化试验结果也列于表4。表4说明,综合喷粉处理后铁液的硫质量分数可降到极低,甚至可降到0.0004%,同时氧的质量分数也很低,致使综合喷粉法的球化效果较之冲入法、喷粉球化法进一步提高,铁素体面积率增加而球化剂加入量降低。2.3综合喷粉处理工艺的应用效果表5是各炉次试样的力学性能测试结果,可见,喷粉球化工艺在节约球化剂的前提下,生产出的球铁力学性能远高于冲入法,尤其δ、ak值提高得更为显著,而综合喷粉处理的力学性能则进一步提高,综合处理工艺可达到最优化的效果。这是由于喷粉球化,综合喷粉处理工艺的球化效果好、石墨圆整、细小而均匀分布,对基体的割裂作用小。另一方面喷粉处理使硫、氧质量分数降低,相应的硫化物及氧化物夹杂减少,氧、氢、氮等气体元素的质量分数降低,从而气泡和夹杂物造成的裂纹源减少,使裂纹的阻力增大,从而使其塑韧性指标大大提高。3喷粉处理的必要性(1)喷粉脱硫是一种有效的铁液净化方法,在脱硫的同时,脱氧效果也较显著,可获得低硫、低氧高质量铁液;喷粉处理使活性CaO的脱硫率与CaC2的脱硫率相近,CaO取代CaC2成为可能;喷粉处理使硫趋于均匀分布,减小偏析,使铁液成分均匀。(2)喷粉球化是一种有效的球化方