工业铸造现场超声波处理铁水的装置和方法与流程

本发明属于金属材料制备技术领域，具体而言，涉及一种工业铸造现场超声波处理铁水的装置和方法。

背景技术：

众所周知，影响铸件产品质量的因素很多，诸如造型、工艺流程、原材料质量、工人素质、铁水质量、热处理工艺、铸件加工等方面，但铁水质量是影响铸件质量的重要因素。铁水在熔炼、调质、添加各种金属元素的过程中，铁水中存有各种有害气体和各种非金属夹杂物，以及添加某些金属元素过程中由于材料特性、熔点、密度、粒度大小等因素，难以保证它们在铁水中均匀熔化。因此，铁水净化和组织均匀性的研究成为生产优质铸件的主攻方向。

超声处理技术是通过向熔融状态的金属液导入频率高、能量集中的超声波，具有显著细化晶粒、改善材料内部质量和性能的作用。对液态金属进行超声处理是一种绿色、节能、环保、高效、安全和经济的处理方式。

然而工业铸造现场环境复杂，铁水温度可达1500℃，对超声探头的耐高温与耐腐蚀性能要求高，传统金属材料难以满足要求，即使采用金属陶瓷来避免腐蚀，仍存在加工、装配困难和容易发生脆断的问题。而且通过施加简易的超声装置处理工业铸造现场大型浇包铁水熔体，其作用范围极其有限，且在高温作用下超声功率衰减严重，难以有效处理金属熔体。此外，还需考虑在不影响现有铸造工艺的情况下对铁水进行有效超声波处理。因此，现有技术中亟需便捷应用于生产线、利于批量处理的超声波处理铁水装置。

技术实现要素：

为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种工业铸造现场超声波处理铁水的装置和方法。

该装置依次由熔炼装置、球化包、转运装置、超声处理装置和浇注装置连接组成。所述超声处理装置包括配重、支架、气缸、活塞杆、距离限定装置、平衡杆、手摇柄、绝热板、链条传动装置、滚动轴承、转动杆、超声波换能器、变幅杆、超声波装置探头和超声波发生器。所述气缸置于支架顶部与其固定连接；活塞杆与平衡杆连接，通过控制气缸开关使活塞杆带动平衡杆上下移动；距离限定装置焊接在支架的顶板下方，以控制活塞杆和平衡杆的移动距离；平衡杆的一侧为配重以保持平衡杆水平状态，另一侧通过滚动轴承与转动杆连接；转动杆与手摇柄通过链条传动装置连接，通过匀速摇动手摇柄带动转动杆转动；转动杆另一端与绝热板连接固定；超声波换能器、变幅杆和超声波装置探头依次连接后置于绝热板的上方，所述的超声波发生器与超声波换能器连接。

优选的，所述的熔炼装置为中频感应电炉。

优选的，所述的球化包为“茶壶包”样式。

优选的，所述的转运装置包括天车和叉车。

优选的，所述的浇注装置包括浇注车和铁模覆砂铸型。

优选的，所述超声处理装置中，在距离绝热板中心85mm和240mm处分别加工直径为90mm的圆孔。

优选的，所述的超声波发生器可连接两个或两个以上超声波换能器，提高超声波处理功率和作用范围。

优选的，所述超声波装置探头材质为高强度石墨，直径20-50mm，长度200-600mm。石墨材质的超声波装置探头具有耐高温、耐铁水腐蚀、易加工等特点。

本发明另一个目的请求保护工业铸造现场超声波处理铁水的方法，所述的处理铁水的方法为：将炉料置于熔炼装置中熔炼，熔炼后在球化包中进行球化处理，由转运装置将球化包转运至超声处理装置下方，超声处理装置下移使超声探头伸入球化包中熔体液面30-500mm以下对球化后的铁水进行超声处理，调整超声波工艺参数，利用超声波的空化作用实现对铁水的净化作用。

更为具体的，所述的工业铸造现场超声波处理铁水的方法具体步骤为：

s1.成分配比：按重量百分比计，c：3.5-3.9％，si：1.7-2.1％，mg：0.03-0.05％，cu：0.2-1.0％，mn：0.3-0.6％，s＜0.025％，p＜0.06％，re：0.012-0.015％，其他杂质总含量≤0.02-0.05％，余量为fe；

s2.炉料选配：采用高纯生铁、低p低s废钢、回炉料和铁屑，按s1成分配比作为炉料；

s3.熔炼和精炼：采用中频感应电炉熔化炉料得到铁水，按s1成分配比加入工业锰铁、工业硅铁和电解铜均匀熔炼，经脱硫精炼后出炉，出炉温度为：1400-1480℃；

s4.球化处理：选用z6s球化剂，加入比例为0.9％，将其与步骤s3精炼后的铁水加入球化包中处理，得到球化后铁水；

s5.球化包通过转运装置转运至超声波装置探头下方；

s6.顺时针旋转气缸开关，使活塞杆推动平衡杆下降，使超声波装置探头伸入球化包中熔体液面30-500mm；

s7.开启超声波发生器开关，调整超声波工艺参数，所述的超声波工艺参数：频率为15-25khz，超声功率为100-2000w，处理时间为1-5min，施加方式为连续施加；

s8.匀速摇动手摇柄10转/分钟，通过链条传动装置使绝热板和超声波装置探头转动；

s9.手摇柄摇动方向每30秒交替一次；

s10.待超声处理铁水结束，关闭超声波发生器开关，逆时针旋转气缸开关，活塞杆带动平衡杆上升，使超声波装置探头上升至球化包上方200-300mm；

s11.孕育处理：选用75si-fe孕育剂，采用随流孕育的方式，孕育剂粒度为0.2-0.5mm，加入量0.3-0.5kg/min，总量不超过0.6％；

s12.将孕育处理后铁水注入铁模覆砂铸型浇注成型，浇注温度为1350-1440℃，冷却后开箱，获得球墨铸铁铸件。

本发明在超声波处理过程中，超声波会在金属熔体内部产生空化泡，空化泡破裂产生的高压，可以破碎枝晶，起到搅拌的作用。同时，空化泡的增大和液体的蒸发会带走大量的热量，从而形成局部过冷，使空化泡附近形成晶核，形核率增加，使金属组织得以细化，从而获得高性能球墨铸铁。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明在球化包中对铁水进行超声波处理，利用超声波的空化作用，对铁水起到除渣、除气的净化作用；

(2)超声波处理球化包中铁水可以显著细化球墨铸铁显微组织中石墨球的尺寸，减小珠光体片层间距，提高组织均匀性，提高球墨铸铁的力学性能；

(3)结合工业铸造现场实际情况，本发明提供的工业铸造现场超声波处理铁水的装置，使超声处理更便捷的应用于生产线，有利于批量处理。

附图说明

图1为本发明超声处理装置结构示意图；

图中：1、配重，2、支架，3、气缸，4、活塞杆，5、距离限定装置，6、平衡杆，7、手摇柄，8、绝热板，9、链条传动装置，10、滚动轴承，11、转动杆，12、超声波换能器，13、变幅杆，14、超声波装置探头，15、超声波发生器。

图2为本发明实施例2中超声处理对球墨铸铁铸件石墨球尺寸的影响图；

图3为本发明实施例2中超声处理对球墨铸铁铸件珠光体片层厚度的影响图。

具体实施方式

下面通过附图1-3和具体实施例详述本发明，但不限制本发明的保护范围。如无特殊说明，本发明所采用的实验方法均为常规方法，所用装置、器材、材料、试剂等均可从商业渠道获得。

实施例1

工业铸造现场超声波处理铁水的装置，依次由熔炼装置、球化包、转运装置、超声处理装置和浇注装置连接组成。所述超声处理装置包括配重1、支架2、气缸3、活塞杆4、距离限定装置5、平衡杆6、手摇柄7、绝热板8、链条传动装置9、滚动轴承10、转动杆11、超声波换能器12、变幅杆13、超声波装置探头14和超声波发生器15。所述的气缸3置于支架2顶部，采用螺纹连接固定；气缸活塞杆4与平衡杆6采用焊接方式连接，通过控制气缸开关使气缸活塞杆4带动平衡杆上下移动；距离限定装置5焊接在支架2顶板下方，以控制活塞杆4和平衡杆6的移动距离；平衡杆6一侧为配重以保持平衡杆水平，另一侧通过滚动轴承与转动杆11连接；转动杆11与手摇柄7采用链条传动装置9连接，通过匀速摇动手摇柄带动转动杆11转动；转动杆11下方通过螺纹方式与绝热板8连接固定；距离绝热板8中心85mm和240mm加工直径为90mm的圆孔；超声波换能器12、变幅杆13和超声波装置探头14通过螺纹连接的一体结构置于绝热板8上方。

实施例2

s1.成分配比：按重量百分比计，c：3.5-3.9％，si：1.7-2.1％，mg：0.03-0.05％，cu：0.2-1.0％，mn：0.3-0.6％，s＜0.025％，p:＜0.06％，re：0.012-0.015％，其他杂质总含量≤0.02-0.05％，余量为fe；

s2.炉料选配：低p低s废钢5％和铁屑10％，回炉料35％，其余为高纯生铁，按步骤s1成分配比作为炉料；

s3.熔炼和精炼：采用中频感应电炉熔化炉料得到铁水，按步骤s1成分配比加入工业锰铁、工业硅铁和电解铜均匀熔炼，经脱硫精炼后出炉，出炉温度为：1450℃；

s4.球化处理：选用z6s球化剂，加入比例为0.9％，得到球化后铁水；

s5.球化包采用转运装置转运至超声波装置探头14下方，超声波装置探头14直径30mm，长度500mm；

s6.顺时针旋转气缸3开关，活塞杆4推动平衡杆6下降，使超声波装置探头14伸入球化包中熔体液面200mm；

s7.开启超声波发生器15开关，调整超声波工艺参数，所述的超声波工艺参数：18.6khz，超声功率为600w，处理时间为3min，施加方式为连续施加；

s8.以10转/分钟速度匀速摇动手摇柄7，通过链条传动装置9使绝热板8和超声波装置探头14转动，扩大超声处理范围；

s9.手摇柄7摇动方向每30秒交替一次；

s10.待超声处理铁水结束，关闭超声波发生器15开关，逆时针旋转气缸3开关，活塞杆4带动平衡杆6上升，使超声波装置探头14上升至球化包上方300mm处；

s11.孕育处理：选用75si-fe孕育剂，采用随流孕育的方式，孕育剂粒度为0.2-0.5mm，加入量0.3-0.5kg/min，总量不超过0.6％；

s12.将铁水注入铁模覆砂铸型浇注成型，浇注温度为1410℃，冷却后开箱，获得球墨铸铁铸件。

实施例3

本实施例与实施例2的区别仅在于超声处理的工艺参数不同，超声波装置探头14伸入球化包中熔体液面500mm、超声波工艺参数：频率为25khz，超声功率为2000w，处理时间为1min，施加方式为连续施加。

对实施例2获得的球墨铸铁进行性能测试，经检测，获得的球墨铸铁成分为c：3.63％，si：1.93％，mg：0.05％，cu：0.46％，mn：0.52％，s：0.014％，p：0.036％，re：0.013％，余量为fe。在球化包中对铁水实施超声波处理净化后，铁水中铝元素含量由0.0073％下降至0.0031％。铝含量降低的原因在于铁水在球化包中经超声处理净化后，原有的三氧化二铝夹杂物被排除掉，从而使铝含量显著下降。且因夹杂、夹渣引起的废品率降低了70％。超声处理前后铁水中气体含量如表1所示，超声处理后，铁水中气体含量显著降低。

表1超声处理前后铁水中气体含量

超声处理对球墨铸铁铸件石墨球尺寸的影响如图2所示，超声处理后，石墨球尺寸明显得到细化。超声处理对球墨铸铁铸件珠光体片层厚度的影响如图3所示，超声处理后，显微组织中珠光体片层厚度减小，晶粒细化。超声处理后球墨铸铁铸件力学性能的如表2所示，超声处理过后，球墨铸铁铸件的强度为862-880mpa，伸长率4.9-6.7％，高于未施加超声处理的球墨铸铁铸件强度788mpa，伸长率2.7％。

表2超声处理后球墨铸铁铸件力学性能