CN201217070Y - 避免球铁铁液在浇注过程中发生球化衰退和降低浇注温度的浇注电炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及球墨铸铁铸造技术领域，具体涉及一种能够避免球铁铁液在浇注过程中发生球化衰退和降低浇注温度的专用浇注设备。本实用新型浇注电炉设备包括炉体，配设在炉体上的浇注口和入料开口，配套设置的对浇注铁液进行定量的装置，炉体结构形式可以是底注式，或是气压式，或是倾倒式的结构，在炉体上部设有石墨电极，在炉内炉内球铁铁液上设有富含(Mg²⁺)、(Ca²⁺)等活泼金属离子的高温熔融碱性炉渣液，在球铁铁液内设有电极，石墨电极的下端始终保持伸入在碱性炉渣液内，配套设置有直流电源系统，电源阳极连接石墨电极上端，电源阴极连接球铁铁液内设置的电极。本实用新型能够稳定浇注温度，完全避免球化衰退，从而减少球铁件生产的废品损失；降低球化剂的消耗，降低球铁铁液浇注电炉的操作与维修难度，从而降低生产成本，简化工人的修炉、扒渣操作的。本项技术对于汽车零件、离心铸管等大批量连续生产球墨铸铁件的企业，具有重要的推广、应用意义。

Description

避免球铁铁液在浇注过程中发生球化衰退和降低浇注温度的浇注电炉

技术领域

本实用新型涉及球墨铸铁铸造技术领域，具体涉及一种能够避免球铁铁液在浇注过程中发生球化衰退和降低浇注温度的专用浇注设备。

背景技术

球墨铸铁是20世纪40年代末发展起来的一种铸造合金，它是向铁水中加入球化剂和孕育剂而得到的球状石墨铸铁。由于石墨呈球状，其机械性能远远超过灰铸铁，优于可锻铸铁，甚至接近钢材，而价格低于钢，并且仍具有普通灰口铸铁的许多优良性能，如良好的铸造性、减震性、切削加工性及低的缺口敏感性等。因此，许多重要机械零件如曲轴、连杆、齿轮、阀体、缸套等均可采用球墨铸铁，以节约钢材、降低成本，球墨铸铁以其优良的性能，在使用中有时可以代替昂贵的铸钢和锻钢，在机械制造工业中得到广泛应用。在生产球墨铸铁的工艺过程中，决定球墨铸铁机械性能的主要因数有：(1)主要取决于铁液凝固过程中所形成的石墨形状，而不是其碳硅等化学成分，因此被称为生产性能不稳定的“魔术”金属材料。球铁是在完成原铁液的冶炼之后再逐包进行球化处理的，不仅不同包次的球铁铁液会存在差别，更主要是同一包铁液也会在数分钟内就发生“球化衰退”变化，使前后不同时间所浇的铸件其性能出现很大差别。这两点原因，大大增加了工厂生产过程质量控制的难度，球铁也因此被看成是不稳定的“低可靠性材料”，限制了它的进一步发展。(2)球墨铸铁铁液因发生“球化衰退”而不允许再进行浇注的有效浇注时间很短，通常只有十几分钟。而此时对铁液进行加热保温会明显加剧球化衰退的速度，因此球铁件生产线目前几乎不使用浇注电炉设备，浇注过程中铁液降温现象比较严重，从而带来与浇注温度相关的废品率升高。(3)目前发达国家应用于汽车工业球铁件造型、浇注流水线的惰性气体(氩气、氮气)保护气压浇注的方法，虽然解决了浇注温度不稳定的问题，使得浇注温度稳定可控，并明显延缓了发生球化衰退的时间，但是并没有杜绝球化衰退问题，而必须靠提高入炉铁液的残余镁量来不断补充球铁铁液的球化剂损耗，既增大了球化剂消耗，又造成铁液中过量金属镁不断与炉衬反应，使得炉衬不断增厚，缩短了电炉炉衬的维修使用周期。同时，由于需要对浇注电炉进行气体密封，使得炉子结构复杂，使用和维护技术难度大，设备投资大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能够避免球铁铁液在浇注过程中发生球化衰退和降低浇注温度的专用浇注设备，其能够解决上述三项问题，稳定浇注温度，完全避免球化衰退，从而减少球铁件生产的废品损失；降低球化剂的消耗，降低球铁铁液浇注电炉的操作与维修难度，从而降低生产成本，简化工人的修炉、扒渣操作的。本项技术设备对于提高球墨铸铁的可靠性，满足球墨铸铁长期连续稳定化生产，特别是对于汽车零件、离心铸管等大批量连续生产球墨铸铁件的企业，具有重要的推广、应用意义。

本实用新型的技术方案为：本实用新型浇注电炉设备包括炉体，配设在炉体上的浇注口和入料开口，配套设置的对浇注铁液进行定量的装置，炉体结构形式可以是底注式，或是气压式，其密封的炉内使用富含氧气的压缩空气，而不使用氮气或氩气、或是倾倒式的结构，其特征在于：在炉体上部设有石墨电极，在炉内炉内球铁铁液上设有富含Mg²⁺、Ca²⁺等活泼金属离子的高温熔融碱性炉渣液(特别注明：本文中各离子前后的圆括号“( )”表示该离子为碱性炉渣中所含的离子；各离子前后的方括号“[ ]”表示该离子为球铁铁液中的离子)，在球铁铁液内设有电极，石墨电极的下端始终保持伸入在碱性炉渣液内，配套设置有直流电源系统，电源阳极连接石墨电极上端，电源阴极连接球铁铁液内设置的电极。

本发明在炉体内增加设置有加热铁液的感应加热装置、或燃气或燃油烧嘴加热装置、或氧-燃气火焰烧嘴加热装置、或等离子体加热装置，或同时增加设置上述几种附加加热装置。本发明该直流电渣浇注装设备的耐火材料内衬材料最好采用富含MgO的镁砂或煅烧白云石类碱性耐火材料打结修砌，并强调避免使用富含SiO₂、Al₂O₃的耐火材料打结。上述浇注电炉设备，其直流电渣浇注设备中覆盖在铁液顶面的碱性渣液材料的成分为富含Mg²⁺、Ca²⁺等活泼金属离子的多元渣，熔渣的熔点调整控制在1250℃～1500℃的适当范围内。

本项发明利用“直流电解槽”的电冶金原理，该浇注电炉设备设有一套直流电渣系统：炉内球铁铁液上设有富含mG²⁺、Ca²⁺等活泼金属离子的高温熔融碱性炉渣，炉体上部设有插入熔融碱性炉渣层的石墨电极炉，在球铁铁液内设有连接直流电源系统的电极；将球化铁液作为阴极(利用底电极或侧电极供电)、将插入熔融的碱性炉渣层的石墨电极作为阳极、将熔融的碱性炉渣作为液态电解质。球铁铁液靠浮在铁液顶面的高温熔融碱性炉渣进行密封，以使炉内球铁铁液与大气中的氧气完全隔绝。炉内注入球铁铁液注后接通低电压、大电流的直流电，直流电的电流强度根据电炉容量确定在：每小时每吨铁水20~50法拉第的电流当量，接通直流电后部分电能变成化学能，在温度控制为1500℃～1600℃的高温碱性渣液中会发生电解反应，渣中Mg²⁺、Ca²⁺等阳离子向阴极定向移动，而渣中S^2-等阴离子向阳极移动，铁液中残余的S^2-等阴离子也会上浮和被异性电极的吸引而进入熔渣；这些高温熔渣中的S^2-阴离子，以及在球化处理包向浇注炉内注入铁液时带进高温碱性渣的少量高硫渣中的S^2-阴离子，都可在阳极附近失去电子而变为游离态的高温液态硫，接触空气后直接燃烧成SO₂气体，从而不断从熔融碱性渣中被清除掉；接通直流电的电量足够时，渣-金界面存在的电极电位就会使铁液中的游离态Mg含量和渣中的离子Mg²⁺含量达到保证球化工艺要求的电化学平衡，这能抑制球铁铁液中的Mg原子失去电子变为Mg²⁺阳离子而进入熔渣，从而维持铁液中的残余镁量不再降低，甚至当不慎注入炉内一包残余镁量偏低已发生球化衰退的铁液、并造成浇注电炉内铁液的整体残余镁量下降时，还能使该铁液的含镁量增加和恢复到正常值，防止球化衰退。

铁液和电渣中残存的(S^2-)阴离子可在阳极附近失去电子成为游离态的高温液体硫，当其上浮到高温炉渣表面时便接触到空气中的氧气，立即氧化燃烧生成SO₂气体，直接排出炉外，从而利于碱性炉渣的长时间循环使用：

(S^2-)-2e＝(S)

(S)+O₂＝SO₂↑

当不同电极之间的电位达到一定的足够大的数值时，炉渣中的金属阳离子也会在阴极上析出。例如，在直流电的电解作用下，铁液顶部的碱性炉渣(也包含部分脱落炉衬)中的MgO、MgF₂、CaO、等化学成分里的(Mg²⁺)和(Ca^{2 +})阳离子，在接触到作为阴极的铁液之后也获得电子被还原，变为[Mg]、[Ca]等而进入铁液：

(Mg²⁺)+2e＝[Mg]

在这种直流电渣炉中保温的球铁铁液，可在500～2000A直流电的作用下，使ω(Mg)的损失大大降低，并在铁液ω(Mg)接近金-渣界面电化学平衡值时，衰退速度趋于零，使得铁液残余镁量趋于平稳，且满足了浇注工艺所要求的ω(Mg)＞0.030～0.050％的范围，从而完全消除了球化衰退的可能。

至于球化处理包带进的少量松散颗粒状的MgS渣子，也可以不必扒渣而连同铁液直接倾入浇注电炉，这时浮在渣层顶面的颗粒状的MgS渣在高温作用下可直接与空气中的氧气发生置换反应：

2MgS+O₂＝2 MgO+S₂

S₂+2 O₂＝2 SO₂↑

生成的MgO进入炉渣，从而既减少了扒渣的工作量，又可废物重新利用，使得球化过程中起到脱硫作用的金属镁，在本浇注电炉中实现了重复利用：

2MgS+3 O₂＝2 MgO+2 SO₂↑

本发明的有益效果为：本发明在防止球化衰退等生产技术中，把球铁由一种不稳定、不可靠的材料改变为高度稳定、可靠的材料，把球铁生产过程质量控制由依赖人的经验和责任心进行炉前检验和事后把关，转化为对工艺设备进行程式化的浇注前后的工艺调控，一劳永逸地解决了球铁材质性能稳定问题。实际上，这是球铁生产技术诞生五十多来的一项具有突破性意义的重大技术进步。

直流电渣保护浇注电炉设备的主要作用可以归纳为以下几点：

①浇注电炉的结构与控制系统大大简化，炉子无需密封，也无需定期扒渣处理，炉衬也不会逐渐增厚，设备操作更简单；最重要的是该设备减缓球化衰退的功能更强，甚至可以使之完全避免(从理论上讲，直流电渣炉内的铁液的球化维持时间可以延长到无限大)，并使球化剂消耗降低，加入量趋向平稳，使得球铁材料的生产过程质量控制水平大大提高，使其材质性能的可靠性提高到前所未有的程度；

②电渣加热铁液避免了浇注温度随时间推移而不断下降，保证了浇注温度合格、稳定，波动最小，从而提高铸件质量，明显减少与铁液浇注温度有关的废品损失(在球铁件的铸造生产中，这类废品不仅种类多，而且在废品总量中所占的比重很高，除了明显的冷隔、浇不足、针孔、打压实验不合格等等之外，还有皮下气孔、黑渣、渣眼、砂眼、缩松、硬度偏高等，都与浇注温度偏低有关)。

③为浇注大口径管等大吨位球铁铸件(例如核废料储罐等)，铁液的一次浇注量有时会超过几十吨，如果用普通球化处理工艺设备一次处理这样多的球铁铁液，将需要增加特大吨位的球化处理铁液包和重型天车等设备，一般企业很难办到。采用这种浇注电炉来逐包积蓄足量的合格球铁铁液，就可以用“蚂蚁啃骨头”的办法，在非重型铸工车间就可生产重型球铁铸件，而不必购置大吨位球化处理铁液包和重型天车等设备，也不需要提高厂房承重要求，就能扩大车间生产能力，这对我国许多大中型铸造企业都有很现实的和很重要的技术经济意义。

与惰性气体保护气压浇注电炉相比，这种直流电渣保护浇注炉具有以下优点：

①设备结构大大简化，炉体炉盖不密封，因此也不需要复杂的气压控制伺服机构，而是靠浮在铁液上面的厚实的液态电渣层使其与大气中的氧气完全隔绝，从而更可靠地起到“密封”作用；设备的简化也使其可靠性提高、投资降低，既便于制造维修和炉衬打结，也便于操作控制。

②由于进入高温电渣中的硫可以被氧化成气体产物SO₂跑掉，而渣中的镁离子在渣-金界面的电化学作用下还能重新还原回到铁液中去，因此，对转包球化反应所产生的硫化镁、氧化镁渣子可不经扒渣处理就直接倾入浇注电炉，使渣中的镁元素可在其中再循环利用而“化害为利”、“变废为宝”。取消扒渣工序还会改善球化工的劳动条件，简化操作工艺、缩短处理时间、提高生产效率，并因减少了转包中铁液的降温而节省保温电能。

③由于电渣保护浇注电炉中的渣-金界面存在电极电位，镁含量达到平衡值后，铁液的残余镁将不再损失，所以转包球化处理工序能够明显减少金属镁的加入量，使铁液残余镁达到ω(Mg)≮0.04％～0.05％的正常水平即可。这不仅降低了球化剂成本，也解决了炉衬增厚问题。

本项技术设备对于提高球墨铸铁的可靠性，满足球墨铸铁长期连续稳定化生产，特别是对于汽车零件、离心铸管等大批量连续生产球墨铸铁件的企业，具有重要的推广、应用意义。

附图说明

图1为本实用新型中底注式浇注电炉设备的结构示意图

图2为本实用新型中气压式浇注电炉设备的结构示意图

图3为本实用新型中倾倒式浇注电炉设备的结构示意图

具体实施方式

如附图1所示本实用新型中底注式浇注电炉设备，包括浇注炉体1，浇注口2，浇注口2配设有塞杆3，在炉内球铁铁液5上设有富含Mg²⁺、Ca²⁺等活泼金属离子的高温熔融碱性炉渣液6，在球铁铁液5内设有侧插电极7，在浇注炉体1上设置有配设了自动升降装置的石墨电极4，保持石墨电极4的下端始终伸入熔融碱性炉渣液6内。配套设置的直流电源系统为8，其阳极连接石墨电极4的上端，其阴极连接侧插电极7。

如附图2所示本实用新型中气压式浇注电炉设备，其密封的炉内使用富含氧气的压缩空气，而不使用氮气或氩气，包括炉体a1，浇注口a2，浇注口a2配设有塞杆a3，在炉内球铁铁液a5上设有富含Mg²⁺、Ca²⁺等活泼金属离子的高温熔融碱性炉渣液a6，在球铁铁液a5内设有侧插电极a7，或底电极a\7，在浇注炉体a1上部的盖子a9上设置有配设了自动升降装置的石墨电极a4，保持石墨电极a4的下端始终伸入熔融碱性炉渣液a6内。配套设置的直流电源系统为a8，其阳极连接石墨电极a4的上端，其阴极连接侧插电极a7或底电极a\7。盖子a9上还配设有压气排气系统a10。

如附图3所示本发明中倾倒式浇注电炉设备，包括炉体b1，浇注口b2，入料开口，浇注口b2配设有塞杆b3，在炉内球铁铁液b5上设有富含Mg²⁺、Ca²⁺等活泼金属离子的高温熔融碱性炉渣液b6，在球铁铁液b5内设有水冷底电极b7。在浇注炉体b1上部的盖子b9上设置有配设了自动升降装置的石墨电极b4，保持石墨电极b4的下端始终伸入熔融碱性炉渣液b6内。配套设置的直流电源系统为a8，其阳极连接石墨电极b4的上端，其阴极连接底电极b7。

Claims (3)

1、避免球铁铁液在浇注过程中发生球化衰退和降低浇注温度的浇注电炉，该设备包括炉体，配设在炉体上的浇注口和入料开口，配套设置的对浇注铁液进行定量的装置，炉体结构形式可以是底注式，或是气压式，或是倾倒式的结构，其特征在于：在炉体上部设有石墨电极，在炉内球铁铁液上设有一层高温熔融碱性炉渣液，在球铁铁液内设有电极，石墨电极的下端伸入碱性炉渣液内，配套设置有直流电源系统，电源阳极连接石墨电极上端，电源阴极连接球铁铁液内设置的电极。

2、根据权利要求1所述的浇注电炉设备，其特征在于：在炉体内增加设置有加热铁液的感应加热装置、或燃气或燃油烧嘴加热装置、或氧-燃气火焰烧嘴加热装置、或等离子体加热装置，或同时增加设置上述几种附加加热装置。

3、根据权利要求1所述的浇注电炉设备，其特征在于：该直流电渣浇注装设备的耐火材料内衬材料最好采用富含MgO的镁砂或煅烧白云石类碱性耐火材料打结修砌，并强调避免使用富含SiO₂、Al₂O₃的耐火材料打结。

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