水冷金属型球墨铸铁管中夹杂分析及控制措施

2018-12-20樊永辉

现代制造技术与装备 2018年11期

樊永辉

（安阳钢铁集团永通球墨铸铁管有限责任公司，安阳 455133）

球墨铸铁管做为自来输水管道的主要材料，与人们日常饮水健康息息相关，如果输水管道出现质量事故，会对人们的日常生活带来重大影响。因此，提升球墨铸铁管的质量，是每个铸管人义不容辞的责任。水冷金属型球墨铸铁管除了外形美观，重要的是内在质量有保证，例如水冷金属型球墨铸铁管延伸率较高（DN1000以上延伸率≥7%，DN1000及以下的管子延伸率≥10%）。水冷金属型球墨铸铁管内在高质量除了可以控制好铁基体中石墨球化率和大小，更重要的就是能够解决管中夹杂问题。下面本文就主要探讨一下水冷型球墨铸铁管中的夹杂分析和控制措施。

1 水冷金属型球墨铸铁管石墨杂质成分分析

1.1 铁水中含碳量和碳当量的关系

根据各种元素对共晶点含碳量的影响，将这几种元素含量以碳含量的增减形式表示，称为“碳当量”，以CE表示，为简化计算，一般只考虑硅、磷元素的影响，具体如式（1）所示。

将CE值与共晶点碳量（4.26%）相比，就可以判断出某一具体成分的铸铁偏离共晶点的程度，如CE值＞4.26%为过共晶成分；CE＜4.26%为亚共晶成分；CE＝4.26%为共晶成分。“碳当量”的高低不仅能够衡量铸铁偏离共晶点的程度，还可以间接推断出铸造性能以及该铸铁产品石墨化能力的大小，是一个很重要的参数。

针对本文研究的离心球墨铸铁管，按不同管径控制碳当量CE值，其最终目的是为了控制铁管含碳量，若铁水中的含碳量逐渐降低，也即是减碳量增加，证明该离心球墨铸铁管石墨漂浮越严重，这时铁水表面一般都会有一层浑浊的膜，很难清楚干净，最终使得铁管内壁形成一层黑渣，这种黑渣这要是由漂浮的石墨和铁的二次氧化物掺和在一起形成的，会对饮水者造成健康危害。

安阳钢铁集团永通球墨铸铁管有限责任公司对离心球墨铸铁管内部原铁液和试块采用钻屑法进行取样化验，具体数值如下表1所示。

表1 钻屑法取样化验数据

从表1可以看出，铁水的含碳量越高，减碳量越多，当铁水的含碳量降低到3.56%时，几乎很少发生减碳。从试块的平均碳量来看，原铁水含碳高的降到3.42～3.46%时将会趋于稳定，如果这时在原铁水中加入适当的含硅物，使原铁水达到要求的碳当量，就可以避免碳和石墨漂浮现象的发生，减少管子内壁的杂质。

1.2 碳含量降低发生的原因

1.2.1 共精度改变

一般来说都是铁液自身发生改变，造成铁液中CE值变大，使得整体共晶度提升，铁液的碳浓度增大，碳含量降低。

1.2.2 铁水温度下降

在球化处理和浇注成型过程中，由于铁水温度下降造成，根据相关数据显示，碳在铁水中的溶解度与铁水温度有关，一般是随温度升高而增加、随温度下降而减少，铁液受温度下降影响，自然为碳自行成核析出创造了条件。此外，铁液通过球化孕育处理后具有良好的形核能力，在铁水温度下降的情况下，很容易自行成核，到达一定尺寸，漂浮到铁液表面，形成一层浑浊的膜脱离铁液，这就是减碳的根本原因。

1.2.3 原铁水的石墨化能力

原铁水经球化孕育处理后，具有很强的石墨化能力。当温度下降到一定程度，导致铁水内部CE值当达到共晶点，有一部分碳形成的石墨漂浮到铁液表面。

2 铁水中杂质来源类型

2.1 铁水各种元素被氧化

铁水中硅含量对铁水杂质形成具有很大的影响。当硅含量升高时，杂质就容易产生，比如硅的氧化物可与铁液中的各种氧化物发生反应，生成硅酸盐，并且有些碳酸盐不易溶于铁水，就会上浮到铁水表面。再比如，硅的氧化物与氧化镁会形成镁橄榄石和顽辉石，其中镁橄榄石是主要的杂质，但这些杂质可以通过相关技术手段去除。但如果硅含量太低时，氧化物就不容易排除。由此可见，含硅量过高有助于夹渣的产生，从而进一步清理。

在铁液中，铁的氧化物等微粒在高温下是较强的还原剂。因此，在铁液中存在相关反应，如式（1）～式（3）所示。

上述反应是铁液碳含量随着熔炼时间延长而下降的主要原因。仅仅从反应（3）来看，铁液中的硅含量不会随熔炼的时间延长而下降，而应该升高；但是硅也是脱氧的元素，根据热力学定律，铁液中的硅与铁的氧化物存在相关反应，如式（4）、式（5）所示。

铁液表面的硅与空气中的氧会发生氧化反应，如式（6）所示。

根据反应（3）～（5），可以发现，Si02变成铁液表面的炉渣，铁液中硅的含量会随熔炼时间的延长而下降。同样道理，铁液中的其它元素，如锰、铬、镍、铜在与空气接触的表面也会发生类似的氧化反应。

硫元素是铁水中的有害元素，当铁液中含硫量过高时，铁水中炉渣明显增加，炉渣成分主要有硫化锰、硫化镁、硫化亚铁以及稀土硫化物，这些硫化物是球铁件形成夹渣的主要原因。另外，当硫含量过高时，就会增加铁水的粘度，造成其他熔渣和金属氧化物上浮到铁水表面，在浇铸过程中会残留在铸件中形成夹渣。因此，降低铁水中的硫含量会减小夹渣的产生，如中频电炉中熔炼的铁水，硫含量少，很少见到夹渣。而冲天炉熔炼的铁水含硫量高，就容易出现夹渣缺陷。因此铁水中含硫量应小于0.025%，避免夹渣的产生。

2.2 其他因素

第一，铁液在通过球化剂球化处理过程中，容易产生的夹渣，夹渣成分多为氧化镁，硫化镁等化合物，悬浮、散落在铁液中。

第二，熔炼过程中，炉衬、包衬材料等非金属夹杂物散落在铁液中。

第三，铁液在转运、扒渣、清理过程中，产生的二次夹渣，主要成分是铁液表面氧化膜破碎形成的残留物，悬浮或包裹在铁液中。

3 浇注温度对夹杂的影响

铁水浇注温度的高低对夹渣的影响非常大，无论铁水浇注温度过高或者过低，都会使铁铸管产生缺陷。例如浇注温度过低时，会导致液体金属粘度高，造成各种氧化物、硫化物不易上浮至铁水表面，且液体金属凝固较快，熔炼过程中的渣很容易残留在铸件中形成夹渣。但随着铁液温度的升高，夹渣物随着时间增加，会浮到铁水表面，便于清除。如果铁液温度过高，会导致铁水中再次出现夹渣，这种现象主要是由于液体金属表面的剧烈氧化，导致炉渣变得太稀薄，不利于浮到铁水表面而不易去除造成的，最后夹渣会随液体金属流入型腔。

另外，如果浇注温度过低，模粉和随流孕育剂会出现未完全融化情况，从而进入铁液内，在离心力作用下积聚到管子内壁，形成夹杂。其次，刷流槽时，流槽上涂料未清理干净，随着铁水进入管模，在离心力作用下积聚到管子内壁，形成夹杂，这是目前铸铁管内壁形成夹杂的一个主要原因。

4 控制措施

4.1 加强中频炉中铁液含碳量的控制

生产时，通过在电炉中加入废钢（约6～10%），将原铁液中含碳量降至工艺要求范围内，调至合适的碳当量。

4.2 在中频电炉中对铁液进行过热处理

首先，在一定范围内提高铁水的温度，延长铁水高温静置时间，使铁水中杂质能够浮到铁水表面，然后去除。同时，将铸铁中石墨及基体细化，提高铸铁一些性能。

其次.提高过热温度，延长高温静置时间，使铁液趋向于热力学平衡状态，以减少炉料遗传性。通过上述工艺，可以明显减少铁液中C形石墨数量及其尺寸。

4.3 提升铁水过热度

通过该工艺，铁液中氮含量、氧含量会略有上升，但过热温度达到1450℃以后，氧的含量会大幅度下降，铁液纯净度会有很大幅度的提高。在实际生产中，一般将铁液的过热温度设定在1500℃以上。

4.4 其他控制措施

较高的过热温度，或延长高温静置时间，都可以使悬浮在铁液中的夹渣上浮，从而提高铁液的纯净度。但对于较大管径的铸管来说，出铁温度一般较低（1480～1460℃），可采用短时将铁液温度至1500～1530℃，然后进行高温静置3～5min，也可达到提升铁液纯净度的目的。铁液的纯净度的提高，既可减少因夹渣引起的铸造缺陷，又可提高球化后的孕育处理效果，使组织和性能更加稳定、可靠。