喂絲球化處理工藝在離心球墨鑄鐵管生產中的應用

王 靜，閆啟棟，胡家驄

（1.禹州市恒利來新材料股份有限公司，河南 禹州 452570；2.中國農機研究院工藝所，北京 100000）

隨著國內城鎮化地下管網建設及改造的發展，球墨鑄鐵管需求量越來越大，球墨鑄鐵管以其高的強度、塑性及韌性具有較好的抗高壓、抗氧化、抗腐蝕等性能，抗腐蝕性比灰口鑄鐵大35%，提高了管網使用的壽命和可靠性[1]。2021 年國內鑄管產量為752.55 萬t，其中離心球墨鑄鐵管703.06 萬t，占比93.46%[2].離心球墨鑄鐵管熔煉工藝普遍采用：高爐熔煉鐵液—混鐵爐保溫—中頻感應電爐調整成分和升溫的短流程工藝，將高爐鐵液裝入混鐵爐中保溫，然后再將鐵液轉倒入10 t～15 t 中頻電爐內，加入10%左右廢鋼和少量硅鐵，調整化學成分并升至合適的溫度、球化處理、澆注。生產批量大，要求一天三班連續生產，對鐵液化學成分和溫度要求嚴格[3]。喂絲球化處理工藝作為自動控制、精準加入、環保的先進球化處理方法，在離心球墨鑄鐵管生產中得到了廣泛的應用。

1 喂絲球化處理工藝簡介

目前離心球墨鑄鐵鐵液球化處理應用比較多的有沖入法、喂絲法和噴鎂法。各種球化處理工藝特點和適用范圍見表1 所示。

表1 各種球化處理工藝特點和適用范圍

為適應環保、質量和自動化升級需求，喂絲球化工藝已經廣泛取代沖入法、噴鎂法應用于離心球墨鑄鐵管的生產中。

喂絲法球化工藝如圖1 所示。喂絲法球化是利用喂絲機將加工成一定直徑線材的球化劑與孕育劑以一定的速度均勻地連續不斷地加入到裝有鐵液的球化包底部，使鐵液球化的過程。喂絲球化的特點如下：

圖1 喂絲法球化示意圖

1）球化率高，石墨細小。用冷模法生產的鑄管，球化率一般為2 級，而小口徑鑄管可達1～2 級。石墨大小為7 級。

2）鑄管的內在質量高。用喂絲球化工藝生產的鑄管，目前一次打壓合格率在98%以上。

3）鐵液純凈度好。喂絲球化處理后的渣為堿性渣，易與鐵液分離。經取樣分析，渣的三元堿度為2.5～4.0，故易扒渣干凈，不會因渣裹在鐵液中而影響滲漏。

4）處理溫降小。由于其加入量少，故球化處理溫降也小，一般溫降為20 ℃～30 ℃.

5）作業環境好。喂絲過程可以實現全自動化，工人勞動強度??；球化處理產生的鎂煙霧、灰塵等小，可在處理點集中由排風機抽走，經布袋除塵后向車間外排放。

6）操作穩定，球化處理的質量穩定性好，喂絲的加入量可以隨時調整。如光譜快速測定的殘留鎂量較低，可以返回再補加鎂包芯線，以保證澆注前的鐵液100%球化合格。

2 喂絲設備及喂絲球化工藝參數

2.1 喂絲設備組成及作用

喂絲機構主要由喂絲機、控制系統、包蓋升降系統和除塵系統等四部分組成。喂絲機包括動力系統、送線機構；控制系統包括自動化控制和數據傳輸、顯示和儲存等；除塵系統集中抽走球化處理產生的煙氣，干法除塵處理后向廠房外排放。

喂絲工藝對球化包的要求：球化包要求有較大的高徑比，H/D＝1.6～1.8.液面距包上沿距離為400 mm～450 mm.如某公司3.5 t 包的尺寸為：D內＝φ850 mm，H內≈1 550 mm，D外＝φ1 034 mm，H外＝1 700 mm.

喂絲工藝所用包蓋一般采用耐熱鑄鐵。包蓋厚度一般大于100 mm，以防止鐵水在球化時外溢損壞（熔化）。

2.2 喂絲球化處理工藝過程及參數

將電爐鐵液倒入可顯示鐵液重量的球化包中，測定球化前的鐵液溫度，扣上包蓋，以設定的喂絲速度向球化包中喂入設定好長度的球化鎂包芯線，喂絲后扒渣，再倒入扇形包中使用。

喂絲球化處理工藝過程及參數：

1）將成卷的鎂包芯線放在爐臺上的轉盤內，將包芯線頭裝入喂絲機內，并從球化處理包的包蓋孔中伸出。

2）在喂絲機的顯示器上設定喂絲長度和速度。喂絲速度一般采用40 m/min～60 m/min.但必須根據球化鐵液溫度和包內鐵液深度調整喂絲速度，且液面至包蓋保證400 mm～450 mm 的間距，以減少鐵液飛濺。

3）在球化包包底加入需補加的75SiFe.將達到一定溫度的電爐鐵液倒入球化包內，強化過程孕育。

4）將球化包吊運到平車上，移動平車將球化包置于球化處理位置，包蓋升降系統提升或放下包蓋，包蓋由耐熱鑄鐵鑄造或鋼板外殼耐火材料預制，以防飛濺鐵液使它產生變形，在包蓋底部應涂有涂料，防止粘鐵。同時應定期清理包蓋底部和球化包口邊沿的粘鐵。

5）鎂包芯線必須垂直地插入鐵液中（應防止鎂包芯線附在球化包的內壁上往下插入鐵液，國外喂絲機均配有包芯線拉直機構），鎂的吸收率才會比較高。

6）鎂合金包芯線一般加入量為18 m/t～23 m/t.純鎂包芯線一般加入量為32 m/t～40 m/t.按設定的喂絲長度和速度向球化包內喂入鎂包芯線。當鐵液含S 量偏高或處理溫度較高時，應適當加大鎂包芯線的加入量。

7）球化處理后應立即取樣，用直讀光譜儀快速分析鐵液化學成分（如鐵液殘留鎂量不足時，可將球化包返回，補加鎂包芯線）。

8）將球化包吊運至扒渣地點，加聚渣劑并扒渣。聚渣劑的加入量和扒渣操作同沖入法球化。但堿性渣較為零散，應注意仔細扒凈。

9）從球化完畢至澆注完畢的時間t≤15 min（涂料熱模法t≤12 min）以內，以免引起球化衰退問題。

3 喂絲球化材料及應用

3.1 喂絲球化包芯線材料

常用的球化包芯線有兩種。鎂合金球化線和純鎂球化線。鎂合金包芯線中主要化學成分：w（Mg）20%～35%，w（RE）1%～3%，w（Si）40%～44%，w（Ca）2%～3%.正常生產中使用質量分數25%～30%的Mg較多。包芯線外徑φ13mm，單位長度粉重240 g/m～250 g/m，線重390 g/m～400g/m.純鎂粒球化線：外徑為φ10 mm 或φ13 mm 約含85%～90%Mg，并加有少量RE-Si-Fe 和減緩劑等，單位長度粉重60 g/m～63 g/m，線重138 g/m～142 g/m.

3.2 鎂合金喂絲包芯線的應用

鎂合金喂絲法球化過程主要存在的問題是鎂的吸收率較低，所以穩定鎂的吸收率是保證球化質量的關鍵。喂絲法球化時鎂的吸收率與鎂合金包芯線中含鎂量、球化處理溫度、喂絲速度等因素有關。含Mg 質量分數為25%～35%的合金包芯線的鎂吸收率大都集中在30%～40%范圍內，相對于沖入法鎂的吸收率偏低。影響鎂吸收率有如下幾個因素：

（1）鎂合金中含鎂量

芯粉中含鎂量低，球化反應相對平穩些，鎂的吸收率也相對高些。對于水冷金屬型離心球墨鑄鐵管，采用Mg 質量分數為25%的合金包芯線，鎂的吸收率可達35%～50%；采用鎂質量分數為30%的合金包芯線，鎂的吸收率則為32%～45%.

（2）球化處理溫度

1）球化處理溫度影響鎂的蒸汽壓，lgP ＝-71113/T+5.158.外加壓力與Mg 的沸點關系見表2所示。

表2 Mg 的沸點與壓力的關系

從表2 可見，球化處理的鐵水溫度低，鎂的蒸汽壓小，鐵水飛濺小。但鐵液的球化處理溫度受鑄管的澆注溫度和處理過程中溫降的限制。

2）球化處理溫度對鎂的吸收率影響很大。處理溫度在1 440 ℃～1 470 ℃時，鎂包芯線喂入鐵液后有4 s～6 s 的間隔，然后開始反應，且反應相對平穩些；如果球化處理溫度在1 470 ℃～1 520 ℃時，包芯線喂入2 s～3 s 就開始劇烈反應，鎂光逸出多，包內鐵液從包蓋邊緣迸濺出來，鎂的吸收率有所降低；若鐵液溫度過高（＞1 520 ℃～1 550 ℃），鎂在鐵液的上層產生激烈反應，使鐵液球化不良；若球化處理溫度低于1 420 ℃，在包芯線喂入后期，由于包芯線不能充分熔化而影響鎂的吸收率。

3）喂絲速度與球化反應時間。合適的喂絲速度應該是包芯線到達包底時能完全熔化，球化冶金反應一直在包底進行，這樣能使合金中有效成分與鐵液充分接觸。喂絲速度控制在40 m/min～60 m/min比較理想，球化反應時間90 s～120 s.

4）鎂包芯線喂絲球化后至鐵液澆注完畢，不同時間取樣的鐵液殘留硫量和鎂量。在球化處理后15 min～18 min 內不會產生球化衰退問題，殘留鎂量的消失（減少）速度大約為0.000 5%/min～0.001 0%/min.

3.3 純鎂粒喂絲包芯線的應用

（1）鎂的吸收率問題。增加合金中鎂的含量，必定會使球化反應更加激烈，影響鎂的吸收率（約25%～35%）.為了提高鎂的吸收率，禹州恒利來采取了：a）減小線徑（φ10 mm），降低單位長度的粉重；b）控制鋼帶厚度；c）加大喂絲速度（增大到70 m/min～90 m/min）；d）適當地加大了液面至包頂的距離（調整為600 mm～650 mm）；e）控制球化處理時鐵液的溫度等技術措施。

在喂絲速度控制在70 m/min～90m/min 時，球化反應的激烈程度在生產操作中可以接受，包底殘鎂/液面殘鎂為0.7～0.8，說明純鎂包芯線的球化反應基本上在靠近包底處進行。

（2）脫硫效果問題。純鎂線喂絲球化，對鐵液具有很好的脫硫效果。原鐵液硫質量分數在0.018%～0.024%時，脫硫率可達60%以上。

（3）干擾元素問題。用純鎂包芯線作喂絲球化處理時，當鐵液中雜質元素含量較高時，即使殘留鎂量較高，但球化質量仍然不好。應要求鐵液中Ti質量分數低于0.06%，雜質總量低于0.1%.為保證球化質量的穩定性，應在純鎂芯粉中加入一定量的稀土。這與德國迪爾公司曼哈姆鑄造廠采用純鎂轉包球化處理時，在包內加入少量稀土硅鐵的做法是相同的。

（4）純鎂喂絲球化處理方法特點。

1）球化后鐵液的渣量明顯減少，可提高鐵液的純凈度、球化等級和鑄管內在質量。

2）具有良好的脫硫效果。用純鎂喂絲法球化處理后的鐵液，含硫量大部分低于0.01%，脫硫率平均高于50%.

3）球化成本低（加入量約為32 m/t～40 m/t）.比鎂合金喂絲法、稀土-鎂沖入法均有所降低。

（5）純鎂喂絲法球化反應比鎂合金喂絲法激烈，球化處理時鐵液飛濺比較歷害。要求球化處理溫度要適當地低一些（1 460 ℃～1 490 ℃處理溫度可以接受），只要控制好喂絲速度、液面至包頂深度，可以應用于正常生產。

4 渣的酸堿度問題

采用普通的稀土鎂（RE-Mg）沖入法球化處理時，球化劑中含Si 量較高（約含40%～44%Si），故鐵液增Si 量大，球化后鐵液表面的浮渣為酸性渣：

喂絲法球化處理后，由于浮渣中MgO 大量增加（一般可達20%～25%），故為堿性渣：

沖入法球化產生的酸性渣為粘合形態（群集、聚合，成團聚狀，較粘稠），因較粘稠，易粘包沿，使包沿處的粘渣難以清理干凈，隨時會隨著鐵液澆入管模內，形成渣孔缺陷。鎂包芯線喂絲法球化產生的堿性渣為干焦態（散發狀態），分散狀浮在鐵液表面上，易與鐵液分離，且不粘包，易于扒渣，有利于凈化鐵液，減少夾渣缺陷。

5 喂絲法球化處理后金相組織與力學性能

喂絲法球化處理后離心球墨鑄鐵管金相組織中，石墨球圓整、均勻且細小，球化率一般為1 級～2級，石墨大小為7 級。經退火后鐵素體量達90%～95%.σb＝455 MPa～505 MPa，σs＝305 MPa～370 MPa，δ＝18%～24%，HBW154～170.水壓試驗全部合格，鑄管成品率提高1%～2%.

離心球墨鑄鐵管生產中對殘留含鎂的控制：a）冷模法由于冷卻速度快，鐵液中w（Mg殘）≥0.035%即可保證球化良好；b）涂料熱模法（大口徑鑄管）冷卻速度較慢，鐵液澆入管模中后凝固時間較長，造成鎂蒸汽不斷散發，故要求w（Mg殘）≥0.055%才能保證球化良好。

6 喂絲球化工藝應用應注意的問題及對策

6.1 原鐵液含硫量對球化處理效果的影響

加入鐵液中的Mg，先消耗用于脫硫，然后剩余的Mg 才能起球化作用。故含S 高的鐵液必定先消耗大量加入的Mg，因而使喂絲加入量大幅增加，見表3 所示。

表3 不同原鐵液含S 量時的喂絲加入量

計算Mg 的吸收率時采用的公式為：

η吸＝w（Mg有效）/w（Mg加入）＝［w（Mg殘）+w（S原）-w（S殘）×0.76］/w（Mg），加入（Mg+S→MgS 其質量比w（Mg）/w（S）＝24.31/32.06≈0.76.

根據原鐵液含S 量然后計算出所需要的鎂包芯線加入量。

含硫較高的鐵液將對球化處理帶來一定的困難，不僅鎂合金包芯線消耗大使生產成本增加，而且質量穩定性也較差。最合適的方法是，先將原鐵液作脫硫處理：a）采用CaC2+多孔塞吹氮氣；b）用CaO 連續脫硫），再進行喂絲球化。

6.2 基體組織上產生少量一次碳化物的原因

6.2.1 原因分析

對于一些原采用沖入法的生產單位來說，往往發現改用喂絲法球化處理后，球鐵鑄件的金相組織中產生一定量一次（共晶）碳化物。其可能原因是：碳當量過低，或鐵液過冷度增加，特別是終Si 量過低。因為用喂絲法球化處理時，帶入的Si 量（約增Si 0.30%～0.40%）比RE-Mg 沖入法帶入的Si 量（約增Si 0.55%～0.60%）要低得多（約相差0.25%～0.30%），造成孕育量不足。

6.2.2 采取的措施

1）在原沖入法加Si-Fe 孕育基礎上，再補（增）加約0.35%～0.4%Si-Fe，以達到合適的成分。

2）要注意硅鐵的孕育效果：補加的硅鐵不能加入電爐內，而應放在球化包包底，或在出鐵時加在鐵流中，發揮其瞬時孕育效果。

7 經濟效益

7.1 直接經濟效益

沖入法的球化處理成本為：3-7 球化劑，加入量通常為1.3%，噸鐵水的成本約143 元；

喂絲球化處理工藝成本：φ13mm 球化線每噸鐵水加入量一般為20 m，成本約85.8 元/噸，孕育劑增加0.3%，約27 元/t，合計112.8 元。

與沖入法相比，喂絲法通?？梢怨澥〖s31 元/t，由于鑄管綜合成品率提高了1%～2%，故實際生產成本可降低40 元/t～60 元/t.

7.2 間接經濟效益

1）球鐵質量可穩定地保持在規定的范圍之內，可以減少因球化不良、滲碳體超標、氣孔等缺陷，使成品率提高1～2 個百分點；

2）不需要對球化劑、孕育劑和覆蓋料進行人工稱量、投入、夯實與覆蓋，完全消除人為因素的影響；減少球化包修整的勞動強度，可減少人工1 人/班～2 人/班；

3）在球化處理的所有環節中，操作工人幾乎不再與處理作業產生的煙氣和微塵接觸，從而減少塵肺等職業病的發生；

4）煙塵和鎂光得到管理，工作場地清潔衛生，提升企業競爭力。

8 結論

1）喂絲球化處理工藝同樣含鎂量純鎂粒喂絲包芯線爆發較鎂合金包芯線激烈，鎂的吸收率低4%左右。

2）喂絲法球化處理時，球化線增Si 量0.30%～0.40%左右，需在包底沖入或球化前補加約0.35%～0.4%硅鐵，強化過程孕育，減少珠光體含量。

3）喂絲法球化處理浮渣堿度為2.5～4.0，易扒渣。

4）鑄管金相組織顯示，石墨球圓整、均勻且細小，球化率1～2 級，石墨大小7 級。經退火后鐵素體量達90%～95%.力學性能為：σb＝455 MPa～505 MPa，σs＝305 MPa～370 MPa，δ＝18%～24%，HBW154～170.

5）與沖入法相比，喂絲法通?？梢怨澥〖s31元/t，由于鑄管綜合成品率提高了1%～2%，故實際生產成本可降低40 元/t～60 元/t.

6）喂絲法球化處理工藝自動控制、質量穩定、環境友好、成本節約等優勢，在我國離心球墨鑄鐵管生產中意義重大，具有廣泛的推廣應用前景。