CN109468427B - 一种铸铁用预处理剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铸铁用预处理剂,由以下重量百分比的组分组成:硅:50‑70%,锆:1.0‑6.0%,铝:1.0‑6.0%,钙:0.5‑5.0%,钡:1.0‑5.0%,钇:0.5‑4.0%,余量为铁。本发明的有益效果为:预处理效果显著,抗衰退能力强,保证铁液性能的稳定性和一致性;适用性强,可应用于灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等铸件生产工艺;可有效净化铁水,脱氧、脱硫、脱氮效果明显;减少铁液过冷度,改善铁液冶金条件,增加铸铁石墨数量;减少铸件白口倾向,铸件断面均匀性良好;提高铸铁的机械性能;铸铁产品稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种铸造材料及制备方法,特别是铸铁用预处理剂及其制备方法。
背景技术
中频感应电炉以其灵活方便、环境保护利好等优点,在铸铁冶炼行业中应用日益增多。冲天炉熔炼铸铁,已经有二百多年历史,人们对铸铁质量控制积累了很多经验,一旦转而改用感应炉,铸铁熔炼过程大不相同,简单地沿用老经验就难以确保铸件冶金质量,生产中就会不断出现新问题,如白口倾向大,石墨化程度不符合要求等。尤其令人头痛的是,即使在炉料配比不变、原铁液的化学成分控制稳定、球化处理和孕育处理也相同的条件下,也很难保持铸铁的性能稳定。即便安排铸件在不同的温度下打箱、落砂,也未能解决问题。很多铸件都不得不予以热处理。
感应电炉内的铁液,有电磁搅拌的作用。这种搅拌作用的优点很多,如:有助于金属炉料快速熔化,可以使铁液的化学成分、温度均匀,还有助于铁液中气体和夹杂物的排出等。但是,搅拌的负面作用也是不可忽视的,其排除夹杂物的作用是不分敌友的,石墨析出所必需的异质晶核也随之一并排除。由于生核的能力显著弱化,必然会影响铸铁的性能。铁液在感应电炉中保持的时间越长,上浮的夹杂物越多;温度较高,铁液的黏度较低,夹杂物也就较易于上浮。因此,铁液的温度及其在炉内保持的时间,都会影响铸铁的性能。
为了解决铸铁冶金质量不稳定的问题,业内人士进行了多方面的分析研究,逐步认识到,对于石墨是重要组成元素的灰铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁而言,用感应电炉熔炼铁液中微细的质点颗粒少了,共晶转变时石墨化的生核条件不充分。据此,决定进行预处理的试验研究工作,预先在炉内加入预处理剂,使铁液中存在的质点颗粒增加。
预处理工艺不仅在孕育处理前将铁液中的O、S控制在较低的、稳定的水平,而且因为形成了大量的稳定的形核质点,大大降低了铁液的过冷度,从而为降低了孕育剂用量,增加单位面积石墨数量,生产高质量的铸铁产品创造了极为有利的条件。传统上,对铁液的预处理包括利用SiC、FeSi或增碳剂等添加剂进行的处理,其目的是改善铁液的性能,增加单位面积的形核核心,降低铁液的过冷度。通常的做法是:在出铁前5-10min,在中频感应电炉内加入SiC或石墨质增碳剂,加入量为0.1%-0.2%,待其溶解后快速出铁,利用这些物质新鲜的质点来改善铁液的冶金性能。
还有一种预处理技术是在球化反应前,在浇包的包底的两侧分别加入含Ba+La的预处理剂和球化剂,倒入铁液时,将铁液倒入预处理剂的一侧,这样可以保证预处理反应的优先进行,将铁液中的w(O)、w(S)量稳定地控制在较低的水平,为球化反应提供良好的条件;同时,反应的产物能够成为稳定的形核质点和共晶转变中石墨的形核核心。
在实际铸铁产品生产中,上述两种预处理工艺存在以下一些不足:
1、预处理反应是在出炉前几分钟或者出炉时进行的,反应生成的大颗粒杂物夹裹在铁液中不能有效清除,影响铁液纯净度;
2、SiC或者石墨质增碳剂在高温环境中不能有效保持较长的时间;
3、碳在铁液中的溶解度很高,很难控制铁液中残留石墨微粒的数量和尺寸,因而也就难以控制铸铁中石墨的数量、尺寸和形态;
4、包内加入的预处理剂熔化需要一定的温度,这就要求提高铁液的熔炼温度和出炉温度,铁液熔炼温度越高,铁液的冶金质量越差;
5、SiC或者石墨质增碳剂含有一定量的N元素,易造成铸造氮气孔缺陷。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端,提供一种可增加铸铁石墨数量、保证铁液性能稳定性和一致性的铸铁用预处理剂及其制备方法。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案是这样的:
一种铸铁用预处理剂,由以下重量百分比的组分组成:硅:50-70%,锆:1.0-6.0%,铝:1.0-6.0%,钙:0.5-5.0%,钡:1.0-5.0%,钇:0.5-4.0%,余量为铁。
上述铸铁用预处理剂,所述组分中加入0.1-1.0%的钕。
上述铸铁用预处理剂,硅选自硅含量65-99%的硅铁,锆选自含锆4-40%的硅锆合金,铝选自金属铝,钙选自钙含量为16-35%的硅钙合金或金属钙,钡选自钡含量2-35%的硅钡合金或金属钡,钇选自钇含量10-40%的稀土硅铁合金,铁选自废钢,钕选自金属钕。
上述铸铁用预处理剂的制备方法,制备按如下过程进行:
a、按照配比称取各原料,将各原料破碎为粒径10-100mm的碎块;
b、将破碎后的原料混合均匀后放入中频感应电炉中,升温至1400℃-1500℃,熔炼10-15min,熔炼的过程中不停搅拌,至原料混合均匀;
c、待原料充分熔化后,浇注至金属模型中;
d、铸锭冷却后破碎制粒。
本发明的有益效果为:预处理效果显著,抗衰退能力强,保证铁液性能的稳定性和一致性;适用性强,可应用于灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等铸件生产工艺;可有效净化铁水,脱氧、脱硫、脱氮效果明显;减少铁液过冷度,改善铁液冶金条件,增加铸铁石墨数量;减少铸件白口倾向,铸件断面均匀性良好;提高铸铁的机械性能;铸铁产品稳定性好。
具体实施方式
本发明为有效解决现有铸铁预处理技术的不足,研发了中频感应炉内加入的预处理剂产品。该预处理剂的功能元素具有以下特点:铁液中O、S、N反应活性强,其氧化物、硫化物、氮化物的标准生成吉布斯自由能要低;氧化物、硫化物、氮化物的比重最好和铁液类似;氧化物、硫化物、氮化物的熔点要高;氧化物、硫化物、氮化物的质点尺寸要适合作为形核质点。
本发明是以Zr、Al、Ca、Ba、Y为主要元素的Fe-Si基合金,其中Zr具有较高的脱氧、脱硫、固定氮的能力,与铁液中氮结合,形成的N-Zr化合物具有熔点高、不易分解的特点,且N-Zr化合物密度与铁液密度接近,易于弥散在铁液中,N-Zr化合物质点尺寸较小,在4μm左右,非常适合作为石墨的异质形核质点;Al、Ca、Ba三种元素均具有较强的还原性,在相当大的温度范围内与氧、硫亲和力很强,同时,它们对氧的亲和力也都比对硫的亲和力更大,可有效除去铁液中的氧、硫等元素,这样就保证了铁液的还原性,可去除铁液中MgS、MgO等夹杂,净化铁液,形成高质量的、稳定的、易扒除干渣,对于蠕墨铸铁和球墨铸铁,在保证铁液残余镁含量一定的前提下,减少球化剂的使用量;对于灰铸铁,铝对石墨的析出和成长有重要的作用,可以使共晶转变的过冷度降低,共晶团数增加,且有利于A型石墨的形成。由于Al的加入能脱氧作用,能与铁液中的氧化合成大量难溶而弥散分布的Al2O3质点,由于Al2O3和石墨都属六方晶格,且晶格常数与石墨接近,适合于石墨的结晶。Ba的熔点为710℃,沸点高达1637℃,在铁水中不会变成气体,所以铁水中加入Ba不会冒烟、发光和飞溅,在铁水中加入一定量的Ba、Ca,除了生成BaO、CaO,还会形成BaS、CaS。生成的CaS、BaS与石墨的晶格失配度分别为-4.1%、+7.5%,而晶格失配度小于6%的基底是非均质生核的高效核心,晶格失配度在6%-12%之间的基底是中等有效的非均质生核的核心。所以,CaS是石墨生核的高效基底,BaS是有效基底。CaS可以与铁液中的MnS形成(Mn,Ca)S,CaS能与MnS形成(Mn,Ca)S,它与石墨的晶格失配度比CaS更小,也是石墨生核的高效基底。Y和Nd是重稀土元素,熔点高,加入铁水中时,不会引起铁水的翻腾和喷溅;Y、Nd元素具有比镁更强的脱硫脱氧能力,生成的硫化物、氧化物等化合物熔点高、稳定性好;Y、Nd元素与铁水中的球化干扰元素(如硫、氧、硒、碲、锡、砷、硼、钛等)也能形成稳定的化合物。而且这两种元素具有较强的强化晶界的作用,能减少晶界有害夹杂的偏聚,改善夹杂物的形态、大小和分布,提高晶界的结合强度,达到晶界强化的作用。
本发明所述预处理剂的制备方法为:将按配备称量的各原料破碎为粒径10-100mm的碎块;将破碎后的原料混合均匀后放入中频感应电炉中,升温至1400℃-1500℃,熔炼10-15min,熔炼的过程中不停搅拌,至原料混合均匀;待原料充分熔化后,浇注至金属模型中;铸锭冷却后破碎制粒。上述冶炼方式的制备方法,相比常规机械混合法生产的预处理剂,可以有效防止成分偏析,物料成分更均匀。
以下提供几个具体的实施例。
实施例1:铸铁用预处理剂铸的化学成分重量百分比如下:硅:70%,锆:1.0%,铝:1.0%,钙:0.5%,钡:2.0%,钇:1.8%,余量为铁。其中,硅选自硅含量95%的工业硅铁,锆选自锆含量40%的硅锆合金,铝选自金属铝,钙选自金属钙,钡选自金属钡,钇选自钇含量40%的稀土硅铁合金,铁选自废钢。
按照上述化学成分配比称取各原料,将各原料破碎为小块;将粉碎后的原料混合均匀后放入真空电炉中,用氩气置换炉内空气,升温至1400℃,熔炼15min,熔炼的过程中不停搅拌,至原料混合均匀;待原料充分熔化后,浇注至充有惰性保护气体的水冷模型中;铸锭冷却后破碎制粒,加工成客户要求的粒度。
实施例2:铸铁用预处理剂铸的化学成分重量百分比如下:硅:50%,锆:6.0%,铝:6.0%,钙:5.0%,钡:5.0%,钇:0.5%,钕:1.0%,余量为铁。其中,其中,硅选自硅含量75%、铝含量1.5%、钙含量1.5%的硅铁,锆选自锆含量30%的硅锆合金,铝选自金属铝,钙选自钙含量30%的硅钙合金,钡选自钡含量30%的硅钡合金,钇选自钇含量30%的稀土硅铁合金,钕选自金属钕,铁选自废钢。
按照上述化学成分配比称取各原料,将各原料破碎为小块;将粉碎后的原料混合均匀后放入真空电炉中,用氩气置换炉内空气,升温至1500℃,熔炼10min,熔炼的过程中不停搅拌,至原料混合均匀;待原料充分熔化后,浇注至充有惰性保护气体的水冷模型中;铸锭冷却后破碎制粒,加工成客户要求的粒度。
实施例3:铸铁用预处理剂铸的化学成分重量百分比如下:硅:62%,锆:4.0%,铝:3.0%,钙:2.0%,钡:4.0%,钇:4.0%,余量为铁。其中,硅选自硅含量80%、铝含量1.5%、钙含量1.5%的硅铁,锆选自锆含量40%的硅锆合金,铝选自金属铝,钙选自金属钙,钡选自钡含量32%的硅钡合金,钇选自钇含量30%的稀土硅铁合金,铁选自废钢。
按照上述化学成分配比称取各原料,将各原料破碎为小块;将粉碎后的原料混合均匀后放入真空电炉中,用氩气置换炉内空气,升温至1450℃,熔炼13min,熔炼的过程中不停搅拌,至原料混合均匀;待原料充分熔化后,浇注至充有惰性保护气体的水冷模型中;铸锭冷却后破碎制粒,加工成客户要求的粒度。
实施例4:铸铁用预处理剂铸的化学成分重量百分比如下:硅:60%,锆:4.0%,铝:2.0%,钙:3.0%,钡:4.0%,钇:3.0%,钕:0.5%,余量为铁。其中,硅选自硅含量80%、铝含量1.5%、钙含量1.5%的硅铁,锆选自锆含量40%的硅锆合金,铝选自金属铝,钙选自金属钙,钡选自钡含量32%的硅钡合金,钇选自钇含量30%的稀土硅铁合金,铁选自废钢,钕选自金属钕。
按照上述化学成分配比称取各原料,将各原料破碎为小块;将粉碎后的原料混合均匀后放入真空电炉中,用氩气置换炉内空气,升温至1450℃,熔炼13min,熔炼的过程中不停搅拌,至原料混合均匀;待原料充分熔化后,浇注至充有惰性保护气体的水冷模型中;铸锭冷却后破碎制粒,加工成客户要求的粒度。
本发明所述预处理剂的使用方法:将粒度1-10mm的预处理剂在铁液熔化过程中直接加入中频感应炉内,加入量为铁液量的0.3-0.6%。
将本发明产品用于球墨铸铁生产中,生产出的球墨铸铁与未预处理工艺生产的球墨铸铁相比,石墨球数量从200个/mm2增加到700个/mm2;废品率(气孔、夹渣)由8.3%降低至3.2%;球化率在90%以上;可以消除厚大渗碳体;在基体强度没有降低的情况下,延伸率提高20-30%。最重要的一点,首包铁水与末包铁水虽然出炉时间相差50分钟,但是生产的铸件机械性能完全一致,满足客户对铸件质量稳定一致的要求。
Claims (3)
1.一种铸铁用预处理剂,其特征在于:由以下重量百分比的组分组成: 硅:50-70%,锆:1.0-6.0%,铝:1.0-6.0%,钙:0.5-5.0%,钡:1.0-5.0%,钇:0.5-4.0%,钕:0.1-1.0%,余量为铁。
2.根据权利要求1所述的铸铁用预处理剂,其特征在于:硅选自硅含量65-99%的硅铁,锆选自含锆4-40%的硅锆合金 ,铝选自金属铝,钙选自钙含量为16-35%的硅钙合金或金属钙,钡选自钡含量2-35%的硅钡合金或金属钡,钇选自钇含量10-40%的稀土硅铁合金,铁选自废钢,钕选自金属钕。
3.根据权利要求1或2所述的铸铁用预处理剂的制备方法,其特征在于,制备按如下过程进行:
a、按照配比称取各原料,将各原料破碎为粒径10-100mm的碎块;
b、将破碎后的原料混合均匀后放入中频感应电炉中,升温至1400℃-1500℃,熔炼10-15min,熔炼的过程中不停搅拌,至原料混合均匀;
c、待原料充分熔化后,浇注至金属模型中;
d、铸锭冷却后破碎制粒。
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