未永斌，靳 杰，劉俊鋒，耿國(guó)鋒

(1.新興河北工程技術(shù)有限公司，河北邯鄲 056107； 2.高強(qiáng)高塑性超長(zhǎng)服役球墨鑄鐵管工程研究中心(籌)，河北邯鄲 056107；3.河北省球墨鑄鐵管制造業(yè)創(chuàng)新中心(籌)，河北邯鄲 056107；4.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；5.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018)

球墨鑄鐵以優(yōu)異的性能、低廉的價(jià)格在鑄鐵件領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近幾十年來(lái)，隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善，球墨鑄鐵的產(chǎn)量得到穩(wěn)步提升。球化工藝是球墨鑄鐵生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功研究出多種球化工藝，具有代表性的有沖入法[1-2]、蓋包法[3-4]、壓力加鎂法[5-6]、喂絲法[7-8]、GF轉(zhuǎn)包法[9-10]。噴吹球化工藝[11]兼顧了喂絲法和GF轉(zhuǎn)包法的優(yōu)點(diǎn)：和GF轉(zhuǎn)包法一樣可適當(dāng)放寬對(duì)原鐵液含硫量的限制，和喂絲法一樣易于實(shí)現(xiàn)球化處理過(guò)程的自動(dòng)化、智能化。除此之外，噴吹球化工藝所需設(shè)備簡(jiǎn)單、易維護(hù)，能靈活適應(yīng)不同的生產(chǎn)節(jié)奏。

目前，噴吹球化工藝主要在球墨鑄鐵管行業(yè)的個(gè)別大型企業(yè)中得到應(yīng)用。從已有文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，安志平等[12]、金建軍等[13]對(duì)噴吹球化工藝的研究多停留在對(duì)球化設(shè)備的優(yōu)化，通過(guò)改進(jìn)設(shè)備精度、穩(wěn)定性達(dá)到提高球化效率的目的，對(duì)金屬型離心鑄造工藝條件下殘硫和殘鎂量對(duì)球化效果的影響并沒(méi)有作深入分析。在球化劑吸收率方面，文獻(xiàn)中對(duì)鐵液溫度和液面高度的研究也只是依據(jù)自身工藝條件得出相應(yīng)結(jié)論，并沒(méi)有深入分析原因。如，文獻(xiàn)[14—16]對(duì)球化劑吸收率的研究沒(méi)有給出實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備和吸收率的計(jì)算公式，也沒(méi)有結(jié)合理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。因此，鐵液溫度、球化深度與球化劑吸收率之間的普遍關(guān)系也不明確。

本文將在球墨鑄鐵管實(shí)際生產(chǎn)條件下對(duì)噴吹球化工藝的應(yīng)用效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，在保證球化效果的前提下，對(duì)影響球化劑鎂吸收率的主要參數(shù)——球化溫度和球化深度進(jìn)行研究并優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)條件及方法

實(shí)驗(yàn)所用球鐵的主要成分是應(yīng)用廣泛的QT400級(jí)別球墨鑄鐵的一般球化前成分，如表1所示。鐵液制備采用高爐+無(wú)芯感應(yīng)電爐雙聯(lián)的熔煉方式，高爐鐵液經(jīng)無(wú)芯感應(yīng)電爐調(diào)質(zhì)升溫后用球化包轉(zhuǎn)運(yùn)至球化工位進(jìn)行噴吹球化。在高爐鐵液進(jìn)入電爐前、電爐調(diào)質(zhì)處理、噴吹球化處理后都需要對(duì)鐵液進(jìn)行取樣，然后采用GS1000-Ⅱ型火花光譜儀對(duì)鐵樣進(jìn)行成分分析。電爐升溫過(guò)程中采用鉑銠熱電偶測(cè)量鐵液溫度，達(dá)到所需溫度后，將電爐中鐵液倒入球化包中，運(yùn)送到噴吹球化工位進(jìn)行球化處理。球化劑的使用量隨球化前鐵液成分、溫度、出鐵量等參數(shù)的變化而變化。

表1 球化前鐵液主要成分

圖1所示為噴吹球化工藝示意圖。鈍化鎂球化劑被高壓氮?dú)鈬姶颠M(jìn)入球化包內(nèi)，球化包為內(nèi)直徑1.25 m、高度2.25 m的空心圓柱體。在電爐向球化包出鐵的過(guò)程中，球化包底部有電子秤，實(shí)時(shí)顯示球化包中鐵液的質(zhì)量，通過(guò)調(diào)整鐵液質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵液液面高度調(diào)整。球化后的鐵液被轉(zhuǎn)運(yùn)至水冷金屬型離心澆注機(jī)工位，澆注成DN1200球墨鑄鐵管，在球墨鑄鐵管插口端得到金相試樣。金相試樣經(jīng)拋光并腐蝕后，在蔡司光學(xué)金相顯微鏡下放大100倍進(jìn)行觀察并拍照。

圖1 噴吹法球化工藝示意圖Fig.1 Schematic of spray spheroidization process

硫元素對(duì)球化效果影響顯著，一種球化工藝必須保證球化后鐵液硫含量的穩(wěn)定性。因此，研究球化前后鐵液硫元素的變化及殘鎂量與殘硫量對(duì)金屬型離心鑄造球化效果的影響，對(duì)球墨鑄鐵生產(chǎn)有重要的借鑒意義。在此基礎(chǔ)上，對(duì)球化時(shí)鐵液溫度和液面高度對(duì)球化劑吸收率的影響及原理進(jìn)行分析并優(yōu)化，能夠降低噴吹球化工藝的成本?；诖怂悸罚疚墓苍O(shè)計(jì)3組實(shí)驗(yàn)：第1組實(shí)驗(yàn)在1 460 ℃條件下進(jìn)行且不改變其他實(shí)驗(yàn)條件，研究噴吹球化工藝的應(yīng)用效果；第2組實(shí)驗(yàn)在1 460～1 528 ℃改變球化鐵液溫度，研究球化溫度對(duì)鎂吸收率的影響；第3組實(shí)驗(yàn)在1.12～1.41 m改變球化深度(鐵液液面高度)，研究鐵液液面高度對(duì)鎂吸收率的影響。

2 結(jié)果及討論

2.1 噴吹球化工藝球化效果

噴吹球化工藝是以惰性氣體為載體，將在料倉(cāng)中的鈍化鎂粒通過(guò)噴槍直接噴入球化包的底部，鈍化鎂粒在球化包底部完成受熱、熔化、汽化過(guò)程，先噴入的鎂粒對(duì)鐵液脫硫、脫氧，繼續(xù)噴吹的鎂粒則起到使石墨球化的目的[16]，如圖1所示。鎂在鐵液中先后與反球化元素氧、硫進(jìn)行反應(yīng)生成相應(yīng)的氧化物、硫化物，從而消除氧和硫的反球化作用，促進(jìn)石墨球化。經(jīng)鎂處理后的鐵液含氧量完全滿足球墨鑄鐵生產(chǎn)的要求[17]。在鎂開始溶解成鐵液之前，就完成了脫氧的全過(guò)程，并開始部分脫硫反應(yīng)[18]。因此，保證球化效果的指標(biāo)常用光譜分析所得的殘鎂量和殘硫量來(lái)控制。表2所示為隨機(jī)選取的部分爐次球化前后鐵液中鎂和硫的含量，與表2數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的球化前后反球化元素硫含量對(duì)比曲線圖如圖2所示。

表2 1 460 ℃鐵液中鎂和硫含量

圖2 鐵液硫含量變化Fig.2 Change of liquid iron S content

由表2和圖2可見(jiàn)，噴吹球化之前，硫含量平均值約為0.022%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，噴吹球化后硫含量平均值約為0.005%。圖2中球化前硫含量顯著波動(dòng)是因受到高爐鐵水預(yù)脫硫工藝的影響，雖然波動(dòng)相對(duì)顯著，但仍能保證球化后殘余硫含量符合要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)原始硫含量波動(dòng)較大時(shí)，通過(guò)及時(shí)檢測(cè)鐵液成分并調(diào)整球化劑用量，噴吹球化工藝可以將鐵液中的含硫量較穩(wěn)定地控制在0.01%以下。

鎂在鐵液中脫硫反應(yīng)有2個(gè)途徑：一是鎂氣泡直接參與脫硫過(guò)程；二是鎂先溶解到鐵液中，溶解鎂再與硫反應(yīng)，從而完成脫硫過(guò)程[18]；SUN等[19]研究發(fā)現(xiàn)，噴吹前、中期鎂氣泡脫硫占主導(dǎo)，后期主要是溶解鎂脫硫。IRONS等[20-21]認(rèn)為，脫硫反應(yīng)在鐵液中夾雜物的表面進(jìn)行，而不是在鎂氣泡的表面，并認(rèn)為溶解鎂的傳質(zhì)是控速環(huán)節(jié)。在一定溫度下，鐵液中溶解鎂和溶解硫的濃度積為定值[22]：

(1)

式中：[%Mg]為鐵液中溶解鎂含量；[%S]為鐵液中溶解硫含量；T為鐵液溫度。

由式(1)計(jì)算可知，當(dāng)鐵液溫度為1 460 ℃時(shí)，[%Mg][%S]=1.74×10-5。

1 460 ℃時(shí)[%Mg][%S]的平衡關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 1 460 ℃時(shí)[%Mg][%S]的平衡關(guān)系Fig.3 Equilibrium relationship of [%Mg][%S] at 1 460 ℃

由圖3 a)可知，由式(1)計(jì)算的鐵液中溶解鎂含量和溶解硫含量的理論關(guān)系與實(shí)驗(yàn)實(shí)際值對(duì)比有一定偏差。不同研究者得到的[%Mg][%S]實(shí)驗(yàn)值不盡相同，但多數(shù)研究者認(rèn)為，其實(shí)際值的數(shù)量級(jí)在10-4，這比理論計(jì)算的[%Mg][%S]平衡值高很多，對(duì)這一現(xiàn)象的解釋是鎂與硫活度相互間的負(fù)作用很強(qiáng)[6]。依據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)溫度1 460 ℃下球化后平均殘余鎂含量和硫含量的濃度積為[%Mg][%S]=2.98×10-4，如圖3 b)中的曲線所示，結(jié)果符合文獻(xiàn)中所述的10-4濃度積范圍。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，分析文獻(xiàn)出現(xiàn)不同濃度積數(shù)值的可能原因是：理論上濃度積中各種元素的含量應(yīng)是溶解態(tài)元素的含量而不是化合態(tài)元素的含量，而實(shí)際上，鎂和硫含量由不同實(shí)驗(yàn)者使用不同的儀器進(jìn)行檢測(cè)，再加上不同的球化動(dòng)力學(xué)條件，使得所測(cè)得的殘余鎂含量和硫含量不盡相同。在生產(chǎn)實(shí)踐中，更有意義的做法是各工廠應(yīng)基于各自的硬件條件開發(fā)有指導(dǎo)意義的元素含量預(yù)測(cè)方法。

雖然鎂的作用是清除氧硫這些表面活性物質(zhì)，使石墨沿c軸的生長(zhǎng)速度大于沿a軸的生長(zhǎng)速度，從而使石墨生長(zhǎng)成球狀。但是鎂元素本身也是表面活性物質(zhì)，有文獻(xiàn)[13]也指出，當(dāng)鎂含量超過(guò)0.05%時(shí)，石墨生長(zhǎng)將發(fā)生畸變而產(chǎn)生異型石墨。如圖4所示，典型的噴吹球化后金相圖片顯示，石墨的球化等級(jí)達(dá)到2級(jí)，石墨大小為7級(jí)。從表2可以看出，雖然殘鎂量均值都大于0.05%，但是通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的金相跟蹤發(fā)現(xiàn)，高的殘鎂量并沒(méi)有出現(xiàn)畸變的異型石墨。其可能原因是：球化衰退更容易發(fā)生在石墨尺寸較大、金屬凝固時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，而金屬型離心鑄造的球墨鑄鐵管冷卻速度較快，均質(zhì)形核相對(duì)更容易發(fā)生，從而出現(xiàn)石墨球數(shù)量較多且尺寸較小，來(lái)不及發(fā)生球化衰退。

圖4 球化后金相圖片(×100)Fig.4 Metallography after spheroidization (×100)

2.2 鐵液溫度對(duì)鎂吸收率的影響

鐵液溫度在1 460～1 528 ℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度時(shí)的鎂吸收率

實(shí)驗(yàn)所用的球化包為統(tǒng)一尺寸，這樣就可以保證當(dāng)球化鐵液質(zhì)量相等時(shí)，球化包中的鐵液液面高度保持一致。本研究中，鐵液對(duì)鎂吸收率按照式(2)計(jì)算：

(2)

式中：w(Mg1)為球化后鐵液中殘余鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；M為球化鐵液質(zhì)量；C為球化加入鐵液中鈍化鎂粒的質(zhì)量；w(Mg0)為鈍化鎂粒中鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

鎂的溶解度與溫度和壓力有關(guān)，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，鎂在鐵液中的溶解度隨溫度的升高而降低，見(jiàn)式(3)和式(4)[23-25]：

(3)

(4)

式中：[%Mg]為鎂在鐵液中的溶解度；PMg為鎂的蒸氣壓；T為鐵液溫度。

由式(3)和式(4)可知，鎂在1 200，1 300，1 400，1 450，1 500 ℃時(shí)的理論溶解度分別為0.449%，0.224%，0.121%，0.092%和0.071%[24]?？梢?jiàn)，隨著鐵液溫度的升高，鎂在鐵液中的溶解度呈顯著下降趨勢(shì)。實(shí)際上，在液態(tài)鋼鐵溫度下測(cè)定鎂的溶解度極為困難，其真實(shí)溶解度尚不清楚[26]。根據(jù)表3數(shù)據(jù)，可繪制鎂吸收率隨溫度升高的變化曲線，如圖5所示。

圖5 鎂吸收率隨鐵液溫度變化趨勢(shì)Fig.5 Change of Mg availability with temperature

由圖5可知，隨著溫度的升高，鎂吸收率呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)，經(jīng)擬合后的下降趨勢(shì)見(jiàn)經(jīng)驗(yàn)公式(5)。吸收率實(shí)測(cè)值與擬合的理論值之間產(chǎn)生偏差的原因可能是式(2)中各參數(shù)的檢測(cè)誤差，其中火花光譜儀一般會(huì)定期校準(zhǔn)或產(chǎn)生顯著誤差才進(jìn)行校準(zhǔn)，期間的每次檢測(cè)都可能產(chǎn)生微小誤差。此外，用于檢測(cè)鈍化鎂質(zhì)量和鐵液質(zhì)量的電子秤的精度對(duì)吸收率的計(jì)算也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。由表3可知，若要保證鎂的吸收率大于45%，則球化時(shí)鐵液溫度要小于1 480 ℃。在球化溫度為1 460 ℃、球化深度1.32 m的情況下，噴吹球化工藝的鎂吸收率可達(dá)57.82%。

A=0.004T2-12.42T+9 564，

(5)

式中：A為鎂的吸收率；T為球化溫度。

將式(5)兩邊對(duì)球化溫度T求導(dǎo)可得：

A′=0.008T-12.42,

(6)

式中：T為球化溫度；A′為鎂吸收率隨球化溫度T的變化率。

由式(6)可知，鎂吸收率隨球化溫度的變化率規(guī)律是溫度越低，鎂吸收率隨溫度變化越明顯。在實(shí)驗(yàn)溫度區(qū)間的低溫端1 460 ℃時(shí)，鐵液溫度每升高1 ℃，鎂吸收變化率降低0.74%；當(dāng)球化鐵液溫度為1 528 ℃時(shí)，鐵液溫度每升高1 ℃，鎂吸收變化率降低0.1%。這說(shuō)明，在球化低溫區(qū)，球化鐵液溫度變化對(duì)鎂吸收率影響更加顯著，通過(guò)精確控制球化溫度，會(huì)明顯提高鎂的吸收率，從而產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

雖然理論上球化鐵液溫度越低越有利于提高鎂吸收率，但在實(shí)際生產(chǎn)中，鐵液溫度越低，對(duì)生產(chǎn)連貫性的要求就越高。因此，綜合來(lái)看，球墨鑄鐵管的生產(chǎn)將球化時(shí)鐵液溫度控制在1 450～1 460 ℃，在保證連續(xù)穩(wěn)定的前提下，也可以保證45%以上的鎂吸收率。隨著鑄造行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化、智能化的升級(jí)，生產(chǎn)效率將會(huì)得到進(jìn)一步的提高，鎂的吸收率也會(huì)有進(jìn)一步提高的空間。

2.3 球化深度對(duì)鎂吸收率的影響

表4所示為不同球化深度時(shí)鎂吸收率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中鐵液溫度均設(shè)定為1 460 ℃。對(duì)表4數(shù)據(jù)中的鎂吸收率和球化深度關(guān)系作曲線圖，如圖6所示。

表4 不同球化深度時(shí)鎂的吸收率

圖6 鎂吸收率隨球化深度的變化趨勢(shì)Fig.6 Change of Mg availability with spheroidization depth

由圖6可知，鐵液溫度為1 460 ℃時(shí)，隨著球化深度由1.12 m提高到1.41 m，球化劑的吸收率由37.2%增加到53.53%。經(jīng)擬合，鎂的吸收率與球化深度的關(guān)系符合式(7)：

A=63.4H-34.6，

(7)

式中：A為鎂的吸收率；H為球化深度。

球化過(guò)程中鎂的吸收率隨球化深度的增加呈線性增加，其中只有6號(hào)實(shí)驗(yàn)的鎂吸收率與理論擬合值偏差較大，預(yù)計(jì)可能是成分檢測(cè)誤差造成的。

鎂的沸點(diǎn)為1 107 ℃，在鐵液球化溫度下會(huì)迅速汽化。由式(3)可知，當(dāng)鐵液球化溫度為1 350～1 500 ℃時(shí)，鎂汽化產(chǎn)生的壓力為0.4～1.0 MPa，遠(yuǎn)大于0.1 MPa的大氣壓力。鎂蒸氣壓越高則會(huì)產(chǎn)生越劇烈的沸騰，會(huì)減少鎂氣泡在鐵液中的停留時(shí)間，降低鎂的吸收率。

由式(4)可知，在鐵液溫度不變的情況下，鎂氣泡的壓力越大，則能越多地溶解于鐵液中。

鐵液內(nèi)部鎂蒸氣壓可表示為

(8)

式中：PMg為鎂氣泡蒸氣壓；Pg為鐵液表面大氣壓力；ρ為鐵液密度；g為重力加速度；H為鎂氣泡在鐵液中的深度(這里指球化深度)；σ為鐵液表面張力；r為氣泡半徑。

由式(8)可知，當(dāng)其他條件不發(fā)生變化時(shí)，提高球化深度H，則能夠提高鎂氣泡的蒸氣壓，綜合式(4)和式(8)可知，當(dāng)溫度不變時(shí)，球化深度H和鎂的溶解度[%Mg]之間呈線性關(guān)系。另外，由圖1所示的噴吹球化工藝可知，為了在一定程度上抑制鎂在鐵液中汽化，提高鎂氣泡在鐵液中的停留時(shí)間，從而提高鎂的吸收率，可以考慮提高球化包所盛鐵液的液面深度，即提高鎂粒接觸鐵液開始汽化處的鐵液壓頭。

由于理論上在球化溫度一定的前提下，球化深度H和鎂的溶解度[%Mg]呈線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中又得到鎂的吸收率A與球化深度H為線性關(guān)系(如式(7)所示)，因此，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，鎂的溶解度[%Mg]與鎂的吸收率A之間也應(yīng)呈線性關(guān)系。由此可見(jiàn)，提高球化深度即球化時(shí)鐵液壓頭能夠有效提高鎂的吸收率，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。雖然理論上球化深度越深，越有利于鎂的吸收，但實(shí)際上設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮球化包的容量、吊掛、轉(zhuǎn)運(yùn)等因素。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)噴吹球化工藝兼顧了設(shè)備簡(jiǎn)單可靠、易維護(hù)，球化劑量調(diào)整靈活等特點(diǎn)，將其應(yīng)用于快節(jié)奏、大批量的球墨鑄鐵管生產(chǎn)領(lǐng)域后，能夠?qū)⑶蚧蟮臍堄嗔蚝糠€(wěn)定控制在0.01%以下，有效保證了球化效果，球墨金相評(píng)級(jí)可達(dá)到球化2級(jí)，尺寸7級(jí)。

2)金屬型離心鑄造條件下鑄件冷卻速度較快，石墨球尺寸相對(duì)較小。因此，雖然所得的球化鐵液殘余鎂含量高于0.05%，甚至達(dá)到0.07%，也并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)由于鎂含量過(guò)高所導(dǎo)致的球化衰退現(xiàn)象。

3)在QT400球墨鑄鐵典型成分下，當(dāng)球化溫度在常見(jiàn)的1 460 ℃時(shí)，殘余鎂和殘余硫二者的濃度積為2.98×10-4。

4)鎂的吸收率隨著鐵液溫度的降低而升高，鐵液溫度越低，鎂吸收率隨溫度變化越明顯。因此通過(guò)精確控制球化溫度，可以明顯提高鎂的吸收率，從而產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5)提高球化包的深度，可以提高球化反應(yīng)處的鐵液壓頭，從而提高鎂的吸收率。理論上在球化溫度一定的前提下，球化深度和鎂的溶解度呈線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中得到鎂的吸收率A與球化深度H的線性關(guān)系為A=63.4H-34.6，因此，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下，鎂的溶解度與鎂的吸收率之間也應(yīng)為線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論預(yù)期。

6)基于本實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)際條件，經(jīng)優(yōu)化，當(dāng)球化溫度為1 460 ℃、球化深度大于1.3 m時(shí)，鎂的吸收率可高達(dá)50%以上。

隨著設(shè)備自動(dòng)化和智能化的升級(jí)，生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高后，鎂的吸收率還能進(jìn)一步提高。本文不足之處在于沒(méi)有從鎂溶解動(dòng)力學(xué)過(guò)程方面研究鎂粒的加入速率對(duì)其汽化和溶解過(guò)程的影響，今后將對(duì)此以及如何影響鎂吸收率的問(wèn)題做進(jìn)一步的研究。