稀土球化剂的喷射冶金特性

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1989.01.004 第11卷第1期 北京科技大学学报 Vol.11 No.1 1989年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan 1989 稀土球化剂的喷射冶金特性 李小平·张联芳 (上教研室) 橘要：比较了钱和稀七的球化能力及效米。当稀士残留量与镁残留蟹之比为3：1时， 两种球化剂的球化能力相等。原铁水成份为C≥0”。，C·E≥5，稀土处理后，铁水中 S≤0.01%，RE≥0,1%时，山门倾向与镁处理钻果没有差捌。 在】00kg铁水包内进行稀上喷射治金的钻果表明，稀上处理脱能速度快，效半高，脱能 限度接近热力学平衡常数。所得侠水中终硫含量都在0,016以下，有利于获得良好的球化效 果。将硅铁粉与稀上混合喷人可使税硫、球化和育3个过程一次完成，这也是传统方法不 具备的特点。 关键词：稀上，石经球化铸铁，喷粉治金 Injecting Metallurgical Properties of Rare Earth Nodualizers Li Xiaoping Zhang Lianfang ABSTRACT:The nodualizatiou effect of cast iron treated by rare earth alloys was compared with ones treated by magnesium alloys.As the ratio of residual rare carth content to residual Mg in cast iron is 3:1,the same nodu- alization effect will be obtained.A proper composition for rare earth sphe- ro idual graphite cast iron is as C>4.0%,E.C≥5.0%，S<0.016,RE≥0.l%, and there is no defference in chilling tendency between RE-SG aad M3-SG.By means of injecting rare earth powder,the speed of reaction of desulphurization is higher,and the limit of desulphurization is close to the thermodynamic equilibrium.If the amount of RE to be added into liquid iron is properly controlled,desulphurizati,aoualization and inoculation can be finished at a time 1587-0d-0」收杭 ·现在河北机电学洗〔静 16

第 卷第 期 一， 年 月 北 京 科 技 大 、 ， 学 学 报 手 护产 稀土球化剂的喷射冶金特性 李小平 ， 张联芳 铸 上教研 室 摘要 比 较 ’ 镁 和 稀 的球 化 能 力及 效 果 。 当稀 残 留 量 与镁 残 留 级之 比 为 时 ， 两 种球 化 剂的 球 化 能 力 相 等 。 原 铁水 成 份 为 全 ‘ 。 ， · 写 ， 稀 土 处 理 后 ， 铁 水 中 。 ， 。 时 ， 自 口 倾向 与钱 处理 结 果没 有差 别 。 在 铁 水包 内进 行稀土 喷射冶 金的结果 表明 ， 稀 卜处 理 脱 硫 速 度快 ， 效 率 高 ， 脱 硫 限 度接近 热 力学 平衡常 数 。 所得 铁水 中终 硫 含呈 都在。 以 下 ， 有 利 于获得 良好 的球化 效 果 。 将硅 铁扮 与稀 上混 合喷 人 可使 脱硫 、 球 化 和 华 育 个 过 程 一 次 完 成 ， 这 也址 传统 方法 下 其 备的特 点 。 关趁 词 稀上 ， 石 墨 球 化铸 铁 ， 喷 粉 冶金 才 尸洲 夕 ，夕 ， 、 一 门 。 、 ， · ， 几 ， ‘ · 。 。 一 一 ， · ， ， 纬 ， 、 一 互 一 · 、 ， 、 ， 、 ， 。 一 峨 一。 ， 一 ， ， 一 · 色 。 ， 。 ， · 一 ， 。 ‘ 」 。 ， 一 一 ， 琦父稿 现 在河北 机电 学 院 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1989．01．004

KEY WORDS:rare earth,spheroidual graphite cast iron,injecting powder metallurgy 用稀土合金冲入法处理冲天炉铁水（硫高而温度低），往往出现下述弊病： (1)难以得到形状圆整的石墨，似乎稀土合金球化能力不如镁。 (2)白口倾向强，在薄壁铸件组织中易出现共品渗碳体。 (3)铁水碳低硫高时，稀土加入量少则球化不良，多则白口倾向大，似乎容许的稀土我 量范围太窄，难以实际控制。 (4)稀土耗量大，收得率低。 按热力学分析，稀土的脱硫脱氧能力都优于镁，只是因镁沸点低，气化后搅拌铁水，改 善了反应动力学条件，这一点比稀土优越。为改善稀土反应动力学条件，本文利用喷粉方法 进行人工强化，探讨稀土在这种条件下的冶金特点。 1实验条件 试验用生铁成份为(%)：C-4.0~4.3,Si-0.38~1.0,Mn-0.2~0.4,P-0.03~0.06, S-0.008~0.03.铁水中Si,S用75FeSi和FeS进行调整。所用球化剂及成份见表1。 表1球化剂及成份% Table 1 Nodualizers and composition, 合 华 RE Ca Mg Si Ti Fe RE-Si-Fe 29.0 4.0 35.0 <.5 东 RE-Ca-Mg 14.0 9.15 2.45 12.7 1.5 学 纪合金 33.0 5.0 30.0 一 余 铁水在100kg感应炉中熔化。球化处理分别采用冲人法和喷射法。机械性能试样为25mm 标准楔形试样(IS0-1083)。 2实验结果及讨论 2,1稀土元繁的白口倾向 根据楔形试样上的渗碳体数量估计球化剂的白口倾向（见表2）。对于含碳量较低的共 晶成份铁水，稀土的白口倾向都大于镁，以渗碳体量为标准，约为8~10倍1。含碳量低 时，即便大幅度提高孕育硅量也难以消除渗碳体。图1是含碳量提高到4.0%以上，用激冷 法测定的白口倾向。由图可见，适于稀土处理的铁水含碳量比镁高。图1中RE:Mg=3.5:1 满足这一条件。两种球化剂处理的球铁组织，性能及白口倾向没有差别，可以认为它们的球 化能力是相同，只是因稀土原子量较大使残留量高于镁。 17

功 ， ， 用 稀土 合金 冲入法处 理 冲天炉铁水 硫 高而温度低 ， 往往 出现下述弊病 难以得 到形状圆 整的石墨 ， 似乎稀土 合金球化 能力不如 镁 。 白 口 倾 向强 ， 在 薄壁 铸件组 织 中易 出现共 晶渗 碳体 。 铁 水碳 低硫 高时 ， 稀土加 入量 少 则球化不 良 ， 多则 白 口 倾向 大 ， 似乎容许的稀土浅 量范围 太窄 ， 难以实 际控制 。 稀土耗量大 ， 收得率 低 。 按热 力学分 析 ， 稀土的脱硫脱氧能 力都优 于镁 ， 只 是因镁 沸点 低 ， 气化后搅拌铁水 ， 改 善了反应动力学 条件 ， 这一点 比稀土优 越 。 为 改善 稀土 反应动 力学 条 件 ， 本文利 用喷粉方 法 进行人工强化 ， 探讨 稀土在这 种条件下 的 冶金 特点 。 实验条件 试验 用生铁 成份为 一 一 ， 一 ， 入哎 一 一 。 。 ， 一 。 ， 一 一 。 铁 水 中 ， 用 和 进行调 整 。 所 用 球化 剂 及成份见 表 。 窦 球化剂及成份 ， 二、 、 合 金 ， 一 一 余︸乓 一 一 忆 合 金 工 。 戈 。 铁 水在 感 应炉 中熔化 。 球化 处 理 分 别采 用冲人法 和喷射法 。 机械 性能 试样 为 标准楔 形 试样 一 。 实 验结果 及 讨 论 。 稀 土 元 案 的 白口 倾向 根 据 楔形 试样上 的渗 碳体数 量估 计球化剂 的 白 口 倾 向 见 表 。 对 于 含碳 量 较 低 的共 晶 成份铁 水 ， 稀土 的 白口 倾 向都大于 镁 ， 以渗碳体 量 为标 淮 ， 约 为 一 倍 “ 」。 含 碳 量低 时 ， 即 便大幅度提高孕育硅量也 难以消除渗碳体 。 图 是 含碳 量 提 高到 以上 ， 用 激 冷 法 测定 的 白 口 倾 向 。 由图 可 见 ， 适于 稀上处 理 的铁 水 含碳 量 比 镁 高 。 图 中 ‘ ， 满 足这一条件 。 两种球化剂 处理的球铁 组织 ， 性能及 白 口 倾 向没 有 差 别 ， 可以认 为它 们 的球 化 能力是相同 ， 只是 因稀土原子 量较大使残 留量 高于镁

表2球化剂的白口倾向 Table 2 Chilling tendeney of nodualizers 份，·。 球化剂 渗碳体量，6 Si C.E PE(Mg) 。。 014 3.64 2.28 4.40 0.154 17.61 015 包介金 3.52 2,31 4.30 0.156 22.20 016 3.60 2,31 4.37 0.170 25.83 I21 3.64 2.37 4,43 0.209 29,7 122 韩合金 3.57 2,31 4.3 0.196 31,80 123 3.57 2.43 4.33 0.184 24.95 215 镁 3.G0 2,3 4,38 0.036 2.74 15 ◆Magnesium alloy- o Cerium alloy 10 4.2 3.8 3.4 C.E=4.3% 5 10 15 2ù 3.0 Distance from chilling 1.52.02.53.03.54.0 end mm Si 图1球化利的白口倾向 附兰伦上和试的碳硅范似 Fig.I Chilling tendency of Fig.2 Range of C and Si content for nodualizers RE and Mg 图2概括了适合镁和稀土的碳硅含量，表明两种球化剂对铁水成份的要求主要是碳含 量。就25mm试样而言，适合镁的铁水具有共晶成份，碳含量为3,4~3.8%，适合稀土的是 碳含量为4.0~4.2%的过共晶成份。 2.2铁水含硫量不同时稀土的球化行为 当铁水中含硫较高时，稀土的加入方法将决定了球化效果。表3是两种球化剂处理后 球铁的组织1性能。表4是冲入法和喷粉法脱硫效果的比软。 表了稀土和镁处理的球铁的组织和性能 Table 3 Microstructure mechanical properties of spheroidual graphite cast iron (RE:Mg=3,5:1) 编号 球化剂 S,N/mm2 b,N/mm2 d,% ak,N/cm2 116 RE 0.74 22.3 167 448.3 21,9 118.7 29 Mg 0.67 25.6 85 446.4 22.1 98.1 花，sF一形状因子，D一石餐球径，“m,5N一石最球数景 18

窦 球化 剂 的 白口 倾向 ‘ ’ 一 少 。。 ’ ，一 。 、‘ 一 一 一 － 一 戊 份 ， 编 弓 球 化 币 渗 碳 本最 ， “ 百 忆 合 金 。 ， 。 ， 。 。 。 。 。 。 。 了 。 。 兮， 飞 钵 合金 。 。 。 。 。 。 连 。 连 。 。 。 飞 魂 。 。 。 马 产 镁 。 。 改 。 。 通只︸ … 口曰，，。 东 一 卜 。 “ ’ “ ‘ 一乙犷一 犷 入 叹 丫之尽 ， 〕 公帅 州伙 、 、 一 创叭 户 二 、 阅硬盯， · 、 ’ 一 二 、 ，、 一 ， 飞 官飞 ， 用 球 化剂的 白 口 倾 向 图 名 弓 夕。 卜 飞一。尸 稀 和 钱的 碳 硅 范旧 ‘川 足 ， ￡ 图 概括了适合镁和稀土 的碳硅 含量 ， 表 明两种球化剂 对 铁水成 份的要 求 主 要 是 碳 含 量 。 就 试样而言 ， 适合镁的铁水具有共晶成份 ， 碳 含 最为 一 ， 适 合稀土的是 碳 含 缺为 一 的过共晶成份 。 铁 水 含硫 不 同 时稀土 的球化行 为 “ 铁 水 中含硫 量较 高时 ， 稀土的加 人方 法将决 定 了球化 效果 。 表 是 两种球 化剂处 理 后 球 铁 的 纤 织 毛性能 。 丧 是 冲入法和喷 粉 法脱硫效果 的 比较 。 窦 稀土 和 镁处 理的球铁 的 组织 和性能 入下 万 ， “ ， ， ， ， 几 。 乞 。 。 。 。 注 ， 一 形 抉 因 子 ， 刀一 石里球 径 ， ， 夕，’ 一石 且球数录

表4喷射法与冲入法脫硫效果比较 Table 4 Comparison of desulphurization effccl by injection and normal ladle treatment 编号处理工艺 稀土加人 稀土残留 初始疏含 最终硫含 脱疏率 稀土吸收 稀土利用 量，% 量，% 量，% 量，% % 率，% 率，% 石最形状 E2 冲入法 0.29 0.080 0.035 0,011 68,5 27.5 64.0 球 E6 喷粉法 0,2) 0.077 0.035 0,008 77.1 26.6 67,5 球 B3 冲人法 0.72 0.154 0.055 0.009 83.6 21.3 37,3 块 B5 喷粉法 0.72 0,272 0.059 0.004 93,2 37,7 71.4 球 E12 冲入法 0.58 0.081 0.110 0.027 75,4 14,0 76.9 片 E5 喷粉法 0,58 0.100 0.096 0.008 91.7 17.2 84.0 球 铁水中硫含量高于0.05%时，喷射法具有明显的优势。最终硫含量低于0.01%，石墨形 态才比较圆整。这是稀土处理球化是否良好的重要判据。采用冲入法处理高硫铁水，导致稀 土耗量高，球化效果不佳，是受脱硫动力学条件限制，而喷射法强化了动力学过程克服了这 一缺点。不论铁水中含硫高低，除稀土耗量不同外，均可获得良好的球化效果。图3反映了 这种结果。基体组织的差别是由于硅含量不同所致。 10.5mm B10原始疏含量为0.029% D2系始硫含量为0.】27% 图3哦射稀土处理的球铁的显微组织 Fig.3 Microstructure of SG-iron treated with RE by injecting method 2.3喷粉处理的动力学过程 为研究喷粉过程中铁水的化学成份和球铁的金相组织的变化，任100kg铁水包下部（与 喷枪出口平齐处)开了个取样孔并进行连续取样。图4是B8炉次的成份与对应组织的变化。 试验过程是先喷NazC0,脱硫，再喷2.0%的稀土合金和2,0%的硅铁混合粉料。结果是：30s 时，RE-0.141%,Si-1.58%,稀土量高，硅量低，组织中有渗碳体。50s时，组织为全白口。 70s时，硅增至2.0%，共晶渗碳消失。90s后，硅增至3,0%以上，渗碳体完全消失，基体为 铁素体。喷粉结束时(105s),稀土残留量高达0.37%，石墨形态呈圆整细小。组织变化呈 “片-麻口-球”的类型。 图5是喷粉处理高硫铁水E5炉次的成份和组织的变化。处理前铁水含疏量为0.096%， 稀土加入量同B8炉次。由于硫高，喷粉前期稀土用于脱硫。此时，稀土残余量高(0074%) 疏也较高(0,08%)，石墨为片状，15s时，RE为0.064%，Si为2,74%，尽管稀土量未进一 步提高，硫则降至0.023%，组织为铁素体蠕墨铸铁。30s时，硫降至0.008%，稀土增至 0,108%,石墨完全球化。组织变化呈“片-蠕-球的类型。 19

表 喷射法与冲 入法脱硫效 果比较 ， 厂 编 号 处 理 工 艺 稀 土加 入 量 ， 稀 土 残 留 量 ， 初始硫 含 最终硫含 脱 硫率 稀 土吸 收 稀 土 利用 ， 率 ， 率 ， 量 邹 ， 石墨形状 冲入 法 ， 球 喷粉 法 〕 球 冲入 法 块 喷 粉 法 召 球 冲人 法 ‘ ， 片 喷粉 法 球 铁 水 中硫含量 高于 时 ， 喷射法 具有 明显 的优 势 。 最终 硫含量低于 。 ， 石墨形 态 才 比较圆整 。 这是 稀土处 理 球化是否 良好 的重 要判据 。 采 用 冲人法处 理 高硫铁水 ， 导致稀 土耗量 高 ， 球化效果不 佳 ， 是受脱 硫动 力学 条件 限制 ， 而 喷射法 强化 了动 力学过程克服了这 一 缺点 。 不论铁水 中含硫 高低 ， 除 稀土耗量 不 同外 ， 均 可获得 良好 的球化 效果 。 图 反映 了 这 种结果 。 基体组 织 的差 别是 由于 硅 含量 不 同所 致 。 矍翼醛 原 始硫 含量为 。 不 始 硫 含量 为 。 ， 了 图 喷 射稀土 处理 的 球 铁 的 显 微 组 织 一 三 。 喷 粉处 理的动力 学过程 为研究喷粉 过程 中铁 水的化学 成份和 球铁 的金相 组织 的变化 ， 在 铁 水 包下部 与 喷枪 出 口 平 齐处 开 了个取样 孔 并进行 连 续取 样 。 图 是 炉 次 的成 份 与对 应 组织 的变 化 。 试验 过程 是先 喷 脱硫 ， 再 喷 的 稀土 合金 和 的硅 铁混 合粉 料 。 结 果是 时 ， 一 ， 一 ， 稀 土量 高 ， 硅 量低 ， 组织 中有渗碳体 。 时 ， 组织 为全 白 口 。 时 ， 硅 增 至 ， 共晶渗 碳 消失 。 后 ， 硅增 至 以上 ， 渗碳 体完全 消失 ， 基体为 铁素体 。 喷粉结 束时 ， 稀 土残 留量 高达 ， 石 墨 形 态呈 圆整 细小 。 组织变化 呈 “ 片 一 麻 口 一 球 ” 的类型 。 图 是喷粉处理 高硫铁水 炉 次的成份和 组织 的变化 。 处理前铁 水 含硫量 为 ， 稀 土加 入量 同 炉次 。 由于硫 高 ， 喷粉前期 稀 土 用于 脱硫 。 此 时 ， 稀土残 余 量 高 ’ 硫也较 高 ， 石墨 为片状 ， 时 ， 为 ， 为 ， 尽管稀 上 量未进一 步 提高 ， 硫则降至 ， 组织 为铁素体蠕墨铸铁 。 时 ， 硫 降 至 ， 稀 土 增 至 。 ， 石墨完全球化 。 组织变化呈 “ 片一 蠕 一球 的类型

4.0T ◆一51% 3.2 一RE% 盈 0一5% 2.40.3 r0.0u9 月1.20.06 u.80.130.003 0.0l0.00l0.000 20 80 100 图4B8炉次的成份和结构随时间的变化 Fig.4 Change of composition and microstructure with time injecting time(s):a)30,(b)70,(c)90,No.B8 Q一RE% ●一Si% 0.10 。S% 3.0f 0.05 2.0 1.0 0.0L0.00 0 10 20 30 40 t,s 0.1mm mm 图5E5泸次的成份和转构陆时间，的变化 Fig.5 Change of composition and microstructure with time injecting time (s):(a)15,(b)25,(c)30.No,E5 20

表 喷射法与冲 入法脱硫效 果比较 ， 厂 编 号 处 理 工 艺 稀 土加 入 量 ， 稀 土 残 留 量 ， 初始硫 含 最终硫含 脱 硫率 稀 土吸 收 稀 土 利用 ， 率 ， 率 ， 量 邹 ， 石墨形状 冲入 法 ， 球 喷粉 法 〕 球 冲入 法 块 喷 粉 法 召 球 冲人 法 ‘ ， 片 喷粉 法 球 铁 水 中硫含量 高于 时 ， 喷射法 具有 明显 的优 势 。 最终 硫含量低于 。 ， 石墨形 态 才 比较圆整 。 这是 稀土处 理 球化是否 良好 的重 要判据 。 采 用 冲人法处 理 高硫铁水 ， 导致稀 土耗量 高 ， 球化效果不 佳 ， 是受脱 硫动 力学 条件 限制 ， 而 喷射法 强化 了动 力学过程克服了这 一 缺点 。 不论铁水 中含硫 高低 ， 除 稀土耗量 不 同外 ， 均 可获得 良好 的球化 效果 。 图 反映 了 这 种结果 。 基体组 织 的差 别是 由于 硅 含量 不 同所 致 。 矍翼醛 原 始硫 含量为 。 不 始 硫 含量 为 。 ， 了 图 喷 射稀土 处理 的 球 铁 的 显 微 组 织 一 三 。 喷 粉处 理的动力 学过程 为研究喷粉 过程 中铁 水的化学 成份和 球铁 的金相 组织 的变化 ， 在 铁 水 包下部 与 喷枪 出 口 平 齐处 开 了个取样 孔 并进行 连 续取 样 。 图 是 炉 次 的成 份 与对 应 组织 的变 化 。 试验 过程 是先 喷 脱硫 ， 再 喷 的 稀土 合金 和 的硅 铁混 合粉 料 。 结 果是 时 ， 一 ， 一 ， 稀 土量 高 ， 硅 量低 ， 组织 中有渗碳体 。 时 ， 组织 为全 白 口 。 时 ， 硅 增 至 ， 共晶渗 碳 消失 。 后 ， 硅增 至 以上 ， 渗碳 体完全 消失 ， 基体为 铁素体 。 喷粉结 束时 ， 稀 土残 留量 高达 ， 石 墨 形 态呈 圆整 细小 。 组织变化 呈 “ 片 一 麻 口 一 球 ” 的类型 。 图 是喷粉处理 高硫铁水 炉 次的成份和 组织 的变化 。 处理前铁 水 含硫量 为 ， 稀 土加 入量 同 炉次 。 由于硫 高 ， 喷粉前期 稀 土 用于 脱硫 。 此 时 ， 稀土残 余 量 高 ’ 硫也较 高 ， 石墨 为片状 ， 时 ， 为 ， 为 ， 尽管稀 上 量未进一 步 提高 ， 硫则降至 ， 组织 为铁素体蠕墨铸铁 。 时 ， 硫 降 至 ， 稀 土 增 至 。 ， 石墨完全球化 。 组织变化呈 “ 片一 蠕 一球 的类型