用于处理高硫铁水生产蠕墨铸铁的蠕化剂 【技术领域】
本发明涉及一种用于处理铁水生产蠕墨铸铁的蠕化剂。特别是用于处理高硫含量的铁水。
背景技术
蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状，是一种介于球状石墨和片状石墨之间的石墨形态，石墨在共晶团内是连在一起的。普通蠕墨铸铁的铸态组织中铁素体含量较高，可采用合金化(Cr、Mo、Cu、Sn、Sb)等或正火处理等方法提高珠光体的量。蠕墨铸铁的抗拉强度、延伸率、冲击韧性介于灰铸铁和球铁之间，耐磨性优于灰铸铁，导热性优于球铁和高强度灰铸铁，抗热疲劳性能比球铁和灰铸铁的都好，可用于制造钢锭模、排气管、玻璃模具、制动盘等在交变温度下工作的零部件。蠕墨铸铁的铸造性能比球铁和高强度灰铸铁的好，缩孔、缩松倾向也较小，致密性好，从而可用于替代高强度灰铸铁、合金灰铸铁制造耐压件，如缸体、缸盖、液压阀体，不仅可降低耐压试验中的渗漏废品率，而且可以提高工艺出品率。蠕墨铸铁缸体具有价廉、耐磨、抗震、降低能耗和减少污染的优点，因此蠕墨铸铁缸体的成功，昭示蠕墨铸铁极有可能成为二十一世纪的新型工程材料。
到目前为止，国内外都是利用向一定成分的铁水中通过一定的形式加入适量地变质元素——蠕化剂来获得蠕墨铸铁的，国际上应用的蠕化剂主要有两大类：第一类是英美等国家使用的以Mg为主，加干扰元素Ti等并配以微量的Ce制得蠕化剂。这类蠕化剂均有较好的溶解特性、白口倾向小，Ti的反球化作用扩大了获得蠕虫状石墨的残留Mg含量范围，能适应铁水中Mg与S的波动，但该类蠕化剂的蠕化效果不稳定。另一方面，Ti是球化干扰元素，当铸铁车间同时生产球墨铸铁和蠕墨铸铁时，就需要分别存放回炉料，给生产和管理带来麻烦。另一类蠕化剂是德国等国家采用的稀土混合金属以及原苏联和我国采用的稀土合金。稀土合金与铁水的反应热力学条件良好，但动力学条件较差，稀土合金在铁水中的溶解、扩散慢，致使RE的吸收率降低。为此，有些工厂采取强制人工搅拌，也有些工厂在蠕化处理时加入助溶剂，如冰晶石、萤石和食盐等，这些都会污染环境，恶化劳动条件。
在稀土合金中添加镁可以降低蠕化剂的熔点，镁在铁水中的气化加速蠕化剂的扩散和吸收。专利号为ZL 99126853.9，名称为“蠕墨铸铁生产用的新型高效蠕化剂”，其合金成分范围为：Mg6～15％，RE3～5％，Si40～45％，MgO2.5～15％，Ca、Ba等适量。该蠕化剂适用于低硫铁水，在CA6110发动机缸体、缸盖的生产上应用获得成功。但没有该蠕化剂处理高硫铁水及铁水含硫量波动时，铁水的蠕化率和蠕化效果的技术资料。
蠕墨铸铁生产的难点在铁水的蠕化处理，通常要求原铁水的含硫量低，且硫含量的波动范围要小，蠕化处理的蠕化剂元素的量必须与铁水的硫量保持良好的对应关系，否则，会造成蠕化失败。特别是高硫铁水和铁水中硫量波动较大时，生产的波动性更大，使铸造生产难于进行，极大地限制了蠕墨铸铁的生产和使用。
【发明内容】
本发明的目的在于针对高硫铁水的条件下上述蠕化剂存在的不足，提供一种用于处理高硫铁水生产蠕墨铸铁的蠕化剂，采用这种蠕化剂通过普通的冲入法处理蠕化工艺，就能在铁水含硫量较高的条件下，稳定生产不同壁厚的蠕墨铸铁铸件。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于处理高硫铁水生产蠕墨铸铁的蠕化剂，含有重量比为15～35％的稀土RE，2～6％的镁Mg，35～45％的硅Si，1～5％的铝Al，1～5％的钙Ca，0.5～2.5％的锌Zn，0.5～2.5％的钡Ba，余量为Fe。
上述蠕化剂原材料的配比为：硅钙合金(SiCa)：4.5～20％，硅钡合金(SiBa)：2.5～12.5％，稀土硅铁合金(RESiFe)：55～80％，镁锭(Mg)：2～6％，铝锭(Al)：1～5％，锌锭(Zn)：0.5～2.5％，余为硅铁(SiFe)合金。
本发明制作工艺简单，将4.5～20％硅钙合金(SiCa)、2.5～12.5％硅钡合金(SiBa)和35～45％稀土硅铁合金(RESiFe)放入坩埚底，再加入2～6％镁锭、1～5％铝锭、0.5～2.5％锌锭，然后将余下的20～35％稀土硅铁合金(RESiFe)和适量的硅铁合金(SiFe)放在镁、铝、锌锭的上面，捣实、熔炼，当炉温达到1250～1300℃左右，炉料完全成为液态时，搅拌均匀后倒入金属锭模中，待冷却后破碎成一定的粒度即可使用。
本发明各组份的作用分别为：
(1)稀土(RE)
稀土元素具有强烈的脱氧、脱硫的能力，脱氧、脱硫所形成的氧化物、硫化物可以成为石墨结晶的有效衬底，而游离的稀土元素可抑制石墨沿a向生长，使石墨蠕化。本发明采用了稀土15～35％，可以保证高硫铁水也能获得高的蠕化率和稳定的蠕化剂效果，同时还可适应铁水中含硫量波动较大的生产条件。
(2)镁(Mg)
镁是一种球化元素，具有很强的改变石墨形态的能力。适量的镁有利于降低蠕化剂的熔点，镁在铁水中的气化加速蠕化剂的扩散和吸收，并可对铁水起足够的搅拌作用。
(3)硅(Si)
硅具有强烈的石墨化能力，向铁水中加入硅，可降低铁水的白口倾向，改善石墨形态，硅能降低蠕化剂的熔点，改善蠕化剂的溶解特性。另一方面，硅在蠕化剂熔制时起到了“熔剂”的作用，使合金元素均匀地分布在蠕化剂中。
(4)铝(Al)
铝使铁水脱氧、净化、，提高形核率，促进石墨化，降低铁水的白口倾向。由于铝的脱氧和降低蠕化剂的熔点，提高了稀土的吸收率，铝含量较高时可扩宽铁水中蠕化元素含量的范围，适应铁水硫含量的波动，有利于蠕化的稳定。
(5)钙(Ca)
钙在蠕化剂中对铁水起到石墨化效应，钙比铝的石墨化能力稍强些，钙铝同时存在于蠕化剂中石墨能力最强，钙能降低镁的蒸汽压，使合金反应平稳，从而提高了蠕化剂中的稀土、镁的吸收率。
(6)钡(Ba)
钡具有石墨化和弱的石墨变质作用，钡在高温铁水中的蒸气压低，并可降低镁、钙的蒸气压，提高镁、钙的吸收率。
(7)锌(Zn)
锌在铁水中产生的蒸气对铁水有搅拌作用，提高了蠕化剂元素的吸收率。锌可扩宽铁水中蠕化元素含量的范围，有利于稳定铁水的蠕化效果。
本发明的蠕化处理工艺为常用的包底冲入法，并配以一次孕育和二次孕育。
本发明的优点在于：
1.本发明适用于处理高硫铁水生产蠕墨铸铁，具有操作简单、溶解性好、反应平稳、吸收率高、以及处理铁水的蠕化率高、蠕化效果稳定、抗衰退能力强的特点，能满足不同壁厚铸件生产的需要。
2.本发明不含反球化元素Ti，给同时生产球墨铸铁和蠕墨铸铁的铸造车间的回炉料管理，带来了极大的方便。
具体实施方式：
实施例1：
蠕化剂的化学成分：镁(Mg)：3％，稀土(RE)：20％，硅(Si)：42.5％，钙(Ca)：2.5％，锌(Zn)：1.5％，钡(Ba)：1.0％，铝(Al)：1.0％，余为铁(Fe)。
制备方法：将11％硅钙合金(SiCa)、5％硅钡合金(SiBa)和42％稀土硅铁合金(RESiFe)放入坩埚底，再加入3％镁锭、1.0％铝锭、1.5％锌锭，然后将余下的30％稀土硅铁合金(RESiFe)和6.5％的硅铁合金(SiFe)放在镁、铝、锌锭的上面，捣实、熔炼，当炉温达到1250～1300℃左右，炉料完全成为液态时，搅拌均匀后倒入金属锭模中，待冷却后破碎成一定的粒度即可使用。
实施例2：
蠕化剂的化学成分：镁(Mg)：4％，稀土(RE)：18％，硅(Si)：43.5％，钙(Ca)：2.0％，锌(Zn)：1.0％，钡(Ba)：1.5％，铝(Al)：1.5％，余为铁(Fe)。
制备方法：将8.5％硅钙合金(SiCa)、7.5％硅钡合金(SiBa)和35％稀土硅铁合金(RESiFe)放入坩埚底，再加入4％镁锭、1.5％铝锭、1.0％锌锭，然后将余下的30％稀土硅铁合金(RESiFe)和12.5％的硅铁合金(SiFe)放在镁、铝、锌锭的上面，捣实、熔炼，当炉温达到1250～1300℃左右，炉料完全成为液态时，搅拌均匀后倒入金属锭模中，待冷却后破碎成一定的粒度即可使用。
本发明的效果举例1：
RDS(Reciprocating Duplicate Systeem)天然气压缩机组是美国德莱赛兰公司开发的系列压缩机组，我国从二十世纪八十年代中期引进该机组，并实施国产化。气缸体是该机组中关键的承压件，其材质为合金灰铸铁。在国产化过程中，气缸体存在强度不稳定，水压试验时渗漏的问题。
通过分析研究，采用蠕墨铸铁生产RDS天然气压缩机缸体，可提高缸体材质性能、增加缸体的致密性，改善压缩机的增压性能。铁水在5t/h的冲天炉中熔炼，出铁温度为1450℃。合金元素加入方法为，铬铁CrFe、钼铁MoFe、镁铁MnFe均为炉后与批料同时加入，铜Cu在浇包内加入。将本发明置于有堤坝的浇包内一侧，铁水直接冲入，并配以二次孕育。检测结果如下：
(1)原铁水的化学成分是：C3.5～3.7％，Si2.2～2.6％，Mn0.3～0.5％，S0.04～0.07％，Cr＜0.3％，Cu0.6～0.8％，Mo0.2～0.3％。
(2)蠕化剂及蠕化处理：用1.0～1.2％的本发明处理冲天炉铁水，炉前φ25mm试棒的蠕化率控制在75％左右，可稳定生产本体蠕化率≥85％的蠕铁气缸体铸件。
(3)孕育处理：用0.5～0.6％75FeSi进行炉前一次孕育，浇注时用0.1～0.15％CaSi进行二次孕育，可完全消除基体组织中的渗碳体。
(4)采用优化工艺可获得蠕化率≥85％，抗拉强度σb＞420MPa，珠光体含量55～75％，组织致密的蠕墨铸铁气缸体铸件，而且气缸体的组织和性能的均匀性大幅度提高。
本发明的效果举例2：
2V、3W空压机的高低压缸体设计材质为高强度灰铸铁，但在生产中易出现叶片浇不足、试压渗漏等问题，废品率很高。
改用经过本发明蠕化处理的蠕墨铸铁生产2V、3W空压机的高低压缸体，缸体的蠕化率≥85％，抗拉强度σb＞420MPa，完全满足缸体对材质性能的要求，而且解决了叶片浇不足和试压渗漏的缺陷，提高空压机的综合性能。