CN109468427B - 一种铸铁用预处理剂及其制备方法 - Google Patents

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

一种铸铁用预处理剂及其制备方法

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。