一种安全环保的硅锶孕育剂制备方法
技术领域
本发明属于铸造材料领域，涉及一种孕育剂生产工艺，具体的说是涉及一种安全环保的硅锶孕育剂制备方法。
背景技术
球墨铸铁的综合性能接近于钢，基于其优异的性能，已经广泛应用于铸造受力复杂、强度、韧性、耐磨性要求较高的机械零件。球墨铸铁成为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。
提高球墨铸铁材料力学性能的途径有多种，其中孕育处理是较为简便、经济和行之有效的方法。孕育处理的作用是从以下方面改善铸铁的力学性能和加工性能：
1）改变球墨铸铁共晶结晶的凝固条件，消除结晶过冷倾向，消除球化元素造成的白口倾向，获得铸态无自由渗碳体的铸件。
2）促进石墨化、增加石墨核心，细化球状石墨，提高球状石墨生长的相对稳定性，提高石墨球的圆整度。
3）使共晶团细化，从而减小共晶团间的偏析程度，提高组织均匀性，改善力学性能，提高铸件的伸长率和冲击韧度。
孕育剂对铸铁件的质量、成本有重要的作用，应当根据条件选择合适的孕育剂孕育处理。
企业中常用的是75硅铁孕育剂，其加入量一般为0.6%~1.2%。然而硅铁作为孕育剂其作用是相当有限的，因此人们在硅铁中添加各种微量元素开发出多种复合型孕育剂。如在硅铁中添加：钡、钙、锶、锆、锶、锑和稀土等元素，可大幅度提高孕育效果，降低白口倾向，提高抗拉强度，改善球铁的微观组织和力学性能。而且复合孕育剂的加入量大为减少。
在球墨铸铁中加入硅锶孕育剂除具备硅铁孕育剂的功效外，还具有许多独有的特征：
1、具有很强的消除和减少白口倾向的能力，持续时间长，是一种抗球化衰退的长效孕育剂。
2、不显著增加铸铁的共晶团数，有助于改善薄壁铸件中石墨的形态和分布状况，使不同厚度处组织的差别更小，过冷组织只见于铸件的表层，因此可以减少缩松倾向，改善铸件的致密性和耐水压能力。
3、具有极强的石墨化能力，其加入量仅为75硅铁的50~30%。
4、熔化温度范围为1210-1310℃。锶以合金态加入球墨铸铁熔体，较之硅铁熔点低，含钙、铝量低，易于溶解，形渣少，允许有较低的孕育温度。孕育允许的温度范围为1360-1460℃。
工业化制备硅锶孕育剂多数采用碳热法和熔炼法。采用中频感应电炉应用熔炼法制备硅锶孕育剂，多数是将所有炉料一起加入炉膛内熔炼。75低铝硅铁的熔化温度为1290~1340ºC，金属锶的熔化温度为769℃。由于熔化温度相差较多，二者同时入炉熔炼导致金属锶烧损严重。低熔点金属的一种主要消耗方式是熔炼损耗、挥发，
金属锶的熔点为769℃，75硅铁（含硅72％~80％）的熔点为1290～1340℃，二者的熔化温度相差达500多度。应用中频感应电炉采用熔配法制备硅锶孕育剂，通常的做法是将所有原材料一次加入炉膛熔炼，这样金属锶烧损很大。不仅浪费了锶这种贵重和稀缺的金属，而且还污染环境。
传统制备硅锶孕育剂多数采用真空电炉熔配法或中频电炉完全熔配法。真空电炉熔配法制备硅锶孕育剂单炉产量多在几十公斤以下，难以形成规模效益。中频电炉完全熔配法制备硅锶孕育剂，由于炉料全部加入炉内熔炼，金属烧损率特别是低熔点金属烧损较高，且熔炼过程容易产生金属锶的喷溅，存在发生生产安全事故的隐患。
因此开发一种合适的熔炼方式和合金化处理温度，有助于减少低熔点金属损耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术的缺点，提出一种安全环保的硅锶孕育剂制备方法，具体为采用炉外铁水包压锶法制备硅锶孕育剂。为首次提出采用炉外铁水包压锶法制备硅锶孕育剂；采用压锶法制备硅锶孕育剂显著提高了操作安全性、能有效解决金属锶烧损大，能高效生产硅锶孕育剂，金属收得率高，减少了对环境的污染。
采取的技术方案：一种安全环保的硅锶孕育剂制备方法，包括如下步骤：
步骤1）原料准备：准备纯度高的金属锶和低铝硅铁；金属锶制成若干重量不大于1.5kg的金属锶块；
步骤2）将低铝硅铁放入中频电炉中熔化，形成低铝硅铁熔体；低铝硅铁熔体的出炉温度不低于1450℃；
步骤3）将步骤2中的低铝硅铁熔体倒入铁水包内；
步骤4）通过压锶装置将步骤1中的金属锶块加入铁水包内，待金属锶块熔化反应完毕后，移走压锶装置；
步骤5）搅拌铁水包内的熔体；
步骤6）尽快将步骤5的熔体缓慢浇铸到孕育剂模锭内；
步骤7）静置冷却，形成硅锶孕育剂；
步骤8）脱模。
本发明方法，首次提出采用压锶法制备硅锶孕育剂，比炉料全部加入中频炉内的完全熔配法相对安全，金属收得率高，特别是低熔点金属锶的收得率有所提高。
本发明方法中，低铝硅铁熔体在中频电炉中熔化形成，因此本方法低熔点金属在炉外熔配，减少金属烧损，提高金属收得率。比完全熔配法提高金属收得率2-3%。
本发明方法中，考虑到硅铁熔体和压入金属锶块的比热容，压入的金属锶块的数量和体积受到限制。铁水包和压锶装置也会消耗热量。压锶法所能制备的硅锶中锶的含量不宜超过2%，每块金属锶块重量不大于1.5kg。
本发明进一步限定的技术方案是：
低铝硅铁TFeSi75-A，TFeSi75-A化学成分的质量分数百分比为，Si，74~80，Ca≤1. 0，Al≤0.5；金属锶块Sr≥99％。本发明中原料，按孕育剂目标成分，准备原料；硅锶孕育剂对Ca和Al的含量要求较高，如果硅锶孕育剂中的Ca和Al含量高，会抵消Sr的石墨化能力。因此硅锶孕育剂中Ca和Al的含量一般控制在：Ca≤0.1%，Al≤0.5%。为保证硅锶孕育剂的最终成分符合要求，原料优选低铝硅铁TFeSi75-A和纯度高的金属锶Sr≥99％，低铝硅铁TFeSi75-A，TFeSi75-A化学成分的质量分数百分比为，Si，74~80，Ca≤1. 0，Al≤0.5。
根据工业常用硅锶孕育剂中锶含量通常小于等于2%的要求，每次加入铁水包内的金属锶块不超过2%。本发明的方法，采用压锶法制备硅锶孕育剂时，当金属锶含量越高即需要被压入熔体熔化的冷金属锶越多。相应要求参与热兑的低铝硅铁温度要高，才能够熔化球化包内的金属锶。通俗地说热的低铝硅铁熔体化不了那么多冷的金属锶。所以此专利中金属锶的含量不能高，不宜超过2%。实际工业常用硅锶孕育剂中锶含量通常小于等于2%。
压锶装置包括压锶防护盖、吊装芯杆和索具卸扣，压锶防护盖盖在铁水包的开口处，金属锶块悬吊在吊装芯杆的下端面上，吊装芯杆滑动贯穿压锶防护盖将金属锶块压入铁水包内，索具卸扣设置在吊装芯杆的顶部用来连接外部起吊设备。
本发明方法，压锶装置的吊装芯杆能穿过压锶防护盖上下活动，当压锶防护盖盖住铁水包后，吊装芯杆继续下降到孕育剂熔体压入锶块；从而显著提高了操作安全性、金属收得率，减少了对环境的污染。
压锶防护盖采用耐热铸铁浇铸成型，压锶防护盖的周边设有裙边；压锶防护盖的中心处设置开设供吊装芯杆贯穿的锥形的穿越孔；压锶防护盖的中心处设置圆形加强凸台，锥形的穿越孔位于圆形加强凸台的轴心处。本方法中，压锶防护盖材料采用铸铁，优点为、一是耐高温不易熔化，二是增加重量使压锶装置在熔体不会飘浮、倾斜。压锶防护盖周边的裙边设计，使得压锶防护盖完全盖住铁水包。穿越孔配合吊装芯杆上的三角形加强筋的斜度，使压锶防护盖能够自动找正不歪斜。圆形加强凸台的设计提高了压锶防护盖中心处的强度。
吊装芯杆包括芯杆主体、多个限位挡板、压锶盘和起到导正吊装芯杆与压锶防护盖作用的多个三角形加强筋，压锶盘设置在芯杆主体的下端，压锶盘上开设若干用于穿过捆绑金属锶块的铁丝的圆孔；多个三角形加强筋均布焊接在压锶盘与芯杆主体的连接处；多个限位挡板均布设置在芯杆主体上部的外壁上；芯杆主体顶部焊接吊装耳环。吊装芯杆内的三角形加强筋，用于配合压锶防护盖上的带斜度的穿越孔，起找正导向作用。焊有限位挡板，用于防止压锶盘碰撞到铁水包底部。顶部焊有吊装耳环，用于吊装。
外部起吊设备为桥式起重机，桥式起重机的吊钩通过链条连接索具卸扣。链条采用矿用高强度的圆环链，圆环链的一端连接索具卸扣，另一端连接桥式起重机的吊钩。
步骤4通过压锶装置将步骤1中的金属锶块加入铁水包内，包括如下步骤：
步骤4.1）组装好压锶装置；
步骤4.2）将所需压入铁水包内的金属锶块用铁丝捆绑悬吊在圆形压锶盘下方；
步骤4.3）外部起吊设备吊起压锶装置到铁水包上方，降下压锶装置；压锶防护盖先盖住铁水包的开口，压锶装置的吊装芯杆继续下降将金属锶块压入铁水包内的低铝硅铁熔体内；
步骤4.4）待金属锶块熔化反应完毕后，外部起吊设备吊起压锶装置的吊装芯杆，并移走压锶装置。
本方法，由于金属锶块压入孕育剂熔体减少锶的烧损，锶收得率提高2-3%，高于炉料全部加入中频炉的完全熔配法。整个压锶过程为先盖住装有孕育剂熔体的铁水包后再压入金属锶，减少了对环境的污染，改善了操作条件，提高了生产过程的安全性。
步骤6中，浇铸模锭厚度大于100 mm时，孕育剂成分容易产生偏析。应避免浇铸厚度大于100 mm的模锭。孕育剂模锭厚度小于100mm，一次浇铸完成。由于液态硅铁在缓慢冷却过程中，密度小的富硅部分上浮，密度大的硅化铁下沉，使硅铁的成分产生偏析。为减小硅铁锭的偏析，必须降低硅铁浇铸温度，控制锭厚度，或分层浇铸和加快锭的冷却速度。本方法中为防止锶硅孕育剂浇铸后成分偏析，铸锭厚度应控制在100mm以下，一次浇铸完成。
步骤6中行车吊起铁水包，人工转动铁水包上的转动手轮进行浇铸。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本方法，首次提出采用压锶法制备硅锶孕育剂，比炉料全部加入中频炉内的完全熔配法相对安全，金属收得率高，特别是低熔点金属锶的收得率有所提高。
2、本方法，通过生产实践证明，采用3吨中频电炉制备硅锶孕育剂，单炉产量可达到500-600kg，有明显的规模效益；规模化生产，生产效率高，节约生产成本。
3、本方法，低熔点金属在炉外熔配，减少金属烧损，提高金属收得率。比完全熔配法提高金属收得率2-3%。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为压锶防护盖的剖视图。
图3为吊装芯杆的示意图。
图4为索具卸扣的示意图。
图5为实施例1的压锶装置压入锶块前的状态图。
图6为实施例1的压锶装置压入锶块后的状态图。
其中： 1-压锶防护盖，11-穿越孔，2-吊装芯杆，21-芯杆主体，22-压锶盘，23-限位挡板，24-三角形加强筋，25-圆孔，26-吊装耳环，3-索具卸扣，4-金属锶块，5-铁水包，6-外部起吊设备，7-链条，8-低铝硅铁熔体。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图1-图6和具体实施方式做进一步的描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供的一种安全环保的硅锶孕育剂制备方法，包括如下步骤：
步骤1）原料准备：准备纯度高的金属锶和低铝硅铁；金属锶制成若干重量不大于1.5kg的金属锶块；
步骤2）将低铝硅铁放入中频电炉中熔化，形成低铝硅铁熔体；低铝硅铁熔体的出炉温度不低于1450℃；
步骤3）将步骤2中的低铝硅铁熔体倒入铁水包内；
步骤4）通过压锶装置将步骤1中的金属锶块加入铁水包内，待金属锶块熔化反应完毕后，移走压锶装置；
步骤5）搅拌铁水包内的熔体；
步骤6）尽快将步骤5的熔体缓慢浇铸到孕育剂模锭内；
步骤7）静置冷却，形成硅锶孕育剂；
步骤8）脱模。
本实施例中原料，按孕育剂目标成分，准备原料；硅锶孕育剂对Ca和Al的含量要求较高，如果硅锶孕育剂中的Ca和Al含量高，会抵消Sr的石墨化能力。因此硅锶孕育剂中Ca和Al的含量一般控制在：Ca≤0.1%，Al≤0.5%。为保证硅锶孕育剂的最终成分符合要求，原料优选低铝硅铁TFeSi75-A和纯度高的金属锶Sr≥99％，低铝硅铁TFeSi75-A，TFeSi75-A化学成分的质量分数百分比为，Si，74~80，Ca≤1. 0，Al≤0.5。
本实施例中放入中频电炉中熔化，形成低铝硅铁熔体；因此本方法低熔点金属在炉外熔配，减少金属烧损，提高金属收得率，比完全熔配法提高金属收得率2-3%。
本实施例中，考虑到硅铁熔体和压入金属锶块的比热容，压入的金属锶块的数量和体积受到限制。铁水包和压锶装置也会消耗热量。压锶法所能制备的硅锶中锶的含量不宜超过2%，每块金属锶块重量不大于1.5kg。
本实施例中，根据工业常用硅锶孕育剂中锶含量通常小于等于2%的要求，每次加入铁水包内的金属锶块不超过2%。采用压锶法制备硅锶孕育剂时，当金属锶含量越高即需要被压入熔体熔化的冷金属锶越多。相应要求参与热兑的低铝硅铁温度要高，才能够熔化球化包内的金属锶。通俗地说热的低铝硅铁熔体化不了那么多冷的金属锶。所以此专利中金属锶的含量不能高，不宜超过2%。实际工业常用硅锶孕育剂中锶含量通常小于等于2%。
如图1所示，压锶装置包括压锶防护盖1、吊装芯杆2和索具卸扣3，压锶防护盖1盖在铁水包5的开口处，金属锶块4悬吊在吊装芯杆2的下端面上，吊装芯杆2滑动贯穿压锶防护盖1将金属锶块4压入铁水包5内，索具卸扣3设置在吊装芯杆2的顶部用来连接外部起吊设备6。
如图2所示，压锶防护盖1采用耐热铸铁浇铸成型，压锶防护盖材料采用铸铁，优点为、一是耐高温不易熔化，二是增加重量使压锶装置在熔体不会飘浮、倾斜。本实施中压锶防护盖1优先采用球墨铸铁和蠕墨铸铁，由于球墨铸铁和蠕墨铸铁的耐热性能均依次强于普通铸铁。
如图2所示，压锶防护盖1的中心处设置开设供吊装芯杆2贯穿的锥形的穿越孔11，穿越孔配合吊装芯杆上的三角形加强筋的斜度，使压锶防护盖能够自动找正不歪斜。压锶防护盖1的中心处设置圆形加强凸台，圆形加强凸台的设计提高了压锶防护盖中心处的强度。锥形的穿越孔11位于圆形加强凸台的轴心处。压锶防护盖1的周边设有裙边，使得压锶防护盖完全盖住铁水包。
如图3所示，吊装芯杆2包括芯杆主体21、多个限位挡板23、压锶盘22和起到导正吊装芯杆2与压锶防护盖1作用的多个三角形加强筋24，压锶盘22设置在芯杆主体21的下端，压锶盘22上开设若干用于穿过捆绑金属锶块的铁丝的圆孔25；多个三角形加强筋24均布焊接在压锶盘22与芯杆主体21的连接处；三角形加强筋，用于配合压锶防护盖上的带斜度的穿越孔，起找正导向作用。多个限位挡板23均布焊接在在芯杆主体21上部的外壁上；限位挡板，用于防止压锶盘碰撞到铁水包底部。芯杆主体21顶部焊接吊装耳环26，用于吊装。
芯杆主体21采用厚壁的铸铁管制成，芯杆主体选用厚壁钢管，耐烧损。压锶盘22焊接在芯杆主体21的下端。压锶盘22呈圆形。
如图4所示，索具卸扣3为“U”形扣，“U”形的索具卸扣3插入吊装耳环26并采用螺栓锁紧。
如图5和6所示，外部起吊设备6为桥式起重机，桥式起重机的吊钩通过链条7连接索具卸扣3。链条7采用矿用高强度的圆环链，圆环链的一端连接索具卸扣3，另一端连接桥式起重机的吊钩。
本实施例中方法中的压锶法制备硅锶孕育剂是步骤4通过压锶装置将步骤1中的金属锶块加入铁水包内，包括如下步骤：
步骤4.1）组装好压锶装置；
步骤4.2）将所需压入铁水包5内的金属锶块4用铁丝捆绑悬吊在圆形压锶盘22下方；
步骤4.3）外部起吊设备6吊起压锶装置到铁水包5上方，降下压锶装置；压锶防护盖1先盖住铁水包5的开口，压锶装置的吊装芯杆2继续下降将金属锶块4压入铁水包5内的低铝硅铁熔体8内；
步骤4.4）待金属锶块5熔化反应完毕后，外部起吊设备6吊起压锶装置的吊装芯杆，并移走压锶装置。
本方法，由于金属锶块压入孕育剂熔体减少锶的烧损，锶收得率提高2-3%，高于炉料全部加入中频炉的完全熔配法。整个压锶过程为先盖住装有孕育剂熔体的铁水包后再压入金属锶，减少了对环境的污染，改善了操作条件，提高了生产过程的安全性。
本实施例步骤6，浇铸模锭厚度大于100 mm时，孕育剂成分容易产生偏析。应避免浇铸厚度大于100 mm的模锭。孕育剂模锭厚度小于100mm，一次浇铸完成。由于液态硅铁在缓慢冷却过程中，密度小的富硅部分上浮，密度大的硅化铁下沉，使硅铁的成分产生偏析。为减小硅铁锭的偏析，必须降低硅铁浇铸温度，控制锭厚度，或分层浇铸和加快锭的冷却速度。本方法中为防止锶硅孕育剂浇铸后成分偏析，铸锭厚度应控制在100mm以下，一次浇铸完成。
步骤6中行车吊起铁水包，人工转动铁水包上的转动手轮进行浇铸。
本实施例的工作过程：
将金属锶块4用铁丝捆绑在圆形压锶盘22下方，操控桥式起重机吊起压锶装置到铁水包5上方，铁水包5内放入低铝硅铁熔体8，降下压锶装置；压锶防护盖1先盖住铁水包5的开口，压锶装置的吊装芯杆2继续下降将金属锶块4压入铁水包5。待金属锶块4熔化反应完毕后，吊起压锶装置，搅拌后缓慢浇入孕育剂模锭。
由于金属锶块压入孕育剂熔体能减少锶的烧损，锶收得率提高2-3%，高于炉料全部加入中频炉的完全熔配法。整个压锶过程为先盖住装有孕育剂熔体的铁水包后再压入金属锶，减少了对环境的污染，改善了操作条件。提高了生产过程的安全性。如图5和6所示。
采用压锶法制备的硅锶孕育剂具有以下的优点：
1、由于金属锶不加入炉内熔化，只在铁水包内熔化，熔化温度降低了，可以提高锶的收得率。
2、压锶法可有效地减少金属喷溅，即使偶有喷溅也被压锶装置的防护盖挡住，提高了操作安全性。
3、静置除渣后，压入金属锶，可提高硅锶的纯净度。
4、静置除渣后，硅铁熔体温度适当降低，有助于减少金属锶的烧损。
5、压锶过程为压锶防护盖先盖住装有孕育剂熔体的铁水包后再压入金属锶，减少了对环境的污染，改善了操作条件。
6、锶的比重较75硅铁轻，采用压入法可使金属锶深入孕育剂熔体，在铁水包底部熔化反应，减少锶的烧损。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
