避免球鐵鐵液在澆注過(guò)程中發(fā)生球化衰退和降低澆注溫度的澆注電爐的制作方法

專利名稱：避免球鐵鐵液在澆注過(guò)程中發(fā)生球化衰退和降低澆注溫度的澆注電爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及球墨鑄鐵鑄造技術(shù)領(lǐng)域，具休涉及刮'能夠避免球鐵鐵 液在澆注過(guò)程中發(fā)t球化袞退和降低澆注溫度的專用澆注設(shè)備。
技術(shù)背景球墨鑄鐵是20壯紀(jì)40年代末發(fā)展起來(lái)的'種鑄造合金，它是向鐵水中 加入球化劑和孕育劑而得到的球狀石墨鑄鐵。由于石墨呈球狀，其機(jī)械性能 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)灰鑄鐵，優(yōu)于可鍛鑄鐵，甚至接近鋼材，而價(jià)格低于鋼，并且仍具 有普通灰口鑄鐵的昨多優(yōu)良性能，如良好的鑄造性、減震性、切削加工性及 低的缺口敏感性等。閑此，許多重要機(jī)械零件如曲軸、連桿、齒輪、閥休、 缸套等均可釆用球墨鑄鐵，以節(jié)約鋼材、降低成本，球墨鑄鐵以其優(yōu)良的性 能，在使用中有時(shí)可以代替昂貴的鑄鋼和鍛鋼，在機(jī)械制造丁業(yè)中得到7''泛 '應(yīng)用。在牛.產(chǎn)球墨鑄鐵的工藝過(guò)程中，決定球墨鑄鐵機(jī)械性能的主要因數(shù)有(1)主要取決于鐵液凝固過(guò)程中所形成的石墨形狀，而不是其碳硅等化學(xué)成分，因此被稱為生產(chǎn)性能不穩(wěn)定的"魔術(shù)"金屬材料。球鐵是在完成原 鐵液的冶煉之后再逐包進(jìn)行球化處理的，不僅不同包次的球鐵鐵液會(huì)存在差 另IJ，更主要是同一包鐵液也會(huì)在數(shù)分鐘內(nèi)就發(fā)生"球化衰退"變化，使前后 不同時(shí)間所澆的鑄件其性能出現(xiàn)很大差別。這兩點(diǎn)原因，大大增加了工j '生 產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制的難度，球鐵也因此被看成是不穩(wěn)定的"低可靠性材料"，限制了它的進(jìn)-v步發(fā)展。(2)球墨鑄鐵鐵液因發(fā)生"球化衰退"而不允許再進(jìn) 行澆注的有效澆注時(shí)間很短，通常只有十幾分鐘。而此時(shí)對(duì)鐵液進(jìn)行加熱保 溫會(huì)明顯加劇球化衰退的速度，l天j此球鐵件生產(chǎn)線目前幾乎不使用澆注電爐 設(shè)備，澆注過(guò)程中鐵液降溫現(xiàn)象比較嚴(yán)煮，從而帶來(lái)與澆注溫度相關(guān)的廢品 率升高。(3) H前發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用T汽車丄業(yè)球鐵件造型、澆注流水線的惰性氣體(氬氣、氮?dú)?保護(hù)氣壓澆注的方法，雖然解決了澆注溫度不穩(wěn)定的問(wèn) 題，使得澆注溫度穩(wěn)定可控，并明顯延緩了發(fā)生球化衰退的時(shí)間，但是并沒(méi) 有杜絕球化衰退問(wèn)題，而必須靠提高入爐鐵液的殘余鎂量來(lái)不斷補(bǔ)充球鐵鐵 液的球化劑損耗，既增大了球化劑消耗，又造成鐵液中過(guò)量金屬鎂不斷與爐 襯反應(yīng)，使得爐襯不斷增厚，縮短了電爐爐襯的維修使用周期。同時(shí)，由于 需要對(duì)澆注電爐進(jìn)行氣體密封，使得爐子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維護(hù)技術(shù)難度大， 設(shè)備投資大。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠避免球鐵鐵液在澆注過(guò)程中發(fā)生球 化衰退和降低澆注溫度的專用澆注設(shè)備，其能夠解決上述三項(xiàng)問(wèn)題，穩(wěn)定澆 注溫度，完全避免球化衰退，從而減少球鐵件生產(chǎn)的廢品損失；降低球化劑 的消耗，降低球鐵鐵液澆注電爐的操作與維修難度，從而降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn) 化工人的修爐、扒渣操作的。本項(xiàng)技術(shù)設(shè)備對(duì)于提高球墨鑄鐵的可靠性，滿 足球墨鑄鐵長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定化生產(chǎn)，特別是對(duì)于汽車零件、離心鑄管等大批量 連續(xù)生產(chǎn)球墨鑄鐵件的企業(yè)，具有重要的推廣、應(yīng)用意義。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為本實(shí)用新型澆注電爐設(shè)備包括爐體，配設(shè)在 爐體上的澆注口和入料開口，配套設(shè)置的對(duì)澆注鐵液進(jìn)行定量的裝置，爐體 結(jié)構(gòu)形式可以是底注式，或是氣壓式，其密封的爐內(nèi)使用富含氧氣的壓縮空 氣，而不使用氮?dú)饣驓鍤?、或是傾倒式的結(jié)構(gòu)，其特征在于在爐體上部設(shè) 有石墨電極，在爐內(nèi)爐內(nèi)球鐵鐵液上設(shè)有富含Mg2+、 QT等活潑金屬離子 的高溫熔融堿性爐渣液(特別注明本文中各離子前后的圓括號(hào)"()"表示該離子為 堿性爐渣中所含的離子各離子甜后的方括號(hào)"[]"表示該離子為球鐵鐵液中的離子)， 在球鐵鐵液內(nèi)設(shè)有電極，石墨電極的下端始終保持伸入在堿性爐渣液內(nèi)，配 套設(shè)置有直流電源系統(tǒng)，電源陽(yáng)極連接石墨電極上端，電源陰極連接球鐵鐵 液內(nèi)設(shè)置的電極。本發(fā)明在爐體內(nèi)增加設(shè)置有加熱鐵液的感應(yīng)加熱裝置、或燃?xì)饣蛉加蜔旒訜嵫b置、或氧-燃?xì)饣鹧鏌旒訜嵫b置、或等離子體加熱裝置，或周時(shí) '增加設(shè)置上述幾種附加加熱裝置。本發(fā)明該直流電渣澆注裝設(shè)備的耐火材料 內(nèi)襯材料最好采用富含Mg0的鎂砂或煅燒白云石類堿性耐火材料打結(jié)修砌， 并強(qiáng)調(diào)避免使用富含SiO, 、 Al必,的耐火材料打結(jié)。上述澆注電爐設(shè)備，其直流電渣澆注設(shè)備中覆蓋在鐵液頂面的堿性渣液材料的成分為富含Mg2+、 Ca2+ 等活潑金屬離子的多元渣，熔渣的熔點(diǎn)調(diào)整控制在1250t: 1500T:的適當(dāng)范 圍內(nèi)。本項(xiàng)發(fā)明利用"直流電解槽"的電冶金原理，該澆注電爐設(shè)備設(shè)有一套 直流電渣系統(tǒng)爐內(nèi)球鐵鐵液上設(shè)有富含Mg、 Ca2+等活潑金屬離子的高 溫熔融堿性爐渣，爐體上部設(shè)有插入熔融堿性爐渣層的石墨電極爐，在球鐵 鐵液內(nèi)設(shè)有連接直流電源系統(tǒng)的電極；將球化鐵液作為陰極(利用底電極或 側(cè)電極供電)、將插入熔融的堿性爐渣層的石墨電極作為陽(yáng)極、將熔融的堿性 爐渣作為液態(tài)電解質(zhì)。球鐵鐵液靠浮在鐵液頂面的高溫熔融堿性爐渣進(jìn)行密 封，以使?fàn)t內(nèi)球鐵鐵液與大氣中的氧氣完全隔絕。爐內(nèi)注入球鐵鐵液注后接 通低電壓、大電流的直流電，直流電的電流強(qiáng)度根據(jù)電爐容量確定在每小 時(shí)每噸鐵水20、50法拉第的電流當(dāng)量，接通直流電后部分電能變成化學(xué)能， 在溫度控制為15(XTC 160(TC的高溫堿性渣液中會(huì)發(fā)生電解反應(yīng)，渣中Mg2+、 《a"等陽(yáng)離子向陰極定向移動(dòng)，而渣中S2-等陰離子向陽(yáng)極移動(dòng)，鐵液中殘余 的S2—等陰離子也會(huì)上浮和被異性電極的吸引而進(jìn)入熔渣；這些高溫熔渣中 的S2—陰離子，以及在球化處理包向澆注爐內(nèi)注入鐵液時(shí)帶進(jìn)高溫堿性渣的少 量高硫渣中的S2—陰離子，都可在陽(yáng)極附近失去電子而變?yōu)橛坞x態(tài)的高溫液態(tài) 硫，接觸空氣后直接燃燒成SCV氣體，從而不斷從熔融堿性渣中被清除掉；捧 通直流電的電量足夠時(shí)，渣金界面存在的電極電位就會(huì)使鐵液中的游離態(tài) Mg含量和渣中的離子Mg2+含量達(dá)到保證球化工藝要求的電化學(xué)平衡，這能抑 制球鐵鐵液中的Mg原子失去電子變?yōu)镸g2'陽(yáng)離子而進(jìn)入熔渣，從而維持鐵 .液中的殘余鎂量不再降低，甚至當(dāng)不慎注入爐內(nèi)一包殘余鎂量偏低已發(fā)生球化衰退的鐵液、并造成澆注電爐內(nèi)鐵液的整體殘余鎂量下降時(shí)，還能使該鐵 液的含鎂量增加和恢復(fù)到正常值，防止球化衰退。鐵液和電渣中殘存的(s2—)陰離子可在陽(yáng)極附近失去電子成為游離態(tài)的高溫液體硫，當(dāng)其—卜浮到高溫爐渣表面時(shí)便接觸到空氣中的氧氣，立即氧化 燃燒生成SO,.氣休，莨接棑出爐外，從而利于堿性爐渣的長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)使用(S:) - 2e 二 (S) (S)-化S02個(gè)當(dāng)不同電極之間的電位達(dá)到一定的足夠大的數(shù)值時(shí)，爐渣中的金屬陽(yáng)離 子也會(huì)在陰極上析出。例如，在直流電的電解作用下，鐵液頂部的堿性爐渣 (也包含部分脫落爐襯沖的MgO、MgF2、CaO、等化學(xué)成分里的(Mg2+)禾卩(Ca2 "陽(yáng)離子，在接觸到作為陰極的鐵液之后也獲得電子被還原，變?yōu)閇Mg]、 lCa]等而進(jìn)入鐵液(Mg" '.+- 2e 二 「Mg] 在這種直流電渣爐中保溫的球鐵鐵液，可在500 2000A直流電的作用 下，使w(Mg)的損失大大降低，并在鐵液w(Mg)接近金渣界面電化學(xué)平衡 值時(shí)，衰退速度趨于零，使得鐵液殘余鎂量趨于平穩(wěn)，且滿足了澆注工藝所 要求的w(Mg) >0.030 0.050%的范圍，從而完全消除了球化衰退的可能。 至于球化處理包帶進(jìn)的少量松散顆粒狀的MgS渣子，也可以不必扒渣而 連同鐵液直接傾入澆注電爐，這時(shí)浮在渣層頂面的顆粒狀的MgS渣在高溫作 用下可直接與空氣中的氧氣發(fā)生置換反應(yīng) 一2MgS + CX' 2 MgO + S2 & + 2 02 二 2 S02 t 生成的MgO進(jìn)入爐渣，從而既減少了扒渣的工作量，又可廢物重新利用， 使得球化過(guò)程中起到脫硫作用的金屬鎂，在本澆注電爐中實(shí)現(xiàn)了重復(fù)利用2MgS + 3 (X - 2 MgO + 2 SO:, t 本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明在防止球化衰退等生產(chǎn)技術(shù)中，把球鐵由一種不穩(wěn)定、不可靠的材料改變?yōu)楦叨确€(wěn)定、可靠的材料，把球鐵生產(chǎn)過(guò)程 質(zhì)量控制由依賴人的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心進(jìn)行爐前檢驗(yàn)和事后把關(guān)，轉(zhuǎn)化為對(duì)工藝 設(shè)備進(jìn)行程式化的澆注前后的工藝調(diào)控，"勞永逸地解決了球鐵材質(zhì)性能穩(wěn) 定問(wèn)題。實(shí)際上，這是球鐵生產(chǎn)技術(shù)誕生五十多來(lái)的一項(xiàng)具有突破性意義的 重大技術(shù)進(jìn)步。直流電渣保護(hù)澆注電爐設(shè)備的主要作用可以歸納為以下幾點(diǎn)① 澆注電爐的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，爐子無(wú)需密封，也無(wú)需定期扒 渣處理，爐襯也不會(huì)逐漸增厚，設(shè)備操作更簡(jiǎn)單；最重要的是該設(shè)備減緩球 化衰退的功能更強(qiáng)，甚至可以使之完全避免(從理論上講，直流電渣爐內(nèi)的 鐵液的球化維持時(shí)間可以延長(zhǎng)到無(wú)限大)，并使球化劑消耗降低，加入量趨向 平穩(wěn)，使得球鐵材料的生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制水平大大提高，使其材質(zhì)性能的可 靠性提高到前所末有的程度；② 電渣加熱鐵液避免了澆注溫度隨時(shí)間推移而不斷下降，保證了澆注溫 度合格、穩(wěn)定，波動(dòng)最小，從而提高鑄件質(zhì)量，明顯減少與鐵液澆注溫度有 關(guān)的廢品損失(在球鐵件的鑄造生產(chǎn)中，這類廢品不僅種類多，而且在廢品 總量中所占的比重很高，除了明顯的冷隔、澆不足、針孔、打壓實(shí)驗(yàn)不合格 等等之外，還有皮下氣孔、黑渣、渣眼、砂眼、縮松、硬度偏高等，都與澆 注溫度偏低有關(guān))。③ 為澆注大口徑管等大噸位球鐵鑄件(例如核廢料儲(chǔ)罐等)，鐵液的一 次澆注量有時(shí)會(huì)超過(guò)幾十噸，如果用普通球化處理工藝設(shè)備-々欠處理這樣多 的球鐵鐵液，將需要增加特大噸位的球化處理鐵液包和重型天車等設(shè)備，一 般企業(yè)很難辦到。采用這種澆注電爐來(lái)逐包積蓄足量的合格球鐵鐵液，就可 以用"螞蟻啃骨頭"的辦法，在非重型鑄工車間就可生產(chǎn)重型球鐵鑄件，而 不必購(gòu)置大噸位球化處理鐵液包和重型天車等設(shè)備，也不需要提高廠房承重 要求，就能擴(kuò)大車間生產(chǎn)能力，這對(duì)我國(guó)許多大中型鑄造企業(yè)都有很規(guī)實(shí)的 和很重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。與惰性氣體保護(hù)氣壓澆注電爐相比，這種直流電渣保護(hù)澆注爐具有以下 優(yōu)點(diǎn)① 設(shè)備結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，爐體爐蓋不密封，因此也不需要復(fù)雜的氣壓控制 伺服機(jī)構(gòu)，而是靠浮在鐵液上面的厚實(shí)的液態(tài)電渣層使其與大氣中的氧氣完 全隔絕，從而更可靠地起到"密封"作用；設(shè)備的簡(jiǎn)化也使其可靠性提高、 投資降低，既便于制造維修和爐襯打結(jié)，也便于操作控制。② 由于進(jìn)入高溫電渣中的硫可以被氧化成氣體產(chǎn)物SO,跑掉，而渣中的鎂離子在渣-金界面的電化學(xué)作用下還能重新還原回到鐵液中去，因此，對(duì)轉(zhuǎn) 包球化反應(yīng)所產(chǎn)生的硫化鎂、氧化鎂渣子可不經(jīng)扒渣處理就直接傾入澆注電 爐，使渣中的鎂元素可在其中再循環(huán)利用而"化害為利"、"變廢為寶"。取消 扒渣工序還會(huì)改善球化工的勞動(dòng)條件，簡(jiǎn)化操作工藝、縮短處理時(shí)間、提高 生產(chǎn)效率，并因減少了轉(zhuǎn)包中鐵液的降溫而P省保溫電能。③ 由于電渣保護(hù)澆注電爐中的渣-金界面存在電極電位，鎂含量達(dá)到平 衡值后，鐵液的殘余鎂將不再損失，所以轉(zhuǎn)包球化處理工序能夠明顯減少金屬鎂的加入量，使鐵液殘余鎂達(dá)到w (Mg)《0. 04% 0. 05%的正常水平即可。這不僅降低了球化劑成本，也解決r爐襯增厚問(wèn)題。本項(xiàng)技術(shù)設(shè)備對(duì)于提高球墨鑄鐵的可靠性，滿足球墨鑄鐵長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定 化生產(chǎn)，特別是對(duì)于汽車零件、離心鑄管等大批量連續(xù)生產(chǎn)球墨鑄鐵件的企 業(yè)，具有重要的推廣、應(yīng)用意義。

圖1為本實(shí)用新型中底注式澆注電爐設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本實(shí)用新型中氣壓式澆注電爐設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖 圖3為本實(shí)用新型中傾倒式澆注電爐設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
如附圖1所示本實(shí)用新型中底注式澆注電爐設(shè)備，包括澆注爐體1，澆 注口 2，澆注口 2配設(shè)有塞桿3 ，在爐內(nèi)球鐵鐵液5上設(shè)有富含Mg"、 Ca2+等活潑金屬離子的高溫熔融堿性爐渣液6，在球鐵鐵液5內(nèi)設(shè)有側(cè)插電極7，在澆注爐體1上設(shè)置有配設(shè)了自動(dòng)升降裝置的石墨電極4，保持石墨電極4 的下端始終伸入熔融堿性爐渣液6內(nèi)。配套設(shè)置的直流電源系統(tǒng)為8，其陽(yáng) 極連接石墨電極4的上端，其陰極連接側(cè)插電極7。如附圖2所示本實(shí)用新型中氣壓式澆注電爐設(shè)備，其密封的爐內(nèi)使用富 含氧氣的壓縮空氣，而不使用氮?dú)饣驓鍤猓t體al，澆注口a2，澆注口 a2配設(shè)有奉桿a3，在爐內(nèi)球鐵鐵液a5上設(shè)有富含Mg, &2+等活潑金屬 離子的高溫熔融堿性爐渣液a6，在球鐵鐵液a5內(nèi)設(shè)有側(cè)插電極a7，或底電 極a\7，在澆注爐體al上部的蓋子a9上設(shè)置有配設(shè)了自動(dòng)升降裝置的石墨 電極a4，保持石墨電極a4的下端始終伸入熔融堿性爐渣液a6內(nèi)。配套設(shè)置 的直流電源系統(tǒng)為a8，其陽(yáng)極連接石墨電極a4的上端，其陰極連接側(cè)插電 極a7或底電極a\7。蓋子a9上還配設(shè)有壓氣排氣系統(tǒng)a10。如附圖3所示本發(fā)明中傾倒式澆注電爐設(shè)備，包括爐體bl，澆注口b2， 入料開口，澆注口 b2配設(shè)有塞桿b3，在爐內(nèi)球鐵鐵液b5上設(shè)有富含Mg2+、 Ca"等活潑金屬離子的高溫熔融堿性爐渣液b6，在球鐵鐵液b5內(nèi)設(shè)有水冷底 電極b7。在澆注爐體W上部的蓋子b9上設(shè)置有配設(shè)了自動(dòng)升降裝置的石 墨電極b4，保持石墨電極b4的下端始終伸入熔融堿性爐渣液b6內(nèi)。配套設(shè) 置的直流電源系統(tǒng)為a8，其陽(yáng)極連接石墨電極b4的上端，其陰極連接底電 極b7。
權(quán)利要求1、避免球鐵鐵液在澆注過(guò)程中發(fā)生球化衰退和降低澆注溫度的澆注電爐，該設(shè)備包括爐體，配設(shè)在爐體上的澆注口和入料開口，配套設(shè)置的對(duì)澆注鐵液進(jìn)行定量的裝置，爐體結(jié)構(gòu)形式可以是底注式，或是氣壓式，或是傾倒式的結(jié)構(gòu)，其特征在于在爐體上部設(shè)有石墨電極，在爐內(nèi)球鐵鐵液上設(shè)有一層高溫熔融堿性爐渣液，在球鐵鐵液內(nèi)設(shè)有電極，石墨電極的下端伸入堿性爐渣液內(nèi)，配套設(shè)置有直流電源系統(tǒng)，電源陽(yáng)極連接石墨電極上端，電源陰極連接球鐵鐵液內(nèi)設(shè)置的電極。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的澆注電爐設(shè)備，其特征在于在爐體內(nèi)增加設(shè) 置有加熱鐵液的感應(yīng)加熱裝置、或燃?xì)饣蛉加蜔旒訜嵫b置、或氧—燃?xì)饣鹧?燒嘴加熱裝置、或等離子體加熱裝置，或同時(shí)增加設(shè)置上述幾種附加加熱裝置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的澆注電爐設(shè)備，其特征在于該直流電渣澆注裝設(shè)備的耐火材料內(nèi)襯材料最好采用富含MgO的鎂砂或煅燒白云石類堿性耐 火材料打結(jié)修砌，并強(qiáng)調(diào)避免使用富含Si02 、 Al203的耐火材料打結(jié)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及球墨鑄鐵鑄造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能夠避免球鐵鐵液在澆注過(guò)程中發(fā)生球化衰退和降低澆注溫度的專用澆注設(shè)備。本實(shí)用新型澆注電爐設(shè)備包括爐體，配設(shè)在爐體上的澆注口和入料開口，配套設(shè)置的對(duì)澆注鐵液進(jìn)行定量的裝置，爐體結(jié)構(gòu)形式可以是底注式，或是氣壓式，或是傾倒式的結(jié)構(gòu)，在爐體上部設(shè)有石墨電極，在爐內(nèi)爐內(nèi)球鐵鐵液上設(shè)有富含(Mg²⁺)、(Ca²⁺)等活潑金屬離子的高溫熔融堿性爐渣液，在球鐵鐵液內(nèi)設(shè)有電極，石墨電極的下端始終保持伸入在堿性爐渣液內(nèi)，配套設(shè)置有直流電源系統(tǒng)，電源陽(yáng)極連接石墨電極上端，電源陰極連接球鐵鐵液內(nèi)設(shè)置的電極。本實(shí)用新型能夠穩(wěn)定澆注溫度，完全避免球化衰退，從而減少球鐵件生產(chǎn)的廢品損失；降低球化劑的消耗，降低球鐵鐵液澆注電爐的操作與維修難度，從而降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化工人的修爐、扒渣操作的。本項(xiàng)技術(shù)對(duì)于汽車零件、離心鑄管等大批量連續(xù)生產(chǎn)球墨鑄鐵件的企業(yè)，具有重要的推廣、應(yīng)用意義。
文檔編號(hào)C21C1/00GK201217070SQ20082007644
公開日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月10日
發(fā)明者劉巨仁, 王宇新 申請(qǐng)人:王宇新;劉巨仁