球化剂、球化包芯线的选择和球化工艺参数的确定

在对熔炼材料的长期技术服务过程中，发现有些铸造单位，不知道如何根据自己生产铸件的牌号、结构及生产工艺、炉料的情况选择球化的种类和成分，对于球化剂中各种成分的作用还不是很清楚，有的单位不能根据自己单位的实际情况确定正确的球化工艺参数，这一方面造成不同程度的成本升高，而且造成资源的浪费。                              

 球化剂的分类：

2.1根据球化剂中主要的球化元素可分为：镁系球化剂、稀土系球化剂和钙系球化剂镁系球化剂：镁是球化能力最强的元素，也是应用最广泛的球化剂，尽管从热力学上看，镁与氧、硫的亲和能力要次于钙和铈，但从动力学角度，由于镁的沸点（1107℃）低，密度小（1.738g/cm³），对铁水有搅拌作用，镁的实际脱氧去硫的作用大于钙和铈。镁作为球化元素可以使石墨球园整，对合金液处理前的含硫量范围适应性好，并且在亚共晶和过共晶成分的合金液均能起到良好的球化效果，但是由于镁与大部分反球化元素不相化合或者化合程度很小，故镁球化剂的缺点是抗反球化元素能力低^【1】；镁的密度低，在铁液中容易上浮，球化衰退快，形成夹渣、缩松和皮下气孔等缺陷的倾向大；而且反应剧烈，烧损大，烟雾大，恶化环境。稀土系球化剂：稀土的沸点高，其中铈的沸点为1400℃，密度大（7.4-7.6g/cm³），球化处理时无沸腾和火光烟尘，环境污染少，劳动条件好，但反应动力学条件差，石墨球圆整度差，常出现团状及团片状石墨，在大断面球墨铸铁件及热节部位易产生石墨畸变，白口倾向及石墨漂浮都比镁球墨铸铁严重；稀土元素能和反球化元素形成稳定的化合物，从而在一定程度上可抵消这些元素的干扰作用，对原铁液中反球化元素含量可比用镁时适当放宽；对过共晶成分的铁液有稳定的球化效果，对于含硫量为0.06%的铁液在残留铈为0.04%以上时，就能使铁液中石墨球化，但对亚共晶成分铁液要求铁液含硫量极低（0.006%），并且加入量大。稀土球化剂有利于净化铁水，铸件夹渣、缩松倾向小，但由于加入量高及成本高等因素一般不再单独使用，最好与镁复合使用。在球化剂常用的稀土中，镧的球化作用最弱，只有在激冷区有一定的球化作用。但镧氏球化剂可以延缓共晶过程中石墨的析出，对防治铸件缩松有一定的作用。轻稀土元素起球化作用的含量范围较窄，加入量不足难以球化，加入过多，白口倾向严重并出现异形石墨；重稀土元素钇对高碳过共晶合金液有很好的球化作用，在高碳过共晶合金液中，钇的球化能力比铈强，略逊于镁；碳量较低时，冷却快则成白口，冷却慢则不球化。钇与镁、铈不同的是可以过量加入，在碳当量和冷却速度适当时，加入量达到正常球化需要量的3-4倍也不出现白口，而且钇的脱硫能力极强，且不回硫。因此可以利用钇的过量增加和不回硫特点来提高铁液的抗衰退能力。钙系球化剂：钙的沸点1440℃，密度1.54g/cm³，作用平稳，对于要求高温球化处理（大于1500℃）的铁液，球化剂除了采用低镁低稀土的成分外，还可以在球化剂中添加一定含量的钙，延缓铁液与球化剂反应的剧烈程度。虽然从热力学的角度上其与硫、氧的亲和力比镁强，但与硫、氧反应的动力学条件差，球化能力弱，需要加入量大，造渣多。金属钙很容易氧化，不便于储存，故一般不单独做球化剂。加钙处理的球墨铸铁的白口倾向比加镁处理的白口倾向要小，使得加钙处理的球墨铸铁对硅、锰的敏感性较小，容易得到铸态铁素体基体。分别是含硅量、含锰量不同时，加钙处理与加镁处理的白口倾向对比。

目前单纯的稀土球化剂和钙系球化剂已不再单独使用，而是结合镁、稀土、钙的优点以合理的比例含量做成稀土镁硅铁合金球化剂。

2.2按照制作方法和形状可分为：普通球化剂和球化包芯线

普通球化剂是将几种合金或者金属用电炉熔化浇注成一定形状，或者破碎成一定行块度的颗粒；

球化包芯线是先将一定成分的球化剂破碎成一定细度的粉状颗粒，然后用包线机用一定宽度和一定厚度的铁皮将球化剂粉末颗粒或者是几种合金的粉末颗粒包裹成一定粗细的金属线，使用时用专用喂丝机以一定速度喂入金属液。

3.1球化剂种类的选择原则

球化种类的选择一般要根据铸件的种类、牌号、重量、结构，炉料的情况等来选择。

对材质中硅含量要求低的铸件，为防止球化过程中增硅过多，选用无硅的纯镁球化剂；对含干扰元素少的炉料，选用无稀土的纯镁球化剂或者镁硅铁合金球化剂；对含干扰元素多的炉料，选用含稀土的稀土硅铁镁合金球化剂；对大型珠光体球铁，选用铜镁合金；对高镍奥氏体、贝氏体球墨铸铁件，选用镍镁球化剂；对于铸态铁素体球墨铸铁件、高韧性铁素体球墨铸铁件，首先选用含钡的稀土硅铁镁合金，或者无稀土球化剂；对于铸件大小稳定，批量大，每次球化铁水重量稳定的铸件，首先考虑采用球化包芯线。

3.2球化剂成分的选择

球化剂的成分包括镁、稀土、钙等球化元素、硅、铝、和铜、镍、铁等。球化元素是主要起球化作用的元素，硅则在球化剂的熔炼过程中和镁形成MgSi合金，起到减少镁烧损和上浮的作用。铜、镍、铁含量的多少可以起到调节球化剂的密度的作用，防治在在球化反应过程中，球化剂上浮过快的作用，从而提高镁的吸收率。另外球化中还含有氧化镁，则是由在球化剂的生产过程中由金属镁氧化形成，另外氧化镁的含量高，增加铁液中氧化渣的数量，则铸件形成黑斑缺陷的机率就越大。

3.2.1镁含量的确定

球化工艺参数的确定

4.1 铁水球化量的确定

一次球化铁水量的多少决定于浇注时间的长短，最好一次球化铁水量要保证从铁液球化完到铁液完全浇完能够控制在12分钟内，最长不要超过15分钟。

4.2 球化温度的确定

铁液球化温度的高低是由浇注温度的高低决定的，也就是由尾箱需要满足的最低浇注温度决定的。

铁液的球化温度=尾箱的需要满足的最低浇注温度+出铁降温+球化降温+导包降温+运输、浇注过程的降温。球化温度确定的原则是在满足尾箱需要的最低浇注温度的前提下球化温度越低越好。

4.3 球化剂加入量的确定

球化剂的加入量取决于以下几个因素：

4.3.1 原铁水的含硫量 、含氧量

原铁水的含硫量越高，球化剂的加入量越高；原铁水的含硫量越低，加入量越低。铁液含氧量高时，加入量要高些。

4.3.2 球化剂中的镁、稀土含量

球化剂中镁含量高，球化剂加入量低；球化剂中镁含量低，球化剂加入量高。

4.3.3 铁水的球化处理温度

铁水的球化处理温度高，球化剂加入量高；铁水的处理温度低，球化剂加入量低。

4.3.4 球化处理工艺  

球化剂加入量的高低还要根据采用的球化处理工艺来定，采用镁的吸收率高的处理工艺，球化剂加入量低；采用镁的吸收率低的处理工艺时，球化剂加入量高。

表3：球化剂的粒度和一次球化铁水量的关系

4.5.5 球化后铁水的硫含量  

球化后铁液的硫含量高，随着时间的延长，球化衰退的快，残留镁量要控制的高些；球化后铁液的硫含量低，球化衰退的慢，残留镁量可以低些。

4.6 残留稀土的确定

球化后铁液残留稀土含量的多少根据以下因素确定：

4.6.1 铁液中反球化元素的含量多少  

当铁液中反球化元素含量高时，铁液的稀土残留量要高些；铁液中反球化元素的含量低时，铁液的稀土残留量要低些。

4.6.2 铁液温度

铁液温度高时，球化衰退速度快，铁液中残留稀土适当提高，可以减缓铁液球化衰退速度。

4.6.3 铸件壁厚

为防止薄壁铸件产生白口和厚大铸件中心产生碎块石墨，铁液的残留稀土要低些。

4.6.4 铸件的牌号（或者组织）

由于残留稀土提高铁液的过冷度，珠光体基体球铁残留稀土可适当高些，铁素体基体球铁残留稀土要低些。

4.7 喂丝球化速度的确定

喂丝球化工艺中喂丝速度决定决定着包芯线中镁的吸收率，合适的喂丝速度要保证球化丝伸入到离液面底部100～200mm时起爆，以保证包内铁液脱硫充分。喂丝速度过低，则不能保证球化包芯线深入到铁水包底起爆，使球化包底部的铁水不能和包芯线内的球化粉料充分接触脱硫；喂丝速度过快，则会使球化包芯线到达底部时不能起爆，使球化包芯线在浮力作用下上浮到铁液上部或者表面燃烧，起不到脱硫脱氧的作用。图4是铁水温度低时，因球化包芯线因为喂丝速度过快球化包芯线到达铁水包底部后上浮到铁液表面燃烧后的情况（铁水重量：7.5吨；铁水温度1430℃；喂丝速度50米/分钟，铁液喂丝球化前后硫含量几乎不变。后将喂丝速度调整为35米/分钟，脱硫、球化正常）。

4：喂丝速度过快造成的球化线上浮到铁液表面燃烧