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TWI421349B - 製造鑄鐵之改良方法 - Google Patents

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TWI421349B
TWI421349B TW096126848A TW96126848A TWI421349B TW I421349 B TWI421349 B TW I421349B TW 096126848 A TW096126848 A TW 096126848A TW 96126848 A TW96126848 A TW 96126848A TW I421349 B TWI421349 B TW I421349B
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Emmanuel Berthelet
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Foseco Int
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    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
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Description

製造鑄鐵之改良方法
本發明係關於一種製造延性鑄鐵之方法。
為了於鐵鑄件中達成合適之機械性質，液體鐵必須具有正確之組成及其亦必須包含適合之核種，以於固化時引發正確之石墨形態。液體鐵必須具有適合之‘石墨化潛能’。此主要係由其“碳當量值”決定。經由成核作用(例如經由所謂接種劑之受控制之添加)而調節石墨化潛能，係正常之實務。接種劑大多數係以石墨、矽鐵或矽化鈣為基礎，而矽鐵係最通常使用者。
延性鑄鐵(亦以球狀石墨(SG)鑄鐵或球墨鑄鐵而已為吾人所知)與灰鑄鐵不同，其中於前者中，石墨之沈澱係於個別之球狀體而非互連之薄片之形式。石墨之沈澱成為球狀體之促進係經由於鑄造之前(及於接種處理之前)，以所謂球化劑(通常鎂)處理液體鐵而達成。可將鎂如純金屬、或較通常如合金諸如鎂－矽鐵或鎳－鎂加入。其他材料包括金屬塊(briquettes)諸如“NODULANT”(TM)(自鐵與鎂之粒狀混合物形成)、及以鎂及其他材料填充之中空軟鋼線。就大體而論，鎂處理應造成於液體鐵中約0.04%之殘餘之鎂。然而，具有多種關於此種鎂添加之困難。與液體鐵比較，鎂於相對地低之溫度沸騰，因此於處理溫度具有由於鎂之高蒸氣壓而導致之劇烈反應，造成液體鐵之劇烈之攪動及鎂於蒸氣形式之值得注意之損失。此外，於處理之期間，於鐵中生成氧化物及硫化物，造成於金屬表面上之浮渣形成。此種浮渣必須於鑄造之前儘可能完全地移除。而且，於處理後，於液體鐵中殘餘之鎂於其中曝露於空氣之金屬表面連續地氧化，造成鎂之損失，其可能影響石墨球狀體之結構，及形成之浮渣可能造成於鑄件中有害之夾雜物。鎂之損失至大氣及於硫化物及氧化物之生成中係可變動的，及致使預測用於特定批次之添加之適合水準變成困難，及亦需要對於該鐵以多至100%或更多(50%或更多之鎂可能損失)‘過量添加’。以費用、處理之容易及於最後鑄件之機械性質及整體性質中之可預測性之觀點，此等因素明顯地係不利的。
此外，鎂事實上係碳化物促進劑，因此於鎂處理後所需要之接種劑之含量係相對地高的。由於為了經濟之理由任何廢料通常係返回至方法之起點，因此具有於時間之期間於鐵中之矽含量(衍生自接種劑及球化劑添加)上升之趨勢，限制可使用之廢料之比率(於方法之終點所需要之矽之含量係由鑄件之規格預先決定)。
已作嘗試以減輕牽涉鎂添加之問題。例如，Foseco已結合鎂球化劑之添加與鋇合金(例如於商品名稱“INOCULIN 390”下銷售及具有下列組成(以重量%計)60－67之Si、7－11之Ba、0.8－1.5之Al、0.4－1.7之Ca，餘量係Fe)之添加。除非不同地表示，否則於後文中呈現之所有組成係以重量%呈現。此等合金之使用可減輕於以上略述之某些問題，但不是於可靠及可預測之方式。
本發明之一項目的係提供一種製造延性鑄鐵之改良方法，其排除或減輕一種或多種與先前技藝方法相關之問題。
根據本發明之第一種態樣，有提供一種用於製造延性鑄鐵之方法，其包含下列之連續階段：(i)以包含有效數量之與Mg不同之族Ⅱ a金屬之初始劑處理液體鐵，(ii)於步驟(i)後之預定之時間，以包含鎂之球化劑處理該液體鐵，(iii)以引發共熔之石墨成核作用之接種劑處理該液體鐵，及(iv)鑄造該鐵。
本發明係以於球化劑添加之前，以初始劑預處理鐵造成多種之重要並且令人驚訝之利益之發現為基礎。
較佳地，於階段(i)中使用之初始劑之族Ⅱ a金屬係Ba、Sr或Ca，及最佳地Ba。
較佳地，階段(i)之初始劑係矽鐵合金。更佳地，該矽鐵合金係下列之重量百分比40－55之Si、5－15之M，更加較佳地係46－50之Si、7－11之M，其中M係族Ⅱ a金屬(最佳地Ba)，餘量係Fe及可能存在之任何不可避免之雜質。
該合金可包含次要數量之由下列之一種或多種選出之其他形成合金之元素：Al、Ca、Mn及Zr，例如獨立地，0－2.5之Al(較佳地0－1.5之Al)、0－2之Ca、0－3之Mn及0－1.5之Zr。當存在時，此等元素之最低含量較佳地係：0.5之Al、1之Ca、2之Mn及0.5之Zr。
一種很較佳之合金係33.7－41.3之Fe、46－50之Si、7－11之Ba、0.01－1之Al、1.2－1.8之Ca、0.01－2.5之Mn及0.01－1之Zr。
於階段(ii)中使用之含Mg之接種劑可係Mg金屬(例如鑄錠或夾心之金屬線)、MgFeSi合金(較佳地3－20%之Mg)、Ni－Mg合金(較佳地5－15%之Mg)、或Mg－Fe金屬塊(較佳地5－15%之Mg)。
階段(ii)之處理習用地將係於階段(i)之後於約1與10分鐘之間進行。為了實務之理由，30秒係絕對之最低值，而於階段(i)之後至少2分鐘係特別便利的。最便利地，階段(ii)係於階段(i)之後約4分鐘進行。
較佳地，計算於階段(i)中加入之初始劑之數量，以供給至少0.035%之族Ⅱ a金屬(液體鐵之重量比)。無關於過量添加之特定問題，但是對於大多數應用，0.04%(例如10%之含Ba之初始劑之0.4%)應係足夠的。
通常，最適化於延性鑄鐵中之Si之含量至約2.2－2.8%。於低於此之含量，肥粒鐵之比率係降低及形成碳化物之不合格之含量。本方法容許於矽之含量中以約10至15%之降低。此不僅降低將矽合金加入鐵中之使用及費用，而且有利地，亦提高鐵之衝擊抗力及鑄件之切削性質。
較佳地，計算於含Mg之球化劑之數量，以造成於液體鐵中約0.03%(例如0.025%至0.035%)殘餘之Mg，即與傳統之方法比較，約25%之降低。
階段(iii)之接種劑之特定之本質不是重要的及可使用對於延性鑄鐵適合之任何已為吾人所知之接種劑，例如以矽鐵(較佳者)或碳化鈣為基礎之接種劑。
根據本發明之第二種態樣，有提供一種用於延性鑄鐵之製造中使用之初始劑，該初始劑係具有下列之以重量百分比表示之組成之矽鐵合金：40－55之Si、5－15之M，其中M係與Mg不同之族Ⅱ a金屬，較佳地Ba，餘量主要係鐵連同視需要次要數量(不超過總量之10重量%)之Al、Ca、Mn及/或Zr及任何不可避免之雜質。
熟諳之人士將暸解，原料液體生鐵之氧含量將係與其之溫度(氣體吸收速率)、保溫時間、箱子重量及塑造線之速度相關。一般言之，緩慢運轉之鑄造方法包含低含量之氧(例如低於40 ppm)及快速運轉之鑄造方法包含高含量之氧(例如高於80 ppm)。由於鎂將與存在之任何氧化合以生成MgO，及僅自由態殘餘之鎂促進石墨球狀體之球化作用，因此氧含量對於球化作用所需要之鎂之數量具有直接之關係。由於氧之數量係可變動的(及實質上尚未為吾人所知)，因此以正確數量之鎂加入鐵中不是可能的。於其中氧含量係低之情況中，將具有過量數量之自由態鎂。此造成碳化物(硬相)之促進及增加之氣體缺陷及收縮。於他方面，於氧含量係高之情況中，將具有過量數量之MgO，其造成非圓形之石墨球狀體、熔渣夾雜物及表面缺陷。
初始劑之目的因此係經由將氧活性“再設定”或去活化而補償可變動之氧含量。由於在隨後之鎂添加後，於MgO之生成中不消耗鎂，因此可很較精確地計算Mg添加之需要之水準。由於Mg之需要之數量將不可避免地比先前已使用者較低，亦降低反應之劇烈，因此進一步將過量添加之需要減少至最低。無論如何，本發明之主要利益係，決定Mg添加之水準之剩餘之參數係常數、可預測的或測量的。
族Ⅱ a初始劑及鎂球化劑之連續之使用係特別有效的。經驗已顯示，對於引發石墨球狀體以需要之球狀之形狀成長，鎂顯然係最佳之材料。然而，於其之其他性質中，鎂遠非理想的：其比該族之其他份子較劇烈地反應，其氧化物較不安定，其具有高之衰退(fading)傾向，其形成大數量之“黏性”矽酸鹽熔渣，該熔渣促進於最後鑄件中之缺陷、及對於成核石墨球狀體之最初生成中其不是特別良好的。於該族Ⅱ a中自Ca往下移至Sr及Ba，反應劇烈性係降低、氧化物之安定性提高、衰退傾向降低及成核作用能力增加。此外，熔渣傾向於係氧化物而非矽酸鹽及係較容易自鐵分離。
應了解，不論於鐵中之氧係由Mg或由初始劑(較佳地Ba)消耗，其含量仍然尚未為吾人所知，因此仍然需要過量添加。然而，由於初始劑之族Ⅱ a金屬係比Mg較低促進碳化物的及較容易製造以處理熔渣，因此以引發劑過量添加之結果絕不是如以Mg過量添加之不利。
雖然以將熔解物去氧之觀點，所有之族Ⅱ a金屬皆將係有利的，但是Ba之使用係特別有利的。於使用過量初始劑之情況中，相對地小之核種將聚集一起，藉此增加彼等之表面積及浮動機構接管，致使該過量係如熔渣移除(換言之，不同於其中於殘餘之Mg中之自由態Mg之數量可變動之Mg，於鑄造之構件中此不是變數)。換言之，本發明可係看為將一種冶金變數(氧含量)(其顯示本身如於鑄造之構件中之變動性)轉換為方法變數(以氧為基礎之熔渣)(其係方法之參數及完全與鑄造之構件分開)之方法。由於在週期表中鋇以上之元素係較輕及將較快速地浮出，因此彼等將具有較快速地衰退之傾向。鋇以下之元素(即Ce)將趨於沈降至爐/盛桶之底部。他方面，BaO具有約與液體鐵相同之密度，因此於成核作用方法中將均勻性增至最大並獲得之機會係僅以Ba方能實現。
現將參考附隨之圖說明本發明之具體實施例。
參考圖1，顯示進行本發明之方法之略排列圖。原料生鐵係於爐2中熔解及轉移至保溫爐4(路線A)。然後將熔解之鐵澆鑄入第一(初始之(initialising))盛桶6，其係已預添加初始劑。維持適合之溫度以有利於鋇氧化物之生成係重要的，及視精確之設立而定，此可係經由“過度加熱”其中無第一盛桶6之溫度控制(計及於第一盛桶6中之保溫時間)之保溫爐4、或經由使用加熱之第一盛桶6而達成。然後將已初始之鐵澆鑄入第二盛桶8中，其係已預添加球化劑(或者，可將球化劑加入已初始之鐵中，例如經由柱塞方法或如夾心之金屬線)。然後，金屬可係於習用之方式以接種、澆鑄及其他之方式處理。
於路線B中，於單一之容器(諸如GF轉爐盛桶10)中進行實質上相同之方法。GF轉爐盛桶實質上係以耐火材料襯裡之大容器，其係可傾斜90度。當安排轉爐10以接收熔解鐵之進料時，將初始劑12添加於轉爐之地板上及將球化劑14保留於口袋(該口袋係經由所謂Salamander板16而於轉爐盛桶10之側壁與頂之間形成)中，致使於此種位置中，維持球化劑高於鐵進料。一旦已發生初始作用(initialisation)後，將轉爐傾斜90度，致使球化劑現在係於其傾斜位置中之轉爐盛桶之地板與側壁之間。液體鐵穿過口袋及實現球化作用。
鑄造場試驗1：延性鑄鐵管製造案例研究
可觀數量之延性鑄鐵製造係從事於管之製造，例如用於自來水或廢水系統。延性鑄鐵管提供鑄鐵(灰鑄鐵)之所有利益但係較強性、較耐久及撓性。對於指定之內徑，可比鑄鐵相等物較薄、較輕及因此較廉價地製造延性鑄鐵管。
現有之方法 鑄造場具有製造700噸/日之材料生鐵之高爐，其中50%係作為生鐵銷售及50%使用於管工廠中。使用於管製造之生鐵係以10%廢料鋼(5%之冷軋密閉退火(CRCA)低Mn鋼及5%之Mn鋼)補充。管工廠使用標準之轉動金屬管模而操作。於汲取入GF轉爐前，於保溫爐中使用FeSi75(0.15%)調節鐵之矽含量。使用純Mg，以0.12%重量比之Mg之添加速率，進行球化劑處理。Late stream接種處理係使用ZIRCOBAR－F(TM)進行，其組成(排除Fe)係60－65之Si、1－1.5之Ca、1－1.6之Al、3－5之Mn、2.5－4.5之Zr、2.5－4.5之Ba(0.15%)及於管形成期間亦使用0.35%模粉末(INOPIPE E04/16(TM)，其組成(排除Fe)係57－63之Si、13－16之Ca、0.5－1.2之Al、0.1－0.5之Ba、0.1－0.4之Mg)。
根據本發明之修改之方法 修改以上方法，以包含於Mg處理之前4分鐘以0.4%重量比之比率施加之以INOCULIN 390(60－67之Si、7－11之Ba、0.8－1.5之Al、0.4－1.7之Ca，餘量係Fe及痕量雜質)處理之初始作用步驟。對於通過製造之管之剖面作冶金之研究，以調查於鐵中之石墨沈澱。經由於初始作用後之鎂處理之程度中之逐步降低，進行方法之另外修改。結果係於圖2中表示，其顯示自管之外表面(OD)通過中心至管之內表面(ID)之通過各種9mm管之剖面。鐵之Mn含量係0.45%及Mn含量之重要性將於以下討論。
圖2之第一欄(“參比”)表示進行標準方法之結果。石墨球狀體(灰色點)係清楚地可見的及係以170/mm2 之頻率存在於中央部分。初始作用處理(欄2“S1”)造成於石墨球狀體中重大之增加(550/mm2 )。其次之四個方格顯示，相對於“參比”，以10%(“S5”)、20%(“S7”)、30%(“S9”)及35%(“S10”)降低Mg之效果。當降低鎂之含量時，球狀體之數目亦復如此(S5－500/mm2 、S7－470/mm2 、S9－400/mm2 及S10－260/mm2 )。所有之此等值係比參比處理較高。僅於S10樣本(Mg降低35%)中，石墨開始朝向管之內部表面如薄片而非球狀體沈澱。
於圖2中末端欄(“S11”)顯示，對於具有相對地高之Mn含量(0.72%)之鐵，於以30%降低Mg添加之初始作用處理之效果。Mn係碳化物促進劑及先前之經驗已顯示，使用標準處理，管工廠可處理之最高Mn含量係0.5%。S11樣本顯示優良之石墨球化作用及顯示，於管工廠中較高之Mn含量目前係可處理的。此容許鑄造場使用較廉價之Mn鋼廢料。此外，雖然與管製造方法不直接相關，但是鐵之較高之Mn含量提高由此鑄造場製造之生鐵之價值。
本發明之另一種利益係，由於具有較少之存在之Mg(強烈之碳化物促進劑)，因此其容許於球化劑之用量中之有意義之減少。此不僅降低費用，而且其降低加入鐵中之矽之數量。此轉而容許較高比率之廢料返回爐中。由於具有較少之存在之促進碳化物之Mg，於鐵中可容許Si之較低補償含量，因此亦預期，可完全消除加入保溫爐中之FeSi添加。
基於以上試驗，預期，將很容忍於Mg之含量中自參比降低28%，及可降低late stream接種劑及模粉末用量兩者20%。
於使用之Mg合金中，Mg、及Al及Ti雜質與水反應以產生氧化物及氫氣體，其導致針孔形成。於鐵中之Mg熔渣之霧沫引進於管中之微弱之區域，其於壓力下可導致漏洩。於Mg負載中之減少降低所產生之Mg熔渣之數量，及此轉而降低於鐵中帶入之熔渣之數量。合理地預期，以上方法之採用將降低針孔形成及漏洩之比率50%。計算已顯示，經由採用本發明方法，此種鑄造場可提高其對於管製造之利潤限度約50%。
本發明之方法容許較薄之管之較有效率之製造。應瞭解，較薄之管不僅將較快速地冷卻(其影響鐵之形態)，而且於鐵中之任何缺陷係較可能造成漏洩。
鑄造場試驗2：延性鑄鐵鑄件
現有之方法(“參比”) 於電弧爐中熔解鐵及隨後將其轉移至保溫爐。於Mg處理(FeSi44－48Mg6)(0.9%)之前，於GF轉爐中將FeSi75加入。亦將鈰錠(0.1%)加入，以將熔解物去氧。對於每個盛桶，澆鑄一系列之模，於圖中“A”代表澆鑄之第一模及“Z”代表澆鑄之最後模。每個模製造稱為“1”及“2”之兩個完全相同之鑄件(中等厚剖面汽車零件)。Late stream接種處理係使用INOLATE 40(TM)(70－75之Si、1.0－2.0之Ca、0.7－1.4之Al、0.8－1.3之Bi、0.4－0.7之稀土元素，餘量係Fe及痕量雜質)(0.03%)而進行。
根據本發明之修改之方法 以參比方法為基礎，進行一系列之試驗。於試驗1中，於Mg處理之前4分鐘，使用INOCULIN 390(60－67之Si、7－11之Ba、0.8－1.5之Al、0.4－1.7之Ca，餘量係Fe及痕量雜質)(省略鈰錠)而進行初始作用。於試驗2至5中，以約11%(試驗2)、15%(試驗3)、19%(試驗4)及26%(試驗5)逐步地降低Mg球化劑。
用於方法之相關之參數係於以下之表1中表示。
結果係於圖3至9中圖解地表示。冶金之性質係對於鑄件剖面測量，及冶金之組成係於澆鑄最後之模後對於自每個盛桶取出之冷樣本測量。
參考圖3，可看出，於Mg之含量中之降低對於球狀體計數無負面之影響。同時，於鑄件中之肥粒鐵之百分率中具有顯著之增加(圖4)連同於硬度中之對應之減少(圖5)。此本身不是必然良好的，尤其倘若需要與參比相同之機械性質。然而，於肥粒鐵中之固有之增加容許於最初進料中較多形成合金之元素(例如Mn)之使用。其趨於促進碳化物生成(此等形成合金之元素可係為了增進之特性而特別選擇者或僅存在於進料中作為雜質者)。如將預期，殘餘之Mg之含量係降低(圖6)及針孔促進劑(Al＋Ti＋Mg)之數目亦減少(圖7)。圖8表示，於鑄件中當降低Mg含量時，於S之含量中之增加。此係由於，相同於氧，於初始作用處理中硫與鋇化合，及於球化處理之期間不能利用硫以與鎂化合。不同於MgS，BaS不自熔解物中以熔渣取出，而維持於鐵中。高含量之硫改良機械性質。自圖9可看到，儘管Si之含量係降低，但是獲得先前敘述之所有利益。
預期，另外之最適化將包括需要之於模中之接種劑之減少，及容許較廉價地及較一致地製造具有至少與參比方法可比較之機械性質之鑄件。
鑄造場試驗3：大的延性鑄鐵鑄件
現有之方法(“參比”) 裝載感應爐如下：鋼 45%生鐵 15%回爐料 40%SiC 6公斤/噸C 3.5公斤/噸Cu 2公斤/噸及熔解進料。首先三盛桶(1,100公斤)係使用於參比(僅對於單一之盛桶提供代表性之數據)及第四盛桶係使用於本發明之方法。於Mg處理(FeSi44－48Mg6)(1.5%)之前，於盛桶中將FeSi75(0.4%)加入。Late stream接種處理係使用INOLATE 190(TM)(62－69之Si、0.6－1.9之Ca、0.5－1.3之Al、2.8－4.5之Mn、3－5之Zr、<0.6之稀土元素，餘量係Fe及痕量雜質)(0.08%)而進行。於模接種處理中使用GERMALLOY嵌件(由SKW供應，近似之組成65之Si、1.5之Ca、4之Al、餘量係Fe)(0.1%)。測定生成之鑄件之冶金及機械之性質。
根據本發明之修改之方法 於澆鑄前，將0.45%之INOSET(TM)(48之Si、9.4之Ba、2.4之Al、1.4之Ca、1.6之Mn、2.4之Zr，餘量係Fe及痕量雜質)加入爐中。於INOSET添加後4分鐘，將經預處理之進料(1,400公斤)澆鑄入包含FeSi44－48Mg6(1.2%)之盛桶中，無FeSi75添加。Late stream接種處理係使用INOLATE190(0.13%))而進行，於模中無GERMALLOY嵌件。
於冶金或機械性質(抗拉強度、拉力降伏、斷裂伸長%)中，於兩種方法之間無實質之差異。然而，於本發明之方法中較少之Mg之使用容許於最後Si含量中之降低(為了於前文中敘述之原因)，其改良切削性質。
方法之效率可係經由測定Mg回收(定義如於鑄件中之殘餘Mg對於加入之總Mg之比例)而比較。參比方法具有46.6%之Mg回收，及本發明之方法具有61.1%。
本發明之方法容許具有可比較之金屬基質及機械性質之鑄件之製造，連同很較一致並且有效率之Mg處理。
2．．．爐
4．．．保溫爐
6．．．第一盛桶
8．．．第二盛桶
10．．．GF轉爐盛桶，轉爐
16．．．Salamander板
圖1係設立以實施本發明之方法之鑄造場之略圖，圖2表示，於與先前技藝樣本之比較中，根據本發明製備之鐵樣本之光學顯微照片，及圖3至9係，與先前技藝Mg處理比較，個別地對於來自以根據本發明之方法之鑄造場試驗之鑄造樣本之球狀體計數、%之肥粒鐵、硬度、殘餘之Mg之%、%之針孔促進劑、%之硫及%之矽之作圖。
2．．．爐
4．．．保溫爐
6．．．第一盛桶
8．．．第二盛桶
10．．．GF轉爐盛桶
16．．．Salamander板

Claims (5)

  1. 一種用於製造延性鑄鐵之方法，其包含下列之連續階段：(i)以包含有效數量的鋇之為矽鐵合金之初始劑處理液體鐵，該有效數量係足以使該液體鐵的氧活性去活化，(ii)於該階段(i)後2及10分鐘之間，以包含鎂之球化劑處理該液體鐵，(iii)以引發共熔之石墨成核作用之接種劑處理該液體鐵，及(iv)鑄造該鐵。
  2. 如請求項1之方法，其中該矽鐵合金係下列之重量百分比46-50之Si、7-11之Ba，餘量係Fe及可能存在之任何不可避免之雜質。
  3. 如請求項1之方法，其中於該階段(ii)中使用之含Mg之球化劑係Mg金屬、MgFeSi合金、Ni-Mg合金、或Mg-Fe金屬塊。
  4. 如請求項1之方法，其中計算於該階段(i)中加入之該初始劑之數量，以供給該液體鐵之以重量計至少0.035%之鋇。
  5. 如請求項1至4之任一項之方法，其中計算該含Mg之球化劑之數量，以造成於該液體鐵中0.025%至0.035%之殘餘之Mg。
TW096126848A 2006-07-25 2007-07-24 製造鑄鐵之改良方法 TWI421349B (zh)

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