喷吹稀土球墨铸铁的研究

D0I:10.13374/j.issn1001053x.198M.01.020 北京铜铁学晚学报 1984年第1期 喷吹稀土球墨铸铁的研究 北京钢铁学院舒工教研室沈定刊张联芳于小平 黑龙江治金研究所 刘为邦李百冻◆ 摘 要 本文论述了使用喷射法，用无镁稀上：合金作球化剂处理不同含硫镫的铁水制 备球婴铸铁的可能性。喷射法！于改善了球化反应动力学纸件，稀土和筷一样是 优良的球化剂。文中对稀土球铁的稀土残留量范围、不同种类球化剂的相应处理 方法作了初步探讨，认为喷射法是稀土球墨俯铁的台适处理方法。 前 言 球墨铸铁作为一种优良的结构材料，已经得到广泛应用。，目前，球铁生产中多用纯镁 或含镁合金为球化剂。根据我国资源特点，从六十年代开始发展了独具特色的稀土镁球墨 铸铁。虽然近年来已有用稀土为球化剂作球铁的尝试，但人们对稀士的球化能力仍有怀 疑。我国稀土资源十分丰富，而镁产量比较少。现在我国生产球铁所需用的铁们潘进口。 稀土球化剂如能广泛地应用于铸铁生产，元疑在技术上和经济上都有重大意义。根据稀土 元素的物理化学特性，在同铁水作用时，稀土与铁水中疏、氧的亲和力比镁和硫、氧的亲 和力大，但稀土和铁水反应的动力条件却比镁差。因此，稀土要广泛使用于铸铁生产，必 须首先解决稀土的加入方法问题。我们认为喷射法是一种较好的方法。喷射法是七十年代 发展起来的一项新兴治金技术，在短短的十年间已获飞速发展。从一九七八年以来，喷吹 技术已开始在我国的炼钢工业中获得应用，但在铸造行业中应用甚少，不过，近年来已逐 渐引起了我国铸造工作者的关注。我们从一儿八一年开始进行此项研究，三年来已在学校 和工厂的各种条件下进行了大量实验。我们开展此项研究的目的在于：扩大喷吹技术和稀 土在钱铁中的应用，用稀土作球化剂为发展我国稀土球墨铸铁系列作些工作。本文着重讨 论在实验室条件下进行的喷吹稀土球铁的实验研究结果。 实验及其装置 本实验用熔化设备是十公斤和一百公斤容盘的中频感应炉。川小型喷粉装置进行球化 处理。该系统主要由以下四部分组成：气源、控调系统、喷树然和喷枪部分。喷吹处理流 程如图1所示。试险用铁料为首钢炼钢生铁，其化学成分列表·。 45

北 京 栩 铁 学 位 举 报 年 ， 翔 喷吹稀土球墨铸铁的研究 北 京钢 伙 学 院 铸工 教研 室 沈 定 钊 张 联 芳 黑 龙 江 冶 金 研 完 所 刘 为部 李 百 炼 李小 平 卜 、 摘 要 本文论 述 了使用喷射法 ， 用无镁稀土 合金作球化剂处理不 同含琉量的铁水制 备球 墨铸铁的可能性 。 喷射法 口于改善 了球化反应 动力 学 条件 ， 稀土和镁一 样是 优 良的球化剂 。 文 中对稀土球铁 的稀土残 留量 范围 、 不 同种类球化剂的相应 处理 方法作 了初步探讨 ， 认为 喷射法是稀土球墨铸 铁的合适处 理方法 。 产 ， 刚 石 球 墨铸铁作为一种优 良的结构材料 ， 已经 得到广泛应用 。 目前 ， 球铁生产 中多用纯镁 或含镁合金为球化 剂 。 根据我 国资源特点 ， 从六十年代开始发展 了独具特色的稀土镁球墨 铸铁 。 虽然近年来 已有用稀土为球化剂作球铁的尝试 ， 但人 们对稀土 的球化能 力 仍 有 怀 疑 。 我 国稀土资源 十分丰富 ， 而镁产量 比 较少 。 现在我 国生产球铁所需用的镁仍需进 口 。 稀土球化剂如能广泛地应用于铸铁生产 ， 无疑在技术上和经济上都有重大意义 。 根据稀土 元素的物理化学特性 ， 在 同铁水作用时 ， 稀土 与铁水 中硫 、 氧的亲和力比镁和硫 、 氧的亲 和力大 ， 但稀土和铁水反应 的动力条件却比镁 差 。 因此 ， 稀土要广泛使用于铸铁生产 ， 必 须首先解决稀土的加入方 法问题 。 我 们认为喷射法是一 种较好的方法 。 喷射法是七 十年代 发展起来的一 项新兴冶金技术 ， 在短短的十年间 已获 飞速 发展 。 从一九七八年以来 ， 喷吹 技术 已开 始在我国的炼钢工业 中获得应 用 ， 但在铸造行业 中应 用甚少 ， 不过 ， 近年来已逐 渐引起 了我国铸造 工作者的关注 。 我 们从一 ‘ 、 一 年开始 进行此项研究 ， 三年来 已在学校 和工厂 的各种条件下进行 了大量实验 。 我们开展此项研 究的 目的在于 扩大喷吹技术和稀 土在铸铁 中的应用， 用稀土作球化剂为发展我 国稀 土 球墨铸铁系列作些工作 。 本文着重讨 论在实验室条件下 进行的喷吹稀土球铁的实验研究结果 。 实验及其装置 本实验用熔化设备是 十公斤和一 百公斤容量 的中频感应 炉 。 小型喷粉装置进行球化 处理 。 该系统主 要 由以下 四 部分组成 气源 、 控制 系统 、 喷粉罐 和喷枪部分 。 喷吹 处理 流 程如图 所示 。 试验用铁料为首钢炼钢生铁 ， 其化学成分列 一 几表一 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．01．020

15 13 12 10 D .:mn 12 8 图1喷吹处理流程图 1-N,气瓶 5一玻璃转子流量计 9一热电偶 13一流化床 2一粮止阀 6一铁水包 10一喷枪 14-喷粉罐 3一储气随 7一样杯 11一助喷器 15一压力表 4一电远传流鼠计 8一祖度记录仪 12-球阀 16一诚压器 表1 首铜PO8生铁化单成分 成 Si Mo P Cu % >4.0 0,38 0.44 0.03 0.033 0.025 十公斤铁水在炉内处理，一百公斤铁水在专用浇包内处理。铁水温度用微型铂佬一铂快速 热电偶测定，处理过程中用石英管保护的铂铑一铂热电偶配用XWT一664函数记录仪连续 测定铁水温度变化。在喷吹处理过程中，每隔一定的时间间隔取样，检查处理过程中铁水 的金相组织和成分变化，处理完后，浇三角试样进行炉前检查，并浇楔形试块作机械性能 及观察金相。实验所使用的球化剂粉料有：稀土硅铁合金、稀土钙镁合金、4·稀土硅铁镁 合金。粉粒粒度均小于30目，各种粉料的化学成分列于表2中： 表2 所用球化剂粉料化学成分 成 种 类 分(%) RE Mg Ca Si Ma Ti Fe RE一Ca-Mg 16,4 2.46 9,15 42.74 余量 4·RE-Mg 19.5 7.28 3.70 42.41 <6 1,40 21.20 RE-Si-Fe % 4.30 35,00 余量 实验结果和分析讨论 为考查喷吹稀土处理的球化效果，本实验使用了三种球化剂。在条件相似的情况下曾 进行过喷吹处理和冲入处理的对比实验，结果表明，对稀土类型球化剂，喷吹法比冲入法 优越，使用喷吹法处理可以获得良好的球化效果。从楔形试块上取样所得性能，铸态可达 到QT40一10或QT50一5的水平。实验条件、化学成分和组织性能如表3示。 46

」 ， 写霉 亚 口 生 卜份竹惬‘ 上 上 生月 谬 二 一 气瓶 一截止 阀 一储气罐 一电远 传流量 计 图 喷吹处理 流程图 一玻瑞转子 流最计 一热 电偶 一铁水包 一喷 枪 一样杯 一助喷器 一 温度记 录仪 一球阀 首 钥 生 铁 化 学 成 分 一流化床 一喷粉魄 一压力表 一 减压器 厂 声 。 。 。 。 。 十公斤铁水在炉内处理 ， 一 百公斤铁水在专用浇包内处理 。 铁水温度用微型铂 锗一铂快速 热 电偶测定 ， 处理 过程 中用石英管保护的铂锗一 铂热 电偶配用 一 函数记录仪连续 测定铁水温 度变化 。 在喷吹 处理 过程 中 ， 每隔一 定的时间间隔取样 ， 检查处理过程 中铁水 的金相组织和成分变化， 处理完后 ， 浇三 角试 样进行炉前检查 ， 并浇楔形试块作机械性能 及观察金相 。 实验所使用的球化 剂粉料有 稀土硅铁合金 、 稀土钙镁合金 、 ‘ 稀土硅铁镁 合金 。 粉粒粒度均小于 目 ， 各种粉料的化学成分列于表 中 、 衰 所用球化荆粉料化学成分 飞 成 分 ， 。 种 尖 ‘ 二 一 · … 一 … 一 一 一 一 一 一 。 。 。 。 。 。 。 。 …令仲 余 最 。 余 一口虎 一曰，叮一兮月 一弓‘行子，占， 实验结果和分析讨论 为考查喷吹稀土处理的球化效果 ， 本实验使用 了三种球化剂 。 在条件相似的情况下 曾 进行过喷吹处理 和冲入处理的对比实验 ， 结果表明 ， 对稀土类型球化剂 ， 喷吹法比 冲入法 优越 ， 使用喷吹法处理可 以获得 良好的球化效果 。 从楔形试块上取样所得性能 ， 铸态可 达 到 一 或 一 的水平 。 实验条件 、 化学成分 和组织性能如表 示

主要实验工艺、化学成分、组织、性能 处水 处理福 化 学成 处理方法 实验 度(C) 钟 化 剂 (%) 机械性能 铁量 石婴组织 备 次 种 加入量 (KE) 后 类 (%) Si RE残 06(Kg/mm") 8% B3 100 RgSiFe 1.290.055 2.5 0,158 团块G+少量 入 2.790.029 球状G 未作 未作 C4 10 REMg 1,0 1.650.056 .041 球状G+小胡 36.74 断在标外 2.000.009 块G 膜 A1 100 1540 RgMgCa 1.0 0,12 球状G 48,52 11.85 2.870.006 0.06 ■A2 100 :14501380 RgMgCa 2.0 0,11 球状石题+少 44,07 断在标外 2.810,006 量块状G A3100 1570 RESiFe 1.5 1.84l0.022 0.064 球状G+少量 41,41 8.90 2.340.015 辅虫状G A5 100 14101340 REMgCa 2.5 1.59 0.0780.15 均匀球状G 51.04 12.00 2.160.006 A6 10013501300 RESiFe 2.0 1.740.0960.049 均匀球状G 48.90 15.40 2,930.011 B4 100 1560 REMgCa 2,0 G球不很圆 61.09 9.70 2.400,004 量较少 RgSiFe 2.5 1.400.059 B5 100 0.25 球状G 46.33 断在标外 3.2510.004 41,09 B7 0.107 100 1490 RgSiFe 2.0 0,19 球状G+少量 2.340.005 团块G 未作 米作 1.140.106 B8 100 i1550 RgSiFe 2.0 0.37 球状G 55.26 3.700,002 61.09 断在标外 B9 100 1570 RgSiFe 0.019 1.5 1.17 0.138 球状G 57.67 6.10 2.86 0.003 58.20 8.00 1.890.029 B10 100 ,1550 RESiFe 1.0 0.088 球状G 62.03 6.20 2.570.008 57.75 RgSiFe 1,92 0.018 C2 10 1500 0.8 0.094 球状G和团条 47.17 5.80 2.40 0.041 状G各约50% 0.02 C3 10 1450.1370 RgSiFe 1.2 1.71 0.112 球状G+团块 49.90 5.40 2.40'0.001 状 REMgCa 1.41 0,116 D1 100 1280 3.5 0.127 球状G 56.22 16,28 2,75 0.006 54.76 15.48 D2 100 1330 REMgCa 3.5 1.500.127 0,132 球状G 55.25 16.65 3.100.006 o REMg 1,77 0.072 1.0 0.045 片状G 米作 米作 2.08 0.06 F2 10 RgSiFe 1,2 2,45 0.107 球状G+蛹虫 41.88 3.30 3,100.027 状 1.710,132 F3 10 REME 1,0 .045 片状G 未作 未作 2.110.121 注：未分析的C、】 M含量基木与原铁料成分相同。Si和S:列为 处理前 处理后 含Mg和Ca合金处厘的铁水含Mg≤0.005%，含Ca≤0.003% 47

襄 忿 主共实验工 艺 、 化攀成分 、 组织 、 性睡 肴 七誉 场 、 扭 拼 动 处 实 处 水 处理 温 球 化 剂 理 验 理 度 方 炉 铁鱼 法 次 前 种 类 钾舜异 冲 。 人 冲 人 。 喷 。 球状 吹 。 。 一 …荞蕊覆誉 · 少… 一 名 …蔺西三而 一 石万 一 。 蠕 里状肠 。 。 球状 十 少盆 。 一 蠕虫状 分 。 球状 。 。 亘西而而 球状 十 少皿 未 作 米 作 ， 。 团块 … 。 舀 一 一 。 。 ， 球状 。 尸 护 一 尸 。 ， ， 。 。 。 。 球状 十 团块 一 。 。 状 护 … 。 一 。 球伏 。 口 ， 。 ， 。 。 三…下… 竺 ‘ 。 。 。 球状 。 。 片状 ， 二 。 一 。 一 。 。 ， 球状 蠕 虫 。 一 状 。 一 。 。 ， 未 作 片状 未 作 。 。 卜 注 未分析的 、 含量荃本与 原 铁料成分相同 。 和 列为 含 和 。 合金处理 的铁水含 ‘ 。 ， 含 成。 处理 前 外 理 后 毯

一、喷吹处理的球化效果 为说明喷吹处理的球化效果，采用了稀土硅铁、稀土钙镁、稀土硅铁镁合金几种球化 剂来进行试验。实验结果表明使用喷吹法处理稀土硅铁合金和稀土钙镁合金都得到石墨球 园整的球显铸铁（图2） (A)稀土陆：合企球化剂 (B)稀土钙镁合金球化剂 图2喷吹法处理的球化效果 有的研究者曾使用硫0.06~0.086%的高硫铁水进行实验，考查稀土和镁的球化能力 〔1〕，我们也曾认为当原铁水含硫量小于0.01%时，使用稀土可以制得石是球圆整的球铁 〔2〕。但是，在我国现实生产条件下，要得到S京<0.01%的快水是困难的。ˉ在喷吹的条 表4 一次处理 原铁水含乾 球 化 剂 实验护次 石墨形态 铁水量(Kg) 段(S原%) 试样形式 Re加入(%) Rg残(%) B5 100 0,059 0.75 0.272 楔 形 球状G B10 100 0.029 0.30 0.088 楔形 球状G (a) (b) 图3不同含硫量原铁水的球化效果 48

一 、 喷吹处理 的球化效果 为说明喷吹处理的球化效果 ， 采用了稀土硅铁 、 稀土钙镁 、 稀土硅铁镁合金几种球化 荆来进行试验 。 实验结果表明使用喷吹 法处理稀土硅铁合金和稀土钙镁合金都得到石 墨球 四整 的球墨铸铁 图 尸 稀土 硅铁合金球化 剂 ’ 稀土 钙镁 合金球化荆 图 喷吹法处理的球化效果 有的研究者曾使用含硫 的高硫铁水进行实验 ， 考查稀土和镁的球化能力 〔 〕 ，我们也曾认为当原铁水含硫量小于 。 时 ， 使用稀土可 以制得石 墨球圆整的球铁 〔 〕 。 但是 ， 在我 国现实生产条件下 ， 要得到 原 。 。 的铁水是 困难的扩在喷吹 的条 斑 。 。 护 次 ， 二生性严 一月洲型型煞 一 原铁水“ “ 一壁 一 一 一 典 一 塑 尹‘ 原 ， 加 ‘ ， 破‘ ， 试 样 形 式 石 里 形 态 形 一楔 立 ， 。 。 。 。 。 球 状 薄 状 图 不同含硫量原铁水的球化效果

作下，能否用高硫(S原=0.05~0.10%)铁水来制备球铁呢？我们用不同含疏量的铁水 作了试验，其试验条件列于表4。实验结果球化良好（图3）。 从图3可以看出，在喷吹条件下，用稀土球化剂处理高硫和低硫铁水都可以得到石曼 圆整的球墨铸铁。另外，当原铁水含硫量比较低时，喷吹处理加入较少的稀土球化剂即可 保证球化。如B10炉试验，加入稀土硅铁合金1,0%(R加入量0.3%)，就能获得较好的 球化效果。为进一步说明喷吹法的处理效果，我们将含硫量相同的铁水，分别用喷吹法和 冲入法处理，得到了不同的球化效果，实验条件如表五示，结果见图4 喪5 球化处 实 验 一次处 铁水含硫量(%) 球化剂《%) 在图4 理铁水 试样形式 石量形态 理方法 炉 次 量(Kg) S原 S残 RE加人RE残 中代号 冲人法 B3 100 0.055 0.009 0.75 0.154 连线样 团块G加少量 球状G A 喷吹法 B5 100 0.059 0,004 0.75 0.272 连媒样 全为球状G (a)(冲人) (6》(喷吹) 图4不同处理方法球化效果对比 从表5和图4可以看出，在实验条件基本相同的条件下，喷吹法处理得到石墨圆整的球 铁，而神入法处理结果球化不良，只能得到团块状石墨，就是说使用稀土作球化剂，喷吹 处理法比冲入处理法的球化效果好。从上面的分析，说明在球化处理过程中，劲力学因素 对球化起着决定性作用。球化处理一般都是在较短的时闻内完成的，反应不可能达到平 衡。其反应的进行程度主要取决于反应的动力学条件。球化处理过程中的治金反应多是多 相反应（即界面反应），其反应速度与反应物的比表面积有关。根据非克第一定律，反应 过稷中单位时间通过界面积为S的物质通量J为： J=-SK (C-CB) (1) 式中： S一反应界面积， K一传质系数， C。、C。一分别为实际浓度和平衡浓度。再根据物质平衡原理，反应过程中单位 时间经过反应界面的物质通量J为： J =V dCe dt (2) 49

件下 ， 能否用高硫 原 铁水来制备球铁呢 我们用不 同含硫虽的 铁 水 作了试验 ， 其试验 条件列于表 。 实验结果球化 良好 图 。 从 图 可 以看 出 ， 在喷吹条件下 ， 用稀土球化剂处理 高硫和低硫铁水都可 以得到石易 圆整 的球墨铸铁 。 另外 ， 当原铁水含硫量 比较低时 ， 喷吹处理加入较少的稀土球化剂即可 保证球化 。 如 炉试验 ， 加入稀土硅铁合金 。 加入量 。 ， 就能获得较好的 球化效果 。 为进一步说明喷吹法的处理效果 ， 我们将含硫量相同的铁水 ， 分别用喷吹法和 冲入法处理 ， 得到了不 同的球化效果 ， 实验条件如表五示 ， 结果见 图 、 球化处 实 验 一次处 铁水含硫盘 球 化 剂 试 样 形 式 石 形 态 在田 理方法 炉 次 理铁水 中代号 原 残 加人 残 冲人法 。 。 。 。 连 续 样 团块 加少 人 喷吹 法 。 。 。 。 连 续 样 球伏 全为球状 翼 冲人 喷吹 图 不同处理方法球化效果对比 从 表 和 图 可 以看出 ， 在实验条件基本相 同的条件下 ， 喷吹法处理得到石且圆整的球 铁 ， 而 冲入 法处理结果球化不 良 ， 只 能得到团块状石 墨 ， 就是说使用稀土作球化荆 ， 喷吹 处理法 比 冲入处理法的球化效果好 。 从上面 的分析 ， 说 明在球化处理过程中 ， 动力学因素 对球化起着决定性作用 。 球化处理一 般都是在较短的时间内完成的 ， 反应不可 能 达 到 平 衡 。 其反应 的进 行程度 主要取决于反应 的动力学条件 。 球化处理过程 中的冶金反应多是多 相反应 即界面反应 ， 其反应速度与反应物的比表面 积 有关 。 根据菲克第一 定律 ， 反应 过程中单位时间通过界面积为 的物质通量 为 一 二 一 。 式 中 一反应 界面积， 一传质系数， 二 、 一分别为实际浓度 和平衡浓度 。 再根据物质平衡原理 ， 反应 过程 中单位 时间经过反应 界面 的物质通量 为 、 ， － 二 礼 一