孕育过滤器.pdf

用于对铁水进行孕育的方法。该方法包括将铁水以约1至约60cm/sec的进口流速通过过滤器组件。该过滤器组件包括过滤器元件和与该过滤器元件接触的孕育丸粒。该丸粒具有至少1mg/sec至至多30mg/sec的孕育剂溶解速率，而且包含约40－99.9％重量比的包含硅铁的载体。该丸粒此外包含约0.1－60％重量比的至少一种孕育剂，该孕育剂选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛和铝或者选自稀土元素。

1.  用于在铸铁的最后过滤中对铸铁进行后期孕育的包含过滤器和丸粒的组件，其中所述丸粒是通过粉状孕育剂合金的结块获得而所述过滤器是耐火多孔材料，其中所述丸粒的所述粉状孕育剂具有如下的颗粒尺寸分布，包括：100％重量比的小于2mm的颗粒，30-70％重量比的介于50-250Φ之间的颗粒，和小于25％重量比的小于50Φ的颗粒，且所述过滤器只允许小于10Φ的颗粒通过。

2.  权利要求1的组件，其中所述过滤器只允许小于3Φ的颗粒通过。

3.  权利要求1的组件，其中所述丸粒具有以克数度量的质量，且所述过滤器具有以cm²度量的表面积，且所述克数与表面积的比值为至少0.75到至多1.5。

4.  权利要求1的组件，其中所述组件处理流速至少1kg/s到至多25kg/s的熔融铸铁。

5.  权利要求1的组件，其中所述丸粒包含孕育剂合金的粉末，该粉末包含40％至60％重量比的所述介于50-250Φ之间的颗粒，和小于20％重量比的所述小于50Φ的颗粒。

6.  权利要求1的组件，其中所述粉状孕育剂包括两种或多种孕育剂粉末合金的掺混物。

7.  权利要求1的组件，其中所述粉状孕育剂是两种或多种的产品的掺混物，构成混合孕育剂。

8.  权利要求1的组件，其中所述丸粒包含活性组分，该活性组分包含约40-99.9％重量比的含硅的铁载体和约0.1-60％重量比的至少一种选自稀土元素的孕育剂。

9.  权利要求1的组件，其中所述丸粒包含活性组分，该活性组分包含约40-99.9％重量比的含硅铁的载体和约0.1-60％重量比的至少一种选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛，铝，镧和硫的孕育剂。

10.  权利要求9的组件，其中所述丸粒包含至少一种选自锶，锆，钙，镧，锰和铝的孕育元素。

11.  权利要求9的组件，其中所述丸粒包含约0.1-40％重量比的孕育元素。

12.  权利要求11的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述丸粒包含约0.1-20％重量比的孕育元素。

13.  权利要求1的组件，其中所述丸粒具有至少1mg/sec到至多320mg/sec的孕育剂溶解速率。

14.  权利要求13的组件，其中所述丸粒具有至少10mg/sec的孕育剂溶解速率。

15.  权利要求14的组件，其中所述丸粒具有至少20mg/sec的孕育剂溶解速率。

16.  权利要求13的组件，其中所述丸粒具有至多250mg/sec的孕育剂溶解速率。

17.  权利要求16的组件，其中所述丸粒具有至多200mg/sec的孕育剂溶解速率。

18.  用于对铁水进行孕育的方法，该方法包括使所述铁水以约1至约60cm/sec的进口流速通过过滤器组件，其中所述过滤器组件包括过滤器元件和与该过滤器元件接触的孕育丸粒，其中所述丸粒具有至少1mg/sec到至多320mg/sec的孕育剂溶解速率。

19.  权利要求18的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述孕育剂溶解速率是至少10mg/sec。

20.  权利要求19的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述孕育剂溶解速率是至少20mg/sec。

21.  权利要求18的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述孕育丸粒包含活性组分，该活性组分包含约40-99.9％重量比的含硅铁的载体和约0.1-60％重量比的至少一种选自稀土元素的孕育剂。

22.  权利要求18的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述孕育丸粒包含活性组分，该活性组分包含约40-99.9％重量比的含硅铁的载体和约0.1-60％重量比的至少一种选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛，铝，镧和硫的孕育剂。

23.  权利要求22的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述丸粒包含至少一种选自锶，锆，钙，铝，镧和锰的孕育元素。

24.  权利要求18的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述丸粒具有至少2mg/sec的孕育剂溶解速率。

25.  权利要求21的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述丸粒具有至少2mg/sec的孕育剂溶解速率。

26.  权利要求18的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述丸粒具有至多250mg/sec的孕育剂溶解速率。

27.  权利要求26的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述丸粒具有至多200mg/sec的孕育剂溶解速率。

28.  权利要求18的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述进口流速为约1至约40cm/sec。

29.  权利要求28的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述进口流速为约10至约30cm/sec。

30.  权利要求18的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述进口流速为约15至约25cm/sec，且所述孕育剂溶解速率是至少约2到至多约250mg/sec。

31.  权利要求18的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述丸粒包含约0.1-40％重量比的孕育元素。

32.  权利要求31的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述丸粒包含约0.1-20％重量比的孕育元素。

33.  权利要求18的用于对铁进行孕育的方法，其中所述丸粒包含结块的粉状孕育剂的丸粒，该粉状孕育剂丸粒包含一定的颗粒尺寸分布，该尺寸分布包括100％重量比小于2mm的颗粒，30-70％重量比介于50-250Φ之间的颗粒，和小于25％重量比的小于50Φ的颗粒，且所述过滤器只允许小于10Φ的颗粒通过。

34.  权利要求33的用于对铁进行孕育的方法，其中所述丸粒包含结块的粉状孕育剂的丸粒，该粉状孕育剂丸粒包含40％至60％重量比的50-250Φ的颗粒，和小于20％重量比的小于50Φ的颗粒。

35.  权利要求33的用于对铁进行孕育的方法，其中所述过滤器只允许小于3Φ的颗粒通过。

36.  权利要求18的用于对铁进行孕育的方法，其中所述丸粒具有以克数度量的质量，且所述过滤器具有以cm²度量的表面积，且所述质量与表面积的比值为至少0.75到至多1.5。

37.  权利要求18的用于对铁进行孕育的方法，其中所述过滤器组件处理流速至少1kg/s到至多25kg/s的熔融铸铁。

38.  包括多孔过滤器和孕育剂丸粒的过滤器组件，其中所述孕育剂丸粒包含载体和孕育剂，其中：所述载体包含至少30％重量比的硅铁；且所述孕育剂包含至少一种选自稀土元素的孕育剂。

39.  包括多孔过滤器和孕育剂丸粒的过滤器组件，其中所述孕育剂丸粒包含载体和孕育剂，其中：所述载体包含至少30％重量比的硅铁；且所述孕育剂包含至少一种选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛，铝，镧和硫的孕育剂。

40.  权利要求39的过滤器组件，其中所述过滤器只允许尺寸小于10Φ的颗粒通过。

41.  权利要求39的过滤器组件，其中所述丸粒具有以克数度量的质量，且所述过滤器具有以cm²度量的表面积，且所述质量与所述表面积的比值为至少0.75到至多1.5。

42.  权利要求39的过滤器组件，其中所述丸粒包含约40-99.9％重量比的所述载体和约0.1-60％重量比的所述孕育剂。

43.  权利要求42的过滤器组件，其中所述丸粒包含约0.1-20％重量比的所述孕育剂。

44.  权利要求39的过滤器组件，其中所述孕育剂包含至少一种选自锶，锆，铝，钙，锰，和镧的孕育剂。

45.  用于对铁水进行孕育的方法，该方法包括下列步骤：
使所述铁水以约1-60cm/sec的流速通过过滤器组件，其中所述过滤器组件包含过滤器元件和与该过滤器元件接触的孕育丸粒，且其中所述孕育剂丸粒包含载体和约0.1-60％重量比的孕育剂，该孕育剂包含至少一种选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛，铝，镧和硫的孕育剂，其中所述丸粒具有至少约1mg/sec到至多约320mg/sec的孕育剂溶解速率，从而形成孕育的铁水；和
收集所述孕育处理的铁水。

46.  权利要求45的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述孕育剂选自锶，钙，铝，锆，镧，和锰。

47.  权利要求45的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述丸粒具有至少约2到约250mg/sec的孕育剂溶解速率。

48.  权利要求45的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述丸粒具有在30.25cm²横截面流下测得的至少约2到约250mg/sec的孕育剂溶解速率。

49.  权利要求45的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述过滤器元件包含中心局部孔且将所述丸粒容纳于所述中心局部孔中。

50.  权利要求45的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述载体包含至少30％重量比的硅铁。

51.  权利要求45的用于对铁水进行孕育的方法，其中所述丸粒包含至少约0.1-20％重量比的孕育剂。

52.  权利要求45的用于对铁进行孕育的方法，其中所述丸粒包含结块的粉状孕育剂，该粉状孕育剂包含一定的颗粒尺寸分布，该尺寸分布包括100％重量比小于2mm的颗粒，30-70％重量比介于50-250Φ之间的颗粒，和小于25％重量比的小于50Φ的颗粒，且所述过滤器只允许小于10Φ的颗粒通过。

53.  权利要求52的用于对铁进行孕育的方法，其中所述丸粒含有孕育剂合金的粉末，该粉末包含40％至60％重量比的50-250Φ的颗粒，和小于20％重量比的小于50Φ的颗粒。

54.  权利要求52的用于对铁进行孕育的方法，其中所述过滤器只允许小于3Φ的颗粒通过。

55.  权利要求45的用于对铁进行孕育的方法，其中所述丸粒具有以克数度量的质量，且所述过滤器具有以cm²度量的表面积，且所述质量与表面积的比值为至少0.75到至多1.5。

56.  权利要求45的用于对铁进行孕育的方法，其中所述过滤器组件处理流速至少1kg/s到至多25kg/s的熔融铸铁。

57.  用于模制铁的方法，该方法包括下列步骤：
使铁熔化形成铁水；
将所述铁水输送至过滤器组件，其中所述过滤器组件包含过滤器元件和与该所述滤器元件接触的孕育丸粒，而且其中所述孕育剂丸粒包含载体和约0.1-60％重量比的孕育剂，该孕育剂包含至少一种选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛，铝，镧和硫的孕育剂且其中所述丸粒具有在横截面积为30.25cm²的液流下测得至少约1mg/sec到至多约320mg/sec的孕育剂溶解速率；
使所述铁水以约1至约60cm/sec的流速通过所述过滤器组件以便形成孕育过滤的铁；
将所述孕育过滤的铁输送至铸模形成模制型材；和
使所述熔融型材冷却形成所述模制铁。

58.  权利要求57的用于模制铁的方法，其中所述丸粒具有至少约2至约250mg/sec的孕育剂溶解速率。

59.  权利要求57的用于模制铁的方法，其中所述过滤器元件包含中心局部孔且将所述丸粒容纳于所述中心局部孔中。

60.  权利要求57的用于模制铁的方法，其中所述载体包含至少30％重量比的硅铁。

61.  权利要求57的用于模制铁的方法，其中所述丸粒包含约0.1-20％重量比的孕育剂。

62.  用于在型内对铁进行孕育的丸粒，该丸粒包含约40-99.9％重量比的载体和约0.1-60％重量比的孕育剂，其中：
所述载体包含至少约30％重量比的硅铁；
所述孕育剂包含至少一种选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛，铝，镧和硫的孕育剂；和
所述丸粒具有在进口流速为15cm/sec且横截面积为30.25cm²的铁流下测得至少约2至约250mg/sec的孕育剂溶解速率。

63.  用于对铁水进行孕育的方法，该方法包括使所述铁水以约1至约60cm/sec的进口流速通过过滤器组件，其中所述过滤器组件包含过滤器元件和与该过滤器元件接触的孕育丸粒，其中所述丸粒具有至少1mg/sec到至多320mg/sec的孕育剂溶解速率，且所述孕育剂丸粒活性组分，该活性组分包含约40-99.9％重量比的含硅铁载体和约0.1-60％重量比的至少一种选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛，铝，镧和硫的孕育剂。

孕育过滤器
技术领域
本发明涉及一种用于在铸造过程后期对铸铁进行孕育的改良方法并涉及一种孕育剂，该孕育剂可以在对铸造铁时进行的铁孕育中提供更好一致性。对于希望获得不含碳化铁的零件的制造，被称为型内孕育的本发明的铸造过程包括过滤和孕育并结合了两者的技术优点。

背景
铸铁是具有非常多用途的工程材料，其中包括已用于包括机械零件制造的许多商业用途的铁-碳-硅合金。铸铁的多用性导致这种材料在许多结构用途中的应用，在该结构用途中铁的均质性和一致性将对该组件的性能产生严重的影响。纯净的均质铁，特别是灰口铁或延性铁的铸造是高质量工程铸件生产中的基本步骤。由于这些铸造制品的重要性，必须对铁特别是灰口铁或延性铁进行一致的铸造，从而使其具有均匀的形态，最少的杂质和可重复的性能。
铸铁具有与众不同的冶金学结构。大部分金属在凝固期间形成单一的金属结晶结构。然而，铸铁在凝固期间具有复杂得多的形态。在铸铁凝固期间形成的结晶相取决于凝固的速率。大部分工程铸件要求在凝固期间在铁基体中形成晶态石墨。如果该铸铁凝固过快，一次碳化铁会在铸件中结晶形成。一次碳化铁是使铁非常难于机械加工的坚硬脆性相而且可以改变一次铸铁的物理和机械性能。一次碳化铁通常被称为“白口”。通常认为以碳化铁形式包含的碳对大部分铁铸件有害，然而以石墨的形式存在的碳可以提高铸铁的物理和机械性能。在凝固期间，碳可以以碳化铁的形式也可以以石墨的形式结晶。任一种相的形成都是由凝固速率和包含在液态铁中的成核程度驱动。凝固速率受该铸件的几何形状，铸模材料的热去除速率和当金属进入铸模时包含的铁的过热量限制。成核程度受铁水的冶金经历限制。以石墨形式存在的碳是一种有利的形式而且使碳以石墨的形式结晶是标准铸造操作一贯的目标。石墨可以以几种形态存在，其中包括球状如延性铁的情形，和片状如灰口铁的情形。
标准铸造冶金操作包括孕育处理，其中在减少碳化铁形成的情况下促进石墨的成核和生长。优选的成核可极大提高成品铸件的机械和物理性能。通常典型通过向浇注包，金属流或在型内添加孕育剂来实现孕育处理。典型地当浇注包充满铁水时，通过向浇注包中倒入颗粒状孕育剂来将孕育剂加入浇注包，然而当熔融金属进入铸模时，通过注射或喷射将孕育剂的微细粉末加入到熔融金属流中。尽可能晚的将孕育剂加入熔融金属是特别理想的以便最大程度上减少衰退(fade)。由于铸造处理中的不良品质，不充分或不合适的孕育通常是最显著的损耗。
如果需要被称为“SG”或“延性”铁的球状石墨铸铁，形成的石墨可优选为球状。然而，“LG”或“灰口”铁则要求片状石墨铸铁。需要满足的基本先决条件是防止一次碳化铁的形成。
为了这个目的，在铸造之前对液态铸铁进行孕育处理，这可以在冷却时促进石墨的出现而不是一次碳化铁。
因此孕育处理非常重要。实际上众所周知无论使用何种孕育剂，对于液态铸铁孕育处理具有一定的效率，该效率随时间减小并且通常在几分钟后会减小50％。为了获得最大的效率，本领域的技术人员通常实行逐步孕育，通过在铸铁制备的不同阶段进行几次孕育剂的添加达到这个目的。最后的添加是在注入铸模时在型内进行或甚至是通过在液态铸铁的通道上放置由孕育剂材料组成地嵌入物在该铸模的进料导管中进行。这些嵌入物通常联合过滤器一起使用；在这种情形中，这些嵌入物通常具有完美的规定形状以便能够安置在过滤器中，最常见的是在适合的孔穴中。已知这些规定形状的嵌入物为“丸粒”或“小块”。我们将通过“过滤器孕育剂组件”的名称来表示由丸粒和过滤器构成的装置。
存在两种类型的丸粒。通过对熔融孕育剂进行模制处理获得的“模制”丸粒。由通常具有极少量粘结剂或甚至不含粘结剂的压制粉末获得的“结块”丸粒。
市售的孕育剂通过使铁水与高活性元素作用形成籽晶来产生成核点。这些活性元素与溶解在铁水中的氧和硫结合，而且所得的反应产物从熔体中析出从而形成凝固期间石墨的成核点。这些成核产物在该熔体中继续生长直到该熔体完全凝固。这些颗粒必须在很窄的尺寸范围内以便使石墨成核并使晶体生长。因此使金属与活性元素在尽可能接近凝固时形成籽晶，可以使析出颗粒保持在石墨晶体成核所必须的窄尺寸窗口内的概率增加。晶体石墨的形成与反应动力学优选的产物相反。还不清楚影响孕育的关键参数而且这仍是学术争论的主题。本领域中非常需要技术人员对孕育效率进行预测并因而提高孕育效率的能力。
已经知道恰好在过滤器之前将熔融金属暴露于丸粒的丸粒孕育，其中使用了包含少量钙，铝，和稀土元素的基体材料。随着铸造的进行，由于孕育剂从丸粒中溶解相关的反应动力学的原因，孕育效率随时间变化。实现制造具有不同尺寸的不同零件所需的各种浇注体积和时间使孕育问题进一步复杂化。如果使用长的浇注时间，由于浇注包中孕育剂的衰退，浇注包孕育的方法是不合需要的。如果使用短的浇注时间，该时间可能不足以允许丸粒孕育所提供的孕育的开始。仍不十分清除在金属流中提供有效孕育的性质，而且典型地需要通过实验并耗费大量成本和材料对适合的工作范围进行研究。
Daussan在专利FR 2,692,654描述了一个过滤器孕育剂组件，其中优选通过0.5至2mm的粉末的结块获得该丸粒。这种过滤器孕育剂组件的效率非常有限。
Foseco在专利EP 0,234,825中描述了一个过滤器孕育剂组件，其中该孕育剂是以包封在塑料袋中的粉末状非结块粉末的形式存在。这种装置制造起来较为复杂而且由于使用了非结块的粉末，不能始终很好地控制该粉末与液态铸铁的润湿性。
在本领域中解决有效孕育问题的努力仅取得了非常有限的成果。例如DE专利公开DE43,18,309A1将孕育丸粒加入过滤器的凹陷处。该蜂巢形状的过滤器包含1至8mm的孔隙。在使用中证实，这种类型的过滤器孕育剂组件的效率受所使用的丸粒的限制。这实现了在过程后期进行孕育的目的，但不能减轻与依赖于过程的孕育效率相关的主要问题。已发现该丸粒/过滤器组合体对铸件的帮助很有限，因为除了使丸粒定位以外，它不能提供任何的帮助。
美国专利6,293,988提供了包含氧硫化物的孕育剂。所提供的优点是可省去作为载体介质的硅铁。该氧硫化物孕育剂溶解缓慢而且孕育率特别是在浇注的早期的孕育率可能是不一致且不可预料的。即使将衰退的问题减轻到一定程度，缓慢溶解的丸粒会受到与浇注早期不充分孕育相关的问题的影响。
已知利用硅铁载体的孕育剂溶解非常迅速，因此广泛接受它们用于浇注包孕育。快速的溶解速率使得硅铁载体基孕育剂在本领域中被忽视，因为通常认为快速率的溶解会使得丸粒在浇注完成之前溶解，因此该孕育剂不能在整个浇注过程中有效。快的溶解速率使得难于对硅铁基孕育剂进行控制。
在本发明之前，技术人员被限制于在浇注包中使用硅铁基孕育剂，将孕育剂流注入流动金属和使用以丸粒形式的非硅铁基孕育剂。此外，技术人员必须在使用浇注包孕育的衰退，使用丸粒孕育的浇注早期无效孕育或与注射孕育联系的机械复杂性中进行选择。
本领域中存在对孕育剂和其使用方法的长期需求，不管熔融金属以何种速率进行浇注，该孕育剂和方法可确保一致且可预测的孕育。在本发明之前这种需求无法得到满足。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种孕育丸粒，该丸粒可在宽工作范围的浇注时间上对铁水进行一致的孕育而不发生衰退或无效孕育。
本发明的另一个目的是由结块孕育丸粒和相关联的过滤器组成过滤器孕育剂组件，分别对其性质进行调节以产生最佳的协同作用。
本发明的另一个目的是提供用于对铁水进行孕育的体系，该体系易于控制，不限制铸造操作而且在物理结构和操作程序的最小改动下可以将该体系用于几乎所有现存的铸造体系。
本发明的另一个目的是提供一种孕育丸粒，可以使用该丸粒在宽范围的进口流速下对铁水进行有效且均匀的孕育。这提供了特别的优点，因为可以在由加工需要所规定的范围内操作，而不受与孕育效率有关的限制。
以对铁水进行孕育的方法提供了一个特别优选的实施方案。该方法包括使铁水以约1至60cm/sec的进口流速通过过滤器组件。该过滤器组件包括过滤器元件和与该过滤器元件接触的孕育丸粒。该丸粒具有至少1mg/sec到至多320mg/sec的孕育剂溶解速率，且优选包含约40-99.9％重量比的含硅铁的载体。该丸粒还优选包含0.1-60％重量比的至少一种孕育剂，该孕育剂选自稀土元素或选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛，铝，镧和硫。
以包含过滤器和丸粒的组件的方式提供了另一个优选的实施方案，该组件用于在最后过滤中对铸铁进行后期孕育，且其中通过粉状孕育剂合金的结块获得所述丸粒而所述过滤器是一种难熔多孔材料，其中所述丸粒的粉状孕育剂包含一定的颗粒尺寸分布，该尺寸分布包括100％重量比的小于2mm的颗粒，30-70％重量比的介于50-250φ之间的颗粒，和小于25％重量比的小于50φ的颗粒，且所述过滤器只允许小于10φ的颗粒通过。
以包括多孔过滤器和孕育剂丸粒的过滤器组件的方式提供了另一个优选的实施方案。该孕育剂丸粒包含载体和孕育元素。该载体包含至少30％重量比的硅铁。该孕育剂包含至少一种选自稀土元素或选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛，铝，镧和硫的孕育剂。
以对铁水进行孕育的方法提供了又一个优选的实施方案。该方法包括使铁水以约1-60cm/sec的速率通过过滤器组件。该过滤器组件包括过滤器元件和与该过滤器元件接触的孕育丸粒。该孕育剂丸粒包含粘结剂和约0.1-60％重量比的孕育剂。该孕育剂包含至少一种选自稀土元素或选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，铝，镧和硫的孕育剂。该丸粒具有至少约1mg/sec到至多约320mg/sec的孕育剂溶解速率。
以对铁进行模制的方法提供了又一个优选的实施方案，该模制方法包括下列步骤：
a)使铁熔化形成铁水；
b)将铁水输送至过滤器组件，其中该过滤器组件包含过滤器元件和与该过滤器元件接触的孕育丸粒，而且其中该孕育剂丸粒包含载体和约0.1-60％重量比的活性孕育剂，该活性孕育剂包含至少一种选自稀土元素或选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛，铝，镧和硫的孕育剂，且其中该丸粒具有至少约1mg/sec到至多约320mg/sec的孕育剂溶解速率；
c)使该铁水以在30.25cm²的横截面下测得的约1至约60cm/sec的速率通过该过滤器组件以便形成孕育过滤的铁；将孕育过滤的铁输送至铸模形成熔融型材(shape)；和
d)使该熔融型材冷却形成模制铁。
以对铁进行型内孕育的丸粒的方式提供了又一个优选的实施方案。该丸粒包含约40-99.9％重量比的载体和约0.1-60％重量比的孕育剂。该载体包含至少约30％重量比的硅铁。该孕育剂包含至少一种选自稀土元素或选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛，铝，镧和硫的孕育剂。该丸粒具有至少约2至约250mg/sec的孕育剂溶解速率，该溶解速率是对于30.25cm²的铁水流在15cm/sec的进口流速下测得。
发明详述
本发明涉及孕育丸粒，体系及其使用方法，该方法能极大地提高熔融金属特别是铁的孕育处理的一致性。使用丸粒的孕育技术在以前只取得了有限的成果。非硅铁基丸粒例如美国专利6,293,988中公开的那些丸粒溶解缓慢且所得铸铁仍包含与不恰当孕育相符的白口层。该技术没有给出能提供下述硅铁基孕育剂丸粒的方法，该丸粒可以在宽范围的流速或进口流速上使用，并具有恰当的孕育和最小程度的衰退。通过仔细研究在这里提出了这种方法。
在铸铁制备的不同阶段实施孕育的本领域的技术人员在工艺中使用的产品，这些产品越细加入孕育剂的时间越晚其逻辑为上游产品具有所有必需的时间来溶解而当它们到达铸模入口时，它们在凝固之前只有几秒钟时间。
目前在预孕育中使用粒度为2至10mm的颗粒，在浇注包处理阶段使用粒度为0.2至2mm的颗粒，当铸造时使用粒度为0.2至0.7mm的颗粒用于流体孕育。这种应用实际上注意到了试验车间中预想不到的现象。对于相同剂量的孕育剂，在液态铸铁中形成的石墨核的数目随添加到该孕育体装置中的孕育颗粒的数目而增加。因此如果在相同的条件下用具有不同颗粒尺寸分布的相同孕育剂对两包铸铁进行处理，用较细(finest)产品处理的铸铁将比用较粗产品处理的铸铁包含更多的石墨核；这些核在尺寸上也将更小。
在使用结块丸粒的型内处理过程中观察到了相同的现象；使用由较细粉末得到的丸粒处理的铸铁将比使用由较粗粉末获得的丸粒处理的铸铁包含更多的石墨核；这些核在尺寸上也将更小。
为了按这种方法获得具有最大孕育效率的丸粒，申请人已经制备了0至2mm的粉末，该粉末具有以下列方式定义的特定内部颗粒尺寸分布：2mm通过：100％；50Ф到250Ф之间：30％至70％，更优选40至60％；小于50Ф的部分：小于25％，更优选小于20％。
这种类型的粉末易于结块，这使得利用较低比例的粘结剂的操作成为可能。因此对于众所周知的粘结剂硅酸钠，根据所使用的可以从50至500Mpa不同的压力，每100g粉末0.3cm³至3cm³的剂量是足够的，因为该丸粒的机械性能可以容易地获得。可以利用压力和粘结剂百分比的参数来控制丸粒的溶解速度而不影响其机械性能。
经验显示不能通过自然破碎来获得上面定义的颗粒尺寸分布。具有这种颗粒尺寸分布的粉末的制备需要分别制备一定尺寸分数的剂量。
与丸粒联合的过滤器是包含可供金属通过的连续或半连续孔隙或通道的陶瓷过滤器，且其中可以贮存所包含的大于10Ф且优选大于3Ф的颗粒。
控制溶解速率以允许宽范围的流速或进口流速，此刻允许可预测的孕育而无需考虑在30.25cm²的流动截面下测得的1-60cm/sec的工作范围内的进口流速。
本发明的有效组分包括硅铁载体和至少一种活性元素。该硅铁载体是可溶解于铁水中但不显著形成籽晶核的低活性元素。该活性元素一种元素或几种元素的组合，该元素可溶于铁水中而且可与铁水中的元素反应形成籽晶核，石墨优选在这些籽晶核上结晶。
该孕育剂丸粒的有效组分包括40-99.9％重量比的载体和0.1-60％重量比的活性元素。特别优选的载体是由包含非活性杂质的硅铁制成。硅铁可以由各种来源购得。通过本领域的术语，以75％硅铁典型提供的硅铁表明该材料包含约75％重量比的硅和25％重量比的铁。以50％硅铁广泛获得的硅铁表明该材料包含约50％重量比的硅和50％重量比的铁。对于本发明的目的，粘结剂包含所有非孕育元素。最优选该载体包含至少约30％重量比的硅铁。优选在形成丸粒之前向有效组分中加入粘结剂。在本领域中众所周知该粘结剂例如硅酸钠可以辅助粉末的造粒。
本发明的活性元素包括至少一种稀土元素或至少一种选自铈，锶，锆，钙，锰，钡，铋，镁，钛，铝，镧和硫的孕育剂。特别优选的孕育剂包括选自锶，铝，镧，锆，钙和锰的至少一种元素。该孕育剂优选包含约0.1-60％重量比的孕育试剂。更优选地，该孕育剂包含约0.1-40％重量比的活性孕育试剂。最优选地，该孕育剂包含约0.1-20％重量比的活性孕育试剂。
进口流速是本行业中众所周知的用于指示流向并流过过滤器的金属体积的实际量度。正如本领域的技术人员所清楚的，在固定横截面的流动区域上对进口流速进行测定。对于本发明的目的，所有的进口流速均在30.25cm的横截面积下计算，除非另外说明。对于本领域的技术人员很明显，不同的横截面积将产生不同的进口流速，然而通过本领域中已知的简单转换可以容易地使该进口流速与这里所提到的进口流速进行比较。
孕育剂的溶解速率定义为以时间的函数所消耗的孕育剂数量。某些孕育剂的分析是困难的，因此该溶解速率是基于确定元素，或者孕育剂或者标记物的分析。假定该确定元素与其它孕育试剂在铸铁中的重量比与在最初丸粒中的重量比相同。对于本发明，使用锆作为孕育的确定元素。因此，限定铸铁中的全部孕育剂为该铸铁中的锆加其它孕育剂的数量。例如，如果一种孕育剂包含一份重量比的锆和一份重量比的锰，而且该铁中锆的数量是20ppm于是锰的数量也应为20ppm，以使全部孕育剂为40ppm。以40ppm的数量存在的锆加锰的克数除以浇注时间就是该孕育剂的溶解速率。
对于1-60cm/sec的进口流速，至少需要约1mg/sec的孕育剂溶解速率以便得到足够的孕育。小于1mg/sec时，会观察到不充分的孕育率，特别是在浇注的早期，不能确保包含最少的白口或不含白口从而基本上消除碳化铁的形成。可选地，该进口流速必须小于一定水平，这对于小于约1mg/sec的孕育剂溶解速率是不切实际的。优选地，该孕育剂的溶解速率不小于10mg/sec。更优选地，该孕育剂的溶解速率不小于20mg/sec。需要不大于约320mg/sec的孕育剂溶解速率以确保溶解速率足够慢从而使得该丸粒可在以1-60cm/sec的进口流速进行的整个浇注过程中存在。当超过约320mg/sec时，该丸粒可能过早溶解因此不能对浇注的后期进行孕育。或者，必须将该进口流速提高到一个不切实际的水平。更优选地，该孕育剂的溶解速率不超过约250mg/sec。最优选地，该孕育剂的溶解速率不超过约200mg/sec。
市售的硅铁基孕育剂以超过320mg/sec的速率溶解。虽然非常适合用于浇注包孕育，但已发现这些孕育剂不适合用作过滤时的丸粒。在本发明之前，没有对硅铁基孕育剂的溶解速率进行研究，因为本领域中认为该速率过快以致不能在这种方法中使用。本发明说明当以窄范围的溶解速率进行制备时，可以制备硅铁基孕育剂，该孕育剂可以以孕育丸粒的形式使用且所得铸铁具有低水平的白口。此外，本领域中以前没有认识到的适当的溶解速率允许在使用最少的孕育剂下获得优异的孕育。这显著减少了孕育的成本并增加了可预测性。通过这里的教导提供的另一个优点是可以确定适当的孕育剂丸粒的数量从而获得适当的孕育水平。
约1至约320mg/sec的溶解速率允许以1-60cm/sec的进口流速使用本发明的丸粒，而不发生衰退或在浇注的任何部分的不充分孕育。在不利用非常大的丸粒或进口流速的情况下目前这在本领域中是无法实现的，而该丸粒只部分使用，而该进口速率是不需要的。更优选地，在约1至约40cm/sec的进口流速下该溶解速率是约1至约320mg/sec。更优选地，可以使用10至30cm/sec的进口流速而且最优选使用15-25cm/sec的进口流速。优选的丸粒溶解速率是2-250mg/sec，特别优选的丸粒溶解速率是2至150mg/sec。
在一个特别优选的实施方案中，30.25cm²的横截面积下测量的在15cm/sec的进口流速丸粒的溶解速率。在15cm/sec的进口流速下，该丸粒优选具有至少约2mg/sec到至多约300mg/sec的溶解速率。更优选地，以15cm/sec的进口流速测量时，该丸粒具有至少约2mg/sec到至多约200mg/sec的优选溶解速率。
该过滤器的过滤速率可以在0.01kg/(s·cm²)和0.5kg/(s·cm²)之间进行调节。更优选地根据应用可以在0.04kg/(s·cm²)和0.24kg/(s·cm²)之间进行调节。
由于通常所需的孕育率为0.05％至0.15％而且由于本发明的过滤器的过滤能力为每平方厘米1至1.5kg铁水，因此以0.75至1.5的比值(丸粒质量g/过滤器表面积cm²)来调节该过滤器孕育剂组件的尺寸。例如，由25g丸粒和30cm²的过滤器制成的过滤器孕育剂组件将是合适的尺寸。
通过组成和堆积密度来控制该丸粒的溶解速率。随着堆积密度的增加溶解速率也随之增加。对于本发明，压缩到约2.3g/cc呈约2.6g/cc的硅铁粘结剂适合用来获得本发明所需要的溶解范围。可以通过调节丸粒的密度来获得这种结果，根据用于结块的压力可从50变化至500MPa，可以得到制成该丸粒的孕育合金真密度的60％至80％的丸粒密度。可以对根据本发明的过滤器孕育剂组件的尺寸进行调整以便用于铁水流速为1至25kg/s的处理，
陶瓷过滤器元件是包含可供金属通过的连续或半连续孔隙或通道的多孔部件，其中贮存有所包含的任何颗粒。优选通过美国专利4,056,586中描述的方法制备该多孔陶瓷过滤器元件，这里引用该专利作为参考文献。美国专利5,673,902和5,456,833中提供了制造陶瓷过滤器元件的方法的更详细描述，这里将这两者包括在内作为参考文献。
实验
实施例1至5涉及延性铸铁。实施例6涉及灰口铸铁。
实施例1
获得批次A的现有技术的市售结块孕育剂丸粒并对其进行了分析；分析结果表明：Si＝72.1％，Al＝2.57％，Ca＝0.52％。然后在感应炉中由FeSi 75合成一批分析结果与前述批次尽可能接近的熔融孕育剂，并通过添加钙的硅化物，铝然后是铁调节其强度。然后将这批孕育剂铸成25克模制丸粒。对这批命名为“B”的丸粒进行抽样和分析，结果表明：Si＝72.4％，Al＝2.83％，Ca＝0.42％。使用标准技术制备一系列30.25cm²的正方形碳化硅陶瓷过滤器。用陶瓷浆料涂覆有机泡沫材料以致使所有的孔隙被填充。然后压缩该有机泡沫材料以便排出过量的浆料。然后对涂覆浆料的有机泡沫材料进行干燥和烧制。在该过滤器的表面局部切出一个圆形孔以便装入丸粒。
实施例2
在感应炉中熔化铸铁炉料，然后通过Tundish Cover工艺利用包含5％Mg，2％Ca，和2％全稀土(TRE)的FeSiMg型合金并以每1600kg铸铁20kg合金的剂量对炉料进行处理。对这种液态铸铁的分析结果表明：C＝3.7％，Si＝2.5％，Mn＝0.09％，P＝0.03％，S＝0.003％，Mg＝0.042％。其共晶温度为1141℃。使用这种铸铁来铸造具有约1kg单位质量的零件，置于具有20个零件模具的组件中，通过其中放置批次“B”的模制丸粒的流入导管来浇注。通过金相显微法在该零件的横截面上观察到的石墨球的数目为184/mm²。
实施例3
以相同的方式重复实施例2，唯一不同的是用根据现有技术的结块丸粒代替来自批次“B”的模制小块，该结块丸粒是通过压缩0至2mm的粉末得到，该粉末则是通过对取自与前述实施例相同的批次“B”的模制丸粒进行自然破碎得到。这种粉末的颗粒尺寸分布为：2mm通过100％；0.4mm通过42％；0.2mm通过20％；50Ф通过10％，即与专利EP 0,234,825中推荐的分布相当接近的颗粒尺寸分布。通过金相显微法在该零件横截面上观察到的石墨球的数目为168/mm²。
实施例4
以相同的方式重复实施例3，唯一的不同是该模制小块来自批次“A”。通过金相显微法在该零件横截面上观察到的石墨球的数目为170/mm²。
实施例5
以下列条件重复实施例3。将来自于批次“B”的25kg模制小块破碎到0至1mm。通过过筛分离成0.63到1mm；0.40到0.63mm；0.25到0.40mm；0.050到0.25mm和0到0.050mm几个部分。获得了3.5kg的0.63至1mm的粉末；3.9kg的0.40至0.63mm的粉末；4.2kg的0.25至0.40mm的粉末；7.1kg的0.050至0.25mm的粉末和6.1kg的0至0.050mm的粉末。通过混合以下部分制备粉末：2kg的0.63至1mm，2kg的0.40至0.63mm，2kg的0.25至0.40mm，7kg的0.050至0.25mm，和2kg的0至0.050mm。向这15kg粉末掺混物中加入：150cm³硅酸钠和150cm³10当量浓度(normal)的氢氧化钠。使用获得的掺混物来制造直径24mm，高度22mm的圆柱形结块丸粒。作用在丸粒上使其成型的压力为285Mpa并持续1秒钟。将成型的丸粒在仔细通风的场所内在25℃下存贮8小时，然后在110℃下烘干4小时。所得到的25g单位质量的丸粒以批次“C”表示。然后用与陶瓷泡沫材料过滤器组合且来自批次C的丸粒重复实施例3，该泡沫材料过滤器与实施例2中所使用的过滤器相同。通过金相显微法在该零件横截面上观察到的石墨球的数目为234/mm²。
实施例6
以下列条件重复实施例5。在感应炉内熔化1600kg铸铁炉料。从液态金属中取样并进行分析。分析结果表明：C＝3.15％，Si＝1.82％，Mn＝0.71％，P＝0.15％，S＝0.08％。其共晶温度为1136℃。使用该铸铁来铸造具有约1kg单位质量的零件，置于具有20个零件模具的组件中，通过其中放置的由30.25cm²的过滤器支撑的模制丸粒的流入导管来浇注，该过滤器是由与其它实施例中所使用的相同的耐火泡沫材料组成。该模制小块来自于批次“C”。通过金相显微法在该零件横截面上观察到的共晶晶粒的数目为310/mm²。
发明实施例7
使用标准技术制成一批30.25cm²的正方形碳化硅陶瓷过滤器。用陶瓷浆料涂覆有机泡沫材料以便使所有的孔隙被填充。然后压缩该有机泡沫材料以便使该陶瓷泡沫材料被浆料包覆的同时排出过量的浆料。然后对涂覆的有机溶沫浆料进行干燥和烧制。在该过滤器的表面局部切出一个约25.4mm直径的圆形孔以便装入丸粒。
通过形成活性成分与硅和铁的合金制备一系列厚度约20.5mm且直径约25.4mm的圆柱形丸粒。将该合金熔化，破碎，研磨，筛分并与硅酸钠混合形成丸粒。将该粉末置于模具内并压缩到一定水平足以获得约2.3至2.6g/cc的所需密度。然后将该丸粒嵌入陶瓷过滤器的圆形孔。
使用包含5个相同尺寸的腔体的试验模具来测定该丸粒/过滤器组合在整个浇注过程中的溶解速率，其中在单次浇注中依次填充每个腔体。将该丸粒/过滤器组合在腔体之前插入到测试模具中，并以不同时间段向该模具中注入29.51Kg铁水。测得浇注过程中的温度的范围是1335-1470℃，且在这个范围的温度内没有发现显著的差异。
从试验模具的第一，第三和第五个腔体中的板状铸件取出多个核心试样，将该核心试样溶解并通过感应耦合等离子能谱分析其中的锆。将平均锆水平定义为平均孕育(AI)。通过下列方程计算进口流速(AV)，即过滤器前沿的铁的速率：
              AV＝PW/(D*EFA*t)
其中PW是浇注重量其单位为克；D是金属密度其单位为克每立方厘米；EFA是有效过滤器面积其单位为cm²，或者是没有被丸粒覆盖的过滤器的表面积而t是时间其单位为秒。规定平均溶解速率(ADR)为全部浇注时间上金属消耗的基于锆的分析的全部孕育剂的克数。表1中给出了该结果。
浇注完成之后，过滤器中不再看到该丸粒。在第一和最后的金属板中存在充足的孕育这表明该溶解速率足够对整个浇注进行有效孕育且在任何试样中不含由于不良孕育所产生的白口。
该铸铁的分析表明所有本发明的试样具有足够的孕育，该孕育以基于该铸铁中锆的水平的平均孕育(AI)指示。
表1：