喂線法處理工藝在球墨鑄鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用

馬寒坤，潘金坤，郭文申，楊濤

1. 概述

眾所周知，車橋是車輛的重要承載零件，它直接關(guān)系到車輛使用的安全性。而橋殼是車橋的關(guān)鍵零部件之一，橋殼材料性能的好壞，直接決定了車輛的承載能力。目前，重型載貨汽車行業(yè)的橋殼一般分為沖焊橋殼和鑄造橋殼兩大類，而鑄造橋殼又可分為鑄鋼橋殼和鑄鐵橋殼。

鑄造橋殼以其承載重量大、生產(chǎn)成本低的特點，在重型載貨汽車橋殼生產(chǎn)中一直占據(jù)著主要地位。因橋殼的工作環(huán)境惡劣，長期在動載荷狀態(tài)下工作，這就對橋殼的材料性能有很高要求，在保證強度的同時，還需要得到更高的塑性和韌性，來適應(yīng)橋殼的工作特點。

我們知道，對于球墨鑄鐵來說，球化處理工藝是球墨鑄鐵生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，球化處理效果的好壞直接影響到球墨鑄鐵的質(zhì)量。起初，我們采用的球化處理工藝是沖入法球化處理，此種方法雖然簡單，易操作，但是還有許多不足之處，例如：合金收得率低；煙霧大，工作環(huán)境差；反應(yīng)時產(chǎn)生的渣量多；處理效果易受到外部因素影響，導(dǎo)致鑄件質(zhì)量出現(xiàn)波動，經(jīng)常出現(xiàn)球化不合格現(xiàn)象。這些質(zhì)量波動會導(dǎo)致橋殼的性能受到影響，甚至影響到車輛的安全性。

喂線法球化處理工藝應(yīng)用于球墨鑄鐵生產(chǎn)，國外始于20世紀(jì)80年代，而國內(nèi)球墨鑄鐵的生產(chǎn)對于該技術(shù)的應(yīng)用起步雖然較晚，但該技術(shù)在國內(nèi)的推廣使用快，且對于提高球墨鑄鐵質(zhì)量的穩(wěn)定性效果明顯。為進(jìn)一步改善球墨鑄鐵橋殼的質(zhì)量，提高其性能，我們引進(jìn)喂線球化法來提高橋殼的球化質(zhì)量（見圖1）。

2. 喂線球化處理工藝

喂線球化處理工藝的基本原理就是將一定成分的粉狀球化劑和孕育劑通過鋼皮包裹，通過設(shè)備以一定速度送入到球化處理包中，使其在包底球化起爆，達(dá)到球化孕育處理的目的。

目前，我們采用的喂線球化處理工藝為：調(diào)整化學(xué)成分至工藝要求，升溫至1510～1520℃靜置，出爐溫度1480～1500℃，出鐵量2t，球化處理溫度1420～1 4 5 0℃，澆注溫度1 3 7 0～1380℃。隨流孕育量0.1%。

加入球化線長度39～46m，根據(jù)原鐵液硫含量進(jìn)行調(diào)整，硫含量越高，需要加入的球化線越長，反之亦然。孕育線長度為32m。

3. 喂線球化工藝對鑄件質(zhì)量的提升

經(jīng)過一年多的生產(chǎn)，我公司的橋殼質(zhì)量相對于以前有了明顯提升。特別是化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能的穩(wěn)定性有了很大提高。

（1）主要成分對比 我們隨機抽取了沖入法和喂線法工藝各50個班次的鐵液成分?jǐn)?shù)據(jù)，其中每個班次抽取10組數(shù)據(jù)，分析結(jié)果見表1。

圖1 喂線球化處理

由表1可以看出，喂線法的成分穩(wěn)定性高，成分?jǐn)?shù)據(jù)的重現(xiàn)性好。

（2）金相組織對比 選取鑄件同一位置打磨觀察金相，如圖2所示。相對于沖入法，喂線法生產(chǎn)的鑄件石墨球更多、更細(xì)，且圓整度也更好。

（3）力學(xué)性能對比 我們隨機抽取沖入法和喂線法生產(chǎn)橋殼的力學(xué)性能試棒各120組數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3可看出，喂線法工藝生產(chǎn)的力學(xué)性能試棒的抗拉強度比沖入法的平均高約12MPa，且數(shù)據(jù)更集中，穩(wěn)定性更好；伸長率也是如此。

表1 喂線法和沖入法處理主要成分穩(wěn)定性對比

4. 喂線球化工藝的優(yōu)點

根據(jù)我們實際生產(chǎn)對比，喂線球化處理工藝相對于沖入法球化處理工藝有很多優(yōu)勢。

（1）現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境的改善 沖入法球化時，因球化劑與鐵液反應(yīng)，產(chǎn)生大量煙霧和強光，使現(xiàn)場工作環(huán)境變得惡劣；喂線法球化時，因其處理站中有包蓋可以蓋住球化包，同時包蓋與處理站的除塵系統(tǒng)相連，使煙霧通過除塵系統(tǒng)處理掉，而不是直接釋放在車間里。

（2）合金加入量減少，降低生產(chǎn)成本 經(jīng)過計算，處理1t鐵液喂線法比沖入法可節(jié)約原材料成本約78元，按我公司年產(chǎn)1萬t球墨鑄鐵橋殼產(chǎn)能計算，年節(jié)約成本78萬元，效益可觀。

（3）實現(xiàn)作業(yè)自動化，降低工人的勞動強度 沖入法球化處理時，工人的前期準(zhǔn)備工作繁瑣，包括球化劑和孕育劑的稱量，向包內(nèi)加入球化劑和孕育劑，并且需要搗實和覆蓋操作；喂線法的球化線和孕育線的加入量通過控制柜控制自動加入，減少了大量工作。

（4）球化質(zhì)量穩(wěn)定，球化效果更好 經(jīng)統(tǒng)計，自2013年使用喂線球化處理工藝后，球化合格率為99.5%以上，而沖入法球化處理的合格率僅為95%。

圖2 金相組織對比

圖3 抗拉強度對比

圖4 伸長率對比

5. 如何正確選擇喂線球化工藝參數(shù)

在實際生產(chǎn)中，如何正確選擇喂線球化工藝的參數(shù)，需要一定次數(shù)試驗的驗證。我們自開始組織試驗到正式批量生產(chǎn)，期間經(jīng)過了多次的工藝調(diào)整。下面將我們的使用經(jīng)驗與同行分享。

要正確選擇喂線球化的工藝參數(shù)，需要注意以下幾個方面。

（1）包芯線的選擇 國外一些經(jīng)驗不建議選用高M(jìn)g含量的包芯線，Mg含量過高，球化反應(yīng)劇烈，Mg的燒損多，渣量大。一般建議選用Mg含量為30%左右，并選用含B a孕育線，能有效防止孕育衰退。我公司使用的包芯線的主要參數(shù)為：外包鋼皮厚度0.4mm，芯線直徑為13mm。包芯線主要成分見表2、表3，使用前應(yīng)注意檢查包芯線外觀應(yīng)圓整，無裂痕、漏粉等。

（2）球化處理包尺寸的選擇，特別是高徑比的選擇 目前一些資料推薦的處理包高徑比是1.4～1.5，我公司采用的包胎的高徑比為1.9。高徑比太小，影響鎂的吸收率，而且產(chǎn)生的渣量多；高徑比太大，容易造成鐵液噴爆，如果鐵液的處理量大，喂線速度就會相應(yīng)大，實際生產(chǎn)過程中會導(dǎo)致卡線甚至球化處理失敗，另外，高徑比太大還會影響處理包的修理。

（3）喂線速度的選擇 合適的喂線速度不僅可以得到球化質(zhì)量好的鐵液，還可以節(jié)省包芯線的用量。國外給出的經(jīng)驗公式：

式中 v——喂線速度；

w——鐵液的重量；

δ——鋼帶厚度；

D——包芯線直徑。

實際生產(chǎn)中，還要根據(jù)處理溫度和鐵液高度來進(jìn)行調(diào)整，一般處理溫度越高，鐵液高度越高，喂線速度也就越快。另外，一些資料上還介紹過一種方便可行的測量最佳喂線速度的方法：先量出處理包中鐵液的高度，然后手動喂線機，使芯線剛好接觸液面，這時將計數(shù)表清零，手動喂線機進(jìn)行喂線，聽到“轟”的反應(yīng)聲時，立即查看喂入長度，如果這個長度和鐵液的高度數(shù)值基本相等時，這個速度應(yīng)是合適的。經(jīng)過驗證，我們選取的喂線速度為30m/min。

（4）喂線量的選擇 合適的喂線量是在保證球化效果的前提下，喂入最少的包芯線。喂線量的多少要根據(jù)鐵液的處理量、處理溫度、鐵液的含硫量等來確定。我們根據(jù)自己的原鐵液含硫量和產(chǎn)品工藝的要求，結(jié)合試驗驗證，在保證殘留鎂含量的情況下，球化線的加入長度為39～46m，孕育線的長度為32m。

（5）處理溫度的選擇 在保證澆注溫度的前提下應(yīng)盡量降低處理溫度，處理溫度越低，鎂的吸收率越高，包芯線的消耗量也就越少。根據(jù)實際生產(chǎn)檢測，自開始球化處理到起澆的時間為4～5min，期間溫降為40～50℃，其中球化反應(yīng)時間為80～90s。因在球化處理完之后要進(jìn)行倒包操作，我們將處理溫度定為1410～1450℃，室溫低于5℃時取上限，室溫高于25℃時取下限。

（6）處理后鐵液殘留鎂含量的選擇 殘留鎂的含量根據(jù)鑄件本身的特點，需要留出一定的保險鎂含量。起初，我們把殘留鎂含量控制在0.03%～0.06%，但經(jīng)過實際生產(chǎn)驗證，殘留鎂含量控制在0.05%～0.06%之間比較合適，因為我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)殘留鎂低于0.04%時，其石墨球的圓整度稍差，當(dāng)高于0.07%時，易出現(xiàn)滲碳體，且鐵液的縮松傾向變大。

（7）使用過程中卡線問題的解決 包芯線在輸送過程中，會出現(xiàn)卡線現(xiàn)象，從而導(dǎo)致整包鐵液報廢。為此，我們采取了以下措施：一是在包芯線盤上方裝上鋼圈（見圖5），這樣可以減輕芯線的彎曲，使其順利進(jìn)入導(dǎo)向機構(gòu)；二是在兩個線圈接線時，焊接完之后，把凸起較大的焊瘤打磨掉，防止在輸送過程中卡線；三是包芯線的輸送管道或路線避免出現(xiàn)直徑小于1m的彎角，防止包芯線在輸送過程中出現(xiàn)漏粉或卡線現(xiàn)象。

另外，在喂線時，建議孕育線要比球化線稍慢幾秒，以達(dá)到最佳的孕育效果。

6. 結(jié)語

（1）喂線法球化工藝合金加入量低，Mg吸收率高，且能有效減少車間的煙霧和強光污染，為鑄造企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟和環(huán)境效益。

（2）喂線法球化工藝能有效減少球化不合格率，提高球墨鑄鐵的質(zhì)量，提高其綜合力學(xué)性能，增強企業(yè)的市場競爭力。

（3）各個鑄造廠要根據(jù)自身生產(chǎn)條件及產(chǎn)品的工藝要求，結(jié)合同行的生產(chǎn)經(jīng)驗，來選擇合適的喂線球化工藝參數(shù)。

圖5 包芯線盤

表2 球化線芯線粉料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 孕育線線芯線粉料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）