采用硅氧化预处理工艺生产球墨铸铁.pdf
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1、圆园24/2现代铸铁Nodular Iron收稿日期:2023-11-13修订日期:2024-03-25作者简介:陈树平(1954.8),男,天津人,工程师,主要从事灰铸铁、球墨铸铁的熔炼工艺研究工作。采用硅氧化预处理工艺生产球墨铸铁陈树平(天津晟汇技术咨询服务有限公司,天津300450)摘要:介绍了球墨铸铁的石墨形核,详细阐述了硅氧化预处理工艺,并与不采用硅氧化预处理工艺的传统球化孕育处理工艺生产的球墨铸铁组织、力学性能及生产成本进行对比分析,最后指出:利用 75SiFe 脱氧生成的氧化物(SiO2)作为球墨铸铁石墨球生长的过渡层,与球状石墨的生长有着良好的匹配度,为球状石墨的生长提供了充分
2、的条件,该工艺降低了生产成本,简化了操作过程,可稳定生产球化率逸90%的球墨铸铁。关键词:球墨铸铁;硅氧化;预处理工艺;石墨形核中图分类号:TG255文献标志码:B文章编号:员园园猿原愿猿源缘(圆园24)园2原园园01原05Produce Nodular Iron by Using Silicon Oxidation Pretreatment ProcessCHEN Shu-ping(Tianjin Shenghui Technology Consulting Service Co.,Ltd.,Tianjin300450,China)Abstract:The graphite nucleati
3、on of nodular iron was introduced.The silicon oxidation pretreatment process was explained indetail.The structure,mechanical properties and production cost of nodular iron produced by the traditional nodular inoculationprocess without silicon oxidation pretreatment were compared and analyzed.Finally
4、,it was pointed out that the oxide(SiO2)generated by deoxidation of 75SiFe was used as a transition layer for the growth of nodular iron graphite balls,which had agood match with the growth of spherical graphite and provided sufficient conditions for the growth of spherical graphite.Thisprocess redu
5、ced the production costs,simplified the operation process,and could stably produce nodular iron with a nodularityrate of 逸90%.Key words:nodular iron;silicon oxidation;pretreatment process;graphite nucleation目前,铸造行业广泛应用的孕育处理工艺,大都着眼于影响铸铁共晶转变时的石墨生核。而如何通过孕育处理工艺既能控制共晶转变,又能控制初生奥氏体的析出,这是一项值得认真研究的课题。铁液中加入细微
6、的粉状 琢-石英或 琢-方石英(其中主要成分为 SiO2),初生奥氏体枝晶都易于生核析出。石英通过反应可形成异质晶核的形核剂,形核剂中的元素能与液态金属中的某些元素反应生成较稳定的化合物,这些化合物与细化相具有界面共格对应关系,促进非均质形核。如把硅铁加入铁液中,瞬时间形成了很多富硅区,造成局部过共晶成分迫使石墨提前析出。而硅的脱氧产物二氧化硅与硅铁中的某些微量元素形成的化合物可作为石墨析出的有效衬底,促进非均质形核。球墨铸铁的处理方式不同于灰铸铁,析出石墨所依托的异质晶核也就不同于灰铸铁。经球化处理的铁液纯净度高,其中的硫、氧含量显著降低。从热力学能位的角度看来,一些元素的硫化物比氧化物稳定
7、,因而先形成 MgS、CaS 和 MnS等硫化物,作为晶核的核心。然后,在细微的硫化物上形成多种氧化物,这些氧化物又与 SiO2作用形成复合的硅酸盐外层,与石墨晶格的匹配度较好,这就是球状石墨析出的异质晶核。利用 75SiFe 脱氧生成的氧化物(SiO2)作为球墨铸铁石墨球生长的过渡层是一种新工艺,由硅酸盐和 SiO2作用形成的复合外层与球状石墨的生长有着良好的匹配度,在生产球墨铸铁的过1现代铸铁 圆园24/2球墨铸铁Nodular Iron程中更容易获得形态圆整的球状石墨。1球墨铸铁的石墨形核目前,很少有人对石墨晶核的产生提出明确的观点,研究人员经过多年的努力,在此领域取得了很大的进步。在试
8、验研究中,研究人员发现了球状石墨中有夹杂物的痕迹。如用扫描电镜和X 射线显微分析技术对球状石墨进行分析观察,发现在球状石墨中心有尺寸约为 1 滋m 的外来夹杂微粒,而且认为这些起晶核作用的微粒具有双层结构。在用镁硅铁合金进行球化处理和用硅铁进行孕育处理的球墨铸铁中,晶核的最中心部分由钙和镁的硫化物组成,其尺寸约为 0.05 滋m,晶核的外围层则由 Mg、Al、Si、Ti 的氧化物构成;在硫化物质点和外层氧化物之间,以及外层氧化物和在其上生长的石墨之间,均发现了一定的晶向对应关系。由此认为,Mg、Ca 等元素在球状石墨晶核形成过程中的作用是通过组成这些元素的硫化物来去除熔体中自由态的硫,这些硫化
9、物的微粒构成球状石墨最中心部分1。在 9 000 倍电子显微镜观察下,可以进一步显示球状石墨的微观结构(如图 1 所示)。球状石墨内部呈现年轮状的结构,其内部有一核心,除了离开中心部分一段极微小距离以外,碳原子开始形成年轮状堆积。图 2 为球状石墨结构模型,从核心开始,石墨呈放射状发展,每个放射角皆由垂直于球的径向、互相平行的石墨基面即(0001)面堆积而成,构成一个单晶粒,所有的 c 轴0001均呈径向放射状排列,石墨球就是由许多这样的多面锥体状的石墨晶粒组成。在电子显微镜下,完全显示出了球状石墨的立体外貌,可以清楚地看出石墨球表面是不光滑的,而且带有许多大小不同的泡状物(如图 3 所示)。
10、为了能够稳定生产球化率逸90%的球墨铸铁,还需控制初生奥氏体枝晶的生成量。在工业生产的条件下,球墨铸铁的凝固是在非平衡条件下进行的,在共晶转变之前已有初生奥氏体枝晶的析出。初生奥氏体枝晶的数量和枝晶间距对球墨铸铁中的石墨形态、尺寸和分布状况都有重要的影响。枝晶间距大,枝晶间就有大的石墨球;枝晶间距小,就只能产生小的石墨球,因为一部分石墨球是在枝晶间的铁液中析出的。图 4 为 G.Rivera 等人提出一个新的凝固模型,在模型中每个凝固单元为有枝晶结构和许多石墨球的一个共晶奥氏体晶粒。大连理工大学的周继扬教授认为:有一个石墨球和奥氏体组成的共晶晶粒,也有包围几个石(a)100 倍下 5 级球状石
11、墨结构(b)500 倍下球状石墨结构(c)100 倍下 6 级球状石墨结构(d)9 000 倍下球状石墨结构图 1球状石墨的微观结构Fig.1Microstructure of spherical graphite2圆园24/2现代铸铁Nodular Iron墨球的奥氏体晶粒,更多的是共晶石墨球的外围有多个奥氏体晶粒生核、长大(如图 5 所示),最后形成包围石墨球的“晕圈”的情况(如图 6 所示)。2试验对比2.1试验方案采用 3 t 中频电炉熔炼铁液,炉料配比为 15%生铁+30%回炉料+55%废钢,在原铁液的化学成分基本相同的情况下,采取两种方案进行试制:方案一采用常规球化及孕育处理工艺,
12、方案二在常规球化及孕育处理工艺的基础上,添加硅氧化预处理工艺,具体工艺如下:在出铁前,在凹坑最下层加入稀土镁球化剂,加入量 1.05%,在凹坑次下层一处放置 TSOF 预处理剂,加入量 0.05%,在凹坑次下层二处放置覆盖剂,加入量 1.2%,上表面加入 75SiFe 进行孕育处理,加入量 0.6%,出铁时加入 0.2%的 75SiFe 进行随流孕育,瞬时孕图 2球状石墨结构模型Fig.2Structural model of spherical graphite(a)(b)(0001)(0001)0001图 3球状石墨的立体外貌1 500伊Fig.3Three-dimensional app
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