專利名稱：孕育過濾器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于在鑄造過程后期對鑄鐵進行孕育的改良方法并涉及一種孕育劑，該孕育劑可以在對鑄造鐵時進行的鐵孕育中提供更好一致性。對于希望獲得不含碳化鐵的零件的制造，被稱為型內(nèi)孕育的本發(fā)明的鑄造過程包括過濾和孕育并結合了兩者的技術優(yōu)點。
背景鑄鐵是具有非常多用途的工程材料，其中包括已用于包括機械零件制造的許多商業(yè)用途的鐵-碳-硅合金。鑄鐵的多用性導致這種材料在許多結構用途中的應用，在該結構用途中鐵的均質性和一致性將對該組件的性能產(chǎn)生嚴重的影響。純凈的均質鐵，特別是灰口鐵或延性鐵的鑄造是高質量工程鑄件生產(chǎn)中的基本步驟。由于這些鑄造制品的重要性，必須對鐵特別是灰口鐵或延性鐵進行一致的鑄造，從而使其具有均勻的形態(tài)，最少的雜質和可重復的性能。
鑄鐵具有與眾不同的冶金學結構。大部分金屬在凝固期間形成單一的金屬結晶結構。然而，鑄鐵在凝固期間具有復雜得多的形態(tài)。在鑄鐵凝固期間形成的結晶相取決于凝固的速率。大部分工程鑄件要求在凝固期間在鐵基體中形成晶態(tài)石墨。如果該鑄鐵凝固過快，一次碳化鐵會在鑄件中結晶形成。一次碳化鐵是使鐵非常難于機械加工的堅硬脆性相而且可以改變一次鑄鐵的物理和機械性能。一次碳化鐵通常被稱為“白口”。通常認為以碳化鐵形式包含的碳對大部分鐵鑄件有害，然而以石墨的形式存在的碳可以提高鑄鐵的物理和機械性能。在凝固期間，碳可以以碳化鐵的形式也可以以石墨的形式結晶。任一種相的形成都是由凝固速率和包含在液態(tài)鐵中的成核程度驅動。凝固速率受該鑄件的幾何形狀，鑄模材料的熱去除速率和當金屬進入鑄模時包含的鐵的過熱量限制。成核程度受鐵水的冶金經(jīng)歷限制。以石墨形式存在的碳是一種有利的形式而且使碳以石墨的形式結晶是標準鑄造操作一貫的目標。石墨可以以幾種形態(tài)存在，其中包括球狀如延性鐵的情形，和片狀如灰口鐵的情形。
標準鑄造冶金操作包括孕育處理，其中在減少碳化鐵形成的情況下促進石墨的成核和生長。優(yōu)選的成核可極大提高成品鑄件的機械和物理性能。通常典型通過向澆注包，金屬流或在型內(nèi)添加孕育劑來實現(xiàn)孕育處理。典型地當澆注包充滿鐵水時，通過向澆注包中倒入顆粒狀孕育劑來將孕育劑加入澆注包，然而當熔融金屬進入鑄模時，通過注射或噴射將孕育劑的微細粉末加入到熔融金屬流中。盡可能晚的將孕育劑加入熔融金屬是特別理想的以便最大程度上減少衰退(fade)。由于鑄造處理中的不良品質，不充分或不合適的孕育通常是最顯著的損耗。
如果需要被稱為“SG”或“延性”鐵的球狀石墨鑄鐵，形成的石墨可優(yōu)選為球狀。然而，“LG”或“灰口”鐵則要求片狀石墨鑄鐵。需要滿足的基本先決條件是防止一次碳化鐵的形成。
為了這個目的，在鑄造之前對液態(tài)鑄鐵進行孕育處理，這可以在冷卻時促進石墨的出現(xiàn)而不是一次碳化鐵。
因此孕育處理非常重要。實際上眾所周知無論使用何種孕育劑，對于液態(tài)鑄鐵孕育處理具有一定的效率，該效率隨時間減小并且通常在幾分鐘后會減小50％。為了獲得最大的效率，本領域的技術人員通常實行逐步孕育，通過在鑄鐵制備的不同階段進行幾次孕育劑的添加達到這個目的。最后的添加是在注入鑄模時在型內(nèi)進行或甚至是通過在液態(tài)鑄鐵的通道上放置由孕育劑材料組成的嵌入物在該鑄模的進料導管中進行。這些嵌入物通常聯(lián)合過濾器一起使用；在這種情形中，這些嵌入物通常具有完美的規(guī)定形狀以便能夠安置在過濾器中，最常見的是在適合的孔穴中。已知這些規(guī)定形狀的嵌入物為“丸粒”或“小塊”。我們將通過“過濾器孕育劑組件”的名稱來表示由丸粒和過濾器構成的裝置。
存在兩種類型的丸粒。通過對熔融孕育劑進行模制處理獲得的“模制”丸粒。由通常具有極少量粘結劑或甚至不含粘結劑的壓制粉末獲得的“結塊”丸粒。
市售的孕育劑通過使鐵水與高活性元素作用形成籽晶來產(chǎn)生成核點。這些活性元素與溶解在鐵水中的氧和硫結合，而且所得的反應產(chǎn)物從熔體中析出從而形成凝固期間石墨的成核點。這些成核產(chǎn)物在該熔體中繼續(xù)生長直到該熔體完全凝固。這些顆粒必須在很窄的尺寸范圍內(nèi)以便使石墨成核并使晶體生長。因此使金屬與活性元素在盡可能接近凝固時形成籽晶，可以使析出顆粒保持在石墨晶體成核所必須的窄尺寸窗口內(nèi)的概率增加。晶體石墨的形成與反應動力學優(yōu)選的產(chǎn)物相反。還不清楚影響孕育的關鍵參數(shù)而且這仍是學術爭論的主題。本領域中非常需要技術人員對孕育效率進行預測并因而提高孕育效率的能力。
已經(jīng)知道恰好在過濾器之前將熔融金屬暴露于丸粒的丸粒孕育，其中使用了包含少量鈣，鋁，和稀土元素的基體材料。隨著鑄造的進行，由于孕育劑從丸粒中溶解相關的反應動力學的原因，孕育效率隨時間變化。實現(xiàn)制造具有不同尺寸的不同零件所需的各種澆注體積和時間使孕育問題進一步復雜化。如果使用長的澆注時間，由于澆注包中孕育劑的衰退，澆注包孕育的方法是不合需要的。如果使用短的澆注時間，該時間可能不足以允許丸粒孕育所提供的孕育的開始。仍不十分清除在金屬流中提供有效孕育的性質，而且典型地需要通過實驗并耗費大量成本和材料對適合的工作范圍進行研究。
Daussan在專利FR 2,692,654描述了一個過濾器孕育劑組件，其中優(yōu)選通過0.5至2mm的粉末的結塊獲得該丸粒。這種過濾器孕育劑組件的效率非常有限。
Foseco在專利EP 0,234,825中描述了一個過濾器孕育劑組件，其中該孕育劑是以包封在塑料袋中的粉末狀非結塊粉末的形式存在。這種裝置制造起來較為復雜而且由于使用了非結塊的粉末，不能始終很好地控制該粉末與液態(tài)鑄鐵的潤濕性。
在本領域中解決有效孕育問題的努力僅取得了非常有限的成果。例如DE專利公開DE43,18,309A1將孕育丸粒加入過濾器的凹陷處。該蜂巢形狀的過濾器包含1至8mm的孔隙。在使用中證實，這種類型的過濾器孕育劑組件的效率受所使用的丸粒的限制。這實現(xiàn)了在過程后期進行孕育的目的，但不能減輕與依賴于過程的孕育效率相關的主要問題。已發(fā)現(xiàn)該丸粒/過濾器組合體對鑄件的幫助很有限，因為除了使丸粒定位以外，它不能提供任何的幫助。
美國專利6,293,988提供了包含氧硫化物的孕育劑。所提供的優(yōu)點是可省去作為載體介質的硅鐵。該氧硫化物孕育劑溶解緩慢而且孕育率特別是在澆注的早期的孕育率可能是不一致且不可預料的。即使將衰退的問題減輕到一定程度，緩慢溶解的丸粒會受到與澆注早期不充分孕育相關的問題的影響。
已知利用硅鐵載體的孕育劑溶解非常迅速，因此廣泛接受它們用于澆注包孕育。快速的溶解速率使得硅鐵載體基孕育劑在本領域中被忽視，因為通常認為快速率的溶解會使得丸粒在澆注完成之前溶解，因此該孕育劑不能在整個澆注過程中有效?？斓娜芙馑俾适沟秒y于對硅鐵基孕育劑進行控制。
在本發(fā)明之前，技術人員被限制于在澆注包中使用硅鐵基孕育劑，將孕育劑流注入流動金屬和使用以丸粒形式的非硅鐵基孕育劑。此外，技術人員必須在使用澆注包孕育的衰退，使用丸粒孕育的澆注早期無效孕育或與注射孕育聯(lián)系的機械復雜性中進行選擇。
本領域中存在對孕育劑和其使用方法的長期需求，不管熔融金屬以何種速率進行澆注，該孕育劑和方法可確保一致且可預測的孕育。在本發(fā)明之前這種需求無法得到滿足。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的是提供一種孕育丸粒，該丸?？稍趯捁ぷ鞣秶臐沧r間上對鐵水進行一致的孕育而不發(fā)生衰退或無效孕育。
本發(fā)明的另一個目的是由結塊孕育丸粒和相關聯(lián)的過濾器組成過濾器孕育劑組件，分別對其性質進行調(diào)節(jié)以產(chǎn)生最佳的協(xié)同作用。
本發(fā)明的另一個目的是提供用于對鐵水進行孕育的體系，該體系易于控制，不限制鑄造操作而且在物理結構和操作程序的最小改動下可以將該體系用于幾乎所有現(xiàn)存的鑄造體系。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種孕育丸粒，可以使用該丸粒在寬范圍的進口流速下對鐵水進行有效且均勻的孕育。這提供了特別的優(yōu)點，因為可以在由加工需要所規(guī)定的范圍內(nèi)操作，而不受與孕育效率有關的限制。
以對鐵水進行孕育的方法提供了一個特別優(yōu)選的實施方案。該方法包括使鐵水以約1至60cm/sec的進口流速通過過濾器組件。該過濾器組件包括過濾器元件和與該過濾器元件接觸的孕育丸粒。該丸粒具有至少1mg/sec到至多320mg/sec的孕育劑溶解速率，且優(yōu)選包含約40-99.9％重量比的含硅鐵的載體。該丸粒還優(yōu)選包含0.1-60％重量比的至少一種孕育劑，該孕育劑選自稀土元素或選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦，鋁，鑭和硫。
以包含過濾器和丸粒的組件的方式提供了另一個優(yōu)選的實施方案，該組件用于在最后過濾中對鑄鐵進行后期孕育，且其中通過粉狀孕育劑合金的結塊獲得所述丸粒而所述過濾器是一種難熔多孔材料，其中所述丸粒的粉狀孕育劑包含一定的顆粒尺寸分布，該尺寸分布包括100％重量比的小于2mm的顆粒，30-70％重量比的介于50-250φ之間的顆粒，和小于25％重量比的小于50φ的顆粒，且所述過濾器只允許小于10φ的顆粒通過。
以包括多孔過濾器和孕育劑丸粒的過濾器組件的方式提供了另一個優(yōu)選的實施方案。該孕育劑丸粒包含載體和孕育元素。該載體包含至少30％重量比的硅鐵。該孕育劑包含至少一種選自稀土元素或選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦，鋁，鑭和硫的孕育劑。
以對鐵水進行孕育的方法提供了又一個優(yōu)選的實施方案。該方法包括使鐵水以約1-60cm/sec的速率通過過濾器組件。該過濾器組件包括過濾器元件和與該過濾器元件接觸的孕育丸粒。該孕育劑丸粒包含粘結劑和約0.1-60％重量比的孕育劑。該孕育劑包含至少一種選自稀土元素或選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鋁，鑭和硫的孕育劑。該丸粒具有至少約1mg/sec到至多約320mg/sec的孕育劑溶解速率。
以對鐵進行模制的方法提供了又一個優(yōu)選的實施方案，該模制方法包括下列步驟a)使鐵熔化形成鐵水；b)將鐵水輸送至過濾器組件，其中該過濾器組件包含過濾器元件和與該過濾器元件接觸的孕育丸粒，而且其中該孕育劑丸粒包含載體和約0.1-60％重量比的活性孕育劑，該活性孕育劑包含至少一種選自稀土元素或選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦，鋁，鑭和硫的孕育劑，且其中該丸粒具有至少約1mg/sec到至多約320mg/sec的孕育劑溶解速率；c)使該鐵水以在30.25cm2的橫截面下測得的約1至約60cm/sec的速率通過該過濾器組件以便形成孕育過濾的鐵；將孕育過濾的鐵輸送至鑄模形成熔融型材(shape)；和d)使該熔融型材冷卻形成模制鐵。
以對鐵進行型內(nèi)孕育的丸粒的方式提供了又一個優(yōu)選的實施方案。該丸粒包含約40-99.9％重量比的載體和約0.1-60％重量比的孕育劑。該載體包含至少約30％重量比的硅鐵。該孕育劑包含至少一種選自稀土元素或選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦，鋁，鑭和硫的孕育劑。該丸粒具有至少約2至約250mg/sec的孕育劑溶解速率，該溶解速率是對于30.25cm2的鐵水流在15cm/sec的進口流速下測得。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及孕育丸粒，體系及其使用方法，該方法能極大地提高熔融金屬特別是鐵的孕育處理的一致性。使用丸粒的孕育技術在以前只取得了有限的成果。非硅鐵基丸粒例如美國專利6,293,988中公開的那些丸粒溶解緩慢且所得鑄鐵仍包含與不恰當孕育相符的白口層。該技術沒有給出能提供下述硅鐵基孕育劑丸粒的方法，該丸?？梢栽趯挿秶牧魉倩蜻M口流速上使用，并具有恰當?shù)脑杏妥钚〕潭鹊乃ネ?。通過仔細研究在這里提出了這種方法。
在鑄鐵制備的不同階段實施孕育的本領域的技術人員在工藝中使用的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品越細加入孕育劑的時間越晚其邏輯為上游產(chǎn)品具有所有必需的時間來溶解而當它們到達鑄模入口時，它們在凝固之前只有幾秒鐘時間。
目前在預孕育中使用粒度為2至10mm的顆粒，在澆注包處理階段使用粒度為0.2至2mm的顆粒，當鑄造時使用粒度為0.2至0.7mm的顆粒用于流體孕育。這種應用實際上注意到了試驗車間中預想不到的現(xiàn)象。對于相同劑量的孕育劑，在液態(tài)鑄鐵中形成的石墨核的數(shù)目隨添加到該孕育體裝置中的孕育顆粒的數(shù)目而增加。因此如果在相同的條件下用具有不同顆粒尺寸分布的相同孕育劑對兩包鑄鐵進行處理，用較細(finest)產(chǎn)品處理的鑄鐵將比用較粗產(chǎn)品處理的鑄鐵包含更多的石墨核；這些核在尺寸上也將更小。
在使用結塊丸粒的型內(nèi)處理過程中觀察到了相同的現(xiàn)象；使用由較細粉末得到的丸粒處理的鑄鐵將比使用由較粗粉末獲得的丸粒處理的鑄鐵包含更多的石墨核；這些核在尺寸上也將更小。
為了按這種方法獲得具有最大孕育效率的丸粒，申請人已經(jīng)制備了0至2mm的粉末，該粉末具有以下列方式定義的特定內(nèi)部顆粒尺寸分布2mm通過100％；50Ф到250Ф之間30％至70％，更優(yōu)選40至60％；小于50Ф的部分小于25％，更優(yōu)選小于20％。
這種類型的粉末易于結塊，這使得利用較低比例的粘結劑的操作成為可能。因此對于眾所周知的粘結劑硅酸鈉，根據(jù)所使用的可以從50至500Mpa不同的壓力，每100g粉末0.3cm3至3cm3的劑量是足夠的，因為該丸粒的機械性能可以容易地獲得。可以利用壓力和粘結劑百分比的參數(shù)來控制丸粒的溶解速度而不影響其機械性能。
經(jīng)驗顯示不能通過自然破碎來獲得上面定義的顆粒尺寸分布。具有這種顆粒尺寸分布的粉末的制備需要分別制備一定尺寸分數(shù)的劑量。
與丸粒聯(lián)合的過濾器是包含可供金屬通過的連續(xù)或半連續(xù)孔隙或通道的陶瓷過濾器，且其中可以貯存所包含的大于10Ф且優(yōu)選大于3Ф的顆粒。
控制溶解速率以允許寬范圍的流速或進口流速，此刻允許可預測的孕育而無需考慮在30.25cm2的流動截面下測得的1-60cm/sec的工作范圍內(nèi)的進口流速。
本發(fā)明的有效組分包括硅鐵載體和至少一種活性元素。該硅鐵載體是可溶解于鐵水中但不顯著形成籽晶核的低活性元素。該活性元素一種元素或幾種元素的組合，該元素可溶于鐵水中而且可與鐵水中的元素反應形成籽晶核，石墨優(yōu)選在這些籽晶核上結晶。
該孕育劑丸粒的有效組分包括40-99.9％重量比的載體和0.1-60％重量比的活性元素。特別優(yōu)選的載體是由包含非活性雜質的硅鐵制成。硅鐵可以由各種來源購得。通過本領域的術語，以75％硅鐵典型提供的硅鐵表明該材料包含約75％重量比的硅和25％重量比的鐵。以50％硅鐵廣泛獲得的硅鐵表明該材料包含約50％重量比的硅和50％重量比的鐵。對于本發(fā)明的目的，粘結劑包含所有非孕育元素。最優(yōu)選該載體包含至少約30％重量比的硅鐵。優(yōu)選在形成丸粒之前向有效組分中加入粘結劑。在本領域中眾所周知該粘結劑例如硅酸鈉可以輔助粉末的造粒。
本發(fā)明的活性元素包括至少一種稀土元素或至少一種選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦，鋁，鑭和硫的孕育劑。特別優(yōu)選的孕育劑包括選自鍶，鋁，鑭，鋯，鈣和錳的至少一種元素。該孕育劑優(yōu)選包含約0.1-60％重量比的孕育試劑。更優(yōu)選地，該孕育劑包含約0.1-40％重量比的活性孕育試劑。最優(yōu)選地，該孕育劑包含約0.1-20％重量比的活性孕育試劑。
進口流速是本行業(yè)中眾所周知的用于指示流向并流過過濾器的金屬體積的實際量度。正如本領域的技術人員所清楚的，在固定橫截面的流動區(qū)域上對進口流速進行測定。對于本發(fā)明的目的，所有的進口流速均在30.25cm的橫截面積下計算，除非另外說明。對于本領域的技術人員很明顯，不同的橫截面積將產(chǎn)生不同的進口流速，然而通過本領域中已知的簡單轉換可以容易地使該進口流速與這里所提到的進口流速進行比較。
孕育劑的溶解速率定義為以時間的函數(shù)所消耗的孕育劑數(shù)量。某些孕育劑的分析是困難的，因此該溶解速率是基于確定元素，或者孕育劑或者標記物的分析。假定該確定元素與其它孕育試劑在鑄鐵中的重量比與在最初丸粒中的重量比相同。對于本發(fā)明，使用鋯作為孕育的確定元素。因此，限定鑄鐵中的全部孕育劑為該鑄鐵中的鋯加其它孕育劑的數(shù)量。例如，如果一種孕育劑包含一份重量比的鋯和一份重量比的錳，而且該鐵中鋯的數(shù)量是20ppm于是錳的數(shù)量也應為20ppm，以使全部孕育劑為40ppm。以40ppm的數(shù)量存在的鋯加錳的克數(shù)除以澆注時間就是該孕育劑的溶解速率。
對于1-60cm/sec的進口流速，至少需要約1mg/sec的孕育劑溶解速率以便得到足夠的孕育。小于1mg/sec時，會觀察到不充分的孕育率，特別是在澆注的早期，不能確保包含最少的白口或不含白口從而基本上消除碳化鐵的形成?？蛇x地，該進口流速必須小于一定水平，這對于小于約1mg/sec的孕育劑溶解速率是不切實際的。優(yōu)選地，該孕育劑的溶解速率不小于10mg/sec。更優(yōu)選地，該孕育劑的溶解速率不小于20mg/sec。需要不大于約320mg/sec的孕育劑溶解速率以確保溶解速率足夠慢從而使得該丸粒可在以1-60cm/sec的進口流速進行的整個澆注過程中存在。當超過約320mg/sec時，該丸?？赡苓^早溶解因此不能對澆注的后期進行孕育?；蛘撸仨殞⒃撨M口流速提高到一個不切實際的水平。更優(yōu)選地，該孕育劑的溶解速率不超過約250mg/sec。最優(yōu)選地，該孕育劑的溶解速率不超過約200mg/sec。
市售的硅鐵基孕育劑以超過320mg/sec的速率溶解。雖然非常適合用于澆注包孕育，但已發(fā)現(xiàn)這些孕育劑不適合用作過濾時的丸粒。在本發(fā)明之前，沒有對硅鐵基孕育劑的溶解速率進行研究，因為本領域中認為該速率過快以致不能在這種方法中使用。本發(fā)明說明當以窄范圍的溶解速率進行制備時，可以制備硅鐵基孕育劑，該孕育劑可以以孕育丸粒的形式使用且所得鑄鐵具有低水平的白口。此外，本領域中以前沒有認識到的適當?shù)娜芙馑俾试试S在使用最少的孕育劑下獲得優(yōu)異的孕育。這顯著減少了孕育的成本并增加了可預測性。通過這里的教導提供的另一個優(yōu)點是可以確定適當?shù)脑杏齽┩枇５臄?shù)量從而獲得適當?shù)脑杏健?br> 約1至約320mg/sec的溶解速率允許以1-60cm/sec的進口流速使用本發(fā)明的丸粒，而不發(fā)生衰退或在澆注的任何部分的不充分孕育。在不利用非常大的丸粒或進口流速的情況下目前這在本領域中是無法實現(xiàn)的，而該丸粒只部分使用，而該進口速率是不需要的。更優(yōu)選地，在約1至約40cm/sec的進口流速下該溶解速率是約1至約320mg/sec。更優(yōu)選地，可以使用10至30cm/sec的進口流速而且最優(yōu)選使用15-25cm/sec的進口流速。優(yōu)選的丸粒溶解速率是2-250mg/sec，特別優(yōu)選的丸粒溶解速率是2至150mg/sec。
在一個特別優(yōu)選的實施方案中，30.25cm2的橫截面積下測量的在15cm/sec的進口流速丸粒的溶解速率。在15cm/sec的進口流速下，該丸粒優(yōu)選具有至少約2mg/sec到至多約300mg/sec的溶解速率。更優(yōu)選地，以15cm/sec的進口流速測量時，該丸粒具有至少約2mg/sec到至多約200mg/sec的優(yōu)選溶解速率。
該過濾器的過濾速率可以在0.01kg/(s·cm2)和0.5kg/(s·cm2)之間進行調(diào)節(jié)。更優(yōu)選地根據(jù)應用可以在0.04kg/(s·cm2)和0.24kg/(s·cm2)之間進行調(diào)節(jié)。
由于通常所需的孕育率為0.05％至0.15％而且由于本發(fā)明的過濾器的過濾能力為每平方厘米1至1.5kg鐵水，因此以0.75至1.5的比值(丸粒質量g/過濾器表面積cm2)來調(diào)節(jié)該過濾器孕育劑組件的尺寸。例如，由25g丸粒和30cm2的過濾器制成的過濾器孕育劑組件將是合適的尺寸。
通過組成和堆積密度來控制該丸粒的溶解速率。隨著堆積密度的增加溶解速率也隨之增加。對于本發(fā)明，壓縮到約2.3g/cc呈約2.6g/cc的硅鐵粘結劑適合用來獲得本發(fā)明所需要的溶解范圍?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)丸粒的密度來獲得這種結果，根據(jù)用于結塊的壓力可從50變化至500MPa，可以得到制成該丸粒的孕育合金真密度的60％至80％的丸粒密度。可以對根據(jù)本發(fā)明的過濾器孕育劑組件的尺寸進行調(diào)整以便用于鐵水流速為1至25kg/s的處理，陶瓷過濾器元件是包含可供金屬通過的連續(xù)或半連續(xù)孔隙或通道的多孔部件，其中貯存有所包含的任何顆粒。優(yōu)選通過美國專利4,056,586中描述的方法制備該多孔陶瓷過濾器元件，這里引用該專利作為參考文獻。美國專利5,673,902和5,456,833中提供了制造陶瓷過濾器元件的方法的更詳細描述，這里將這兩者包括在內(nèi)作為參考文獻。
實驗實施例1至5涉及延性鑄鐵。實施例6涉及灰口鑄鐵。
實施例1獲得批次A的現(xiàn)有技術的市售結塊孕育劑丸粒并對其進行了分析；分析結果表明Si＝72.1％，Al＝2.57％，Ca＝0.52％。然后在感應爐中由FeSi 75合成一批分析結果與前述批次盡可能接近的熔融孕育劑，并通過添加鈣的硅化物，鋁然后是鐵調(diào)節(jié)其強度。然后將這批孕育劑鑄成25克模制丸粒。對這批命名為“B”的丸粒進行抽樣和分析，結果表明Si＝72.4％，Al＝2.83％，Ca＝0.42％。使用標準技術制備一系列30.25cm2的正方形碳化硅陶瓷過濾器。用陶瓷漿料涂覆有機泡沫材料以致使所有的孔隙被填充。然后壓縮該有機泡沫材料以便排出過量的漿料。然后對涂覆漿料的有機泡沫材料進行干燥和燒制。在該過濾器的表面局部切出一個圓形孔以便裝入丸粒。
實施例2在感應爐中熔化鑄鐵爐料，然后通過Tundish Cover工藝利用包含5％Mg，2％Ca，和2％全稀土(TRE)的FeSiMg型合金并以每1600kg鑄鐵20kg合金的劑量對爐料進行處理。對這種液態(tài)鑄鐵的分析結果表明C＝3.7％，Si＝2.5％，Mn＝0.09％，P＝0.03％，S＝0.003％，Mg＝0.042％。其共晶溫度為1141℃。使用這種鑄鐵來鑄造具有約1kg單位質量的零件，置于具有20個零件模具的組件中，通過其中放置批次“B”的模制丸粒的流入導管來澆注。通過金相顯微法在該零件的橫截面上觀察到的石墨球的數(shù)目為184/mm2。
實施例3以相同的方式重復實施例2，唯一不同的是用根據(jù)現(xiàn)有技術的結塊丸粒代替來自批次“B”的模制小塊，該結塊丸粒是通過壓縮0至2mm的粉末得到，該粉末則是通過對取自與前述實施例相同的批次“B”的模制丸粒進行自然破碎得到。這種粉末的顆粒尺寸分布為2mm通過100％；0.4mm通過42％；0.2mm通過20％；50Ф通過10％，即與專利EP 0,234,825中推薦的分布相當接近的顆粒尺寸分布。通過金相顯微法在該零件橫截面上觀察到的石墨球的數(shù)目為168/mm2。
實施例4以相同的方式重復實施例3，唯一的不同是該模制小塊來自批次“A”。通過金相顯微法在該零件橫截面上觀察到的石墨球的數(shù)目為170/mm2。
實施例5以下列條件重復實施例3。將來自于批次“B”的25kg模制小塊破碎到0至1mm。通過過篩分離成0.63到1mm；0.40到0.63mm；0.25到0.40mm；0.050到0.25mm和0到0.050mm幾個部分。獲得了3.5kg的0.63至1mm的粉末；3.9kg的0.40至0.63mm的粉末；4.2kg的0.25至0.40mm的粉末；7.1kg的0.050至0.25mm的粉末和6.1kg的0至0.050mm的粉末。通過混合以下部分制備粉末2kg的0.63至1mm，2kg的0.40至0.63mm，2kg的0.25至0.40mm，7kg的0.050至0.25mm，和2kg的0至0.050mm。向這15kg粉末摻混物中加入150cm3硅酸鈉和150cm310當量濃度(normal)的氫氧化鈉。使用獲得的摻混物來制造直徑24mm，高度22mm的圓柱形結塊丸粒。作用在丸粒上使其成型的壓力為285Mpa并持續(xù)1秒鐘。將成型的丸粒在仔細通風的場所內(nèi)在25℃下存貯8小時，然后在110℃下烘干4小時。所得到的25g單位質量的丸粒以批次“C”表示。然后用與陶瓷泡沫材料過濾器組合且來自批次C的丸粒重復實施例3，該泡沫材料過濾器與實施例2中所使用的過濾器相同。通過金相顯微法在該零件橫截面上觀察到的石墨球的數(shù)目為234/mm2。
實施例6以下列條件重復實施例5。在感應爐內(nèi)熔化1600kg鑄鐵爐料。從液態(tài)金屬中取樣并進行分析。分析結果表明C＝3.15％，Si＝1.82％，Mn＝0.71％，P＝0.15％，S＝0.08％。其共晶溫度為1136℃。使用該鑄鐵來鑄造具有約1kg單位質量的零件，置于具有20個零件模具的組件中，通過其中放置的由30.25cm2的過濾器支撐的模制丸粒的流入導管來澆注，該過濾器是由與其它實施例中所使用的相同的耐火泡沫材料組成。該模制小塊來自于批次“C”。通過金相顯微法在該零件橫截面上觀察到的共晶晶粒的數(shù)目為310/mm2。
發(fā)明實施例7使用標準技術制成一批30.25cm2的正方形碳化硅陶瓷過濾器。用陶瓷漿料涂覆有機泡沫材料以便使所有的孔隙被填充。然后壓縮該有機泡沫材料以便使該陶瓷泡沫材料被漿料包覆的同時排出過量的漿料。然后對涂覆的有機溶沫漿料進行干燥和燒制。在該過濾器的表面局部切出一個約25.4mm直徑的圓形孔以便裝入丸粒。
通過形成活性成分與硅和鐵的合金制備一系列厚度約20.5mm且直徑約25.4mm的圓柱形丸粒。將該合金熔化，破碎，研磨，篩分并與硅酸鈉混合形成丸粒。將該粉末置于模具內(nèi)并壓縮到一定水平足以獲得約2.3至2.6g/cc的所需密度。然后將該丸粒嵌入陶瓷過濾器的圓形孔。
使用包含5個相同尺寸的腔體的試驗模具來測定該丸粒/過濾器組合在整個澆注過程中的溶解速率，其中在單次澆注中依次填充每個腔體。將該丸粒/過濾器組合在腔體之前插入到測試模具中，并以不同時間段向該模具中注入29.51Kg鐵水。測得澆注過程中的溫度的范圍是1335-1470℃，且在這個范圍的溫度內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)顯著的差異。
從試驗模具的第一，第三和第五個腔體中的板狀鑄件取出多個核心試樣，將該核心試樣溶解并通過感應耦合等離子能譜分析其中的鋯。將平均鋯水平定義為平均孕育(AI)。通過下列方程計算進口流速(AV)，即過濾器前沿的鐵的速率AV＝PW/(D*EFA*t)其中PW是澆注重量其單位為克；D是金屬密度其單位為克每立方厘米；EFA是有效過濾器面積其單位為cm2，或者是沒有被丸粒覆蓋的過濾器的表面積而t是時間其單位為秒。規(guī)定平均溶解速率(ADR)為全部澆注時間上金屬消耗的基于鋯的分析的全部孕育劑的克數(shù)。表1中給出了該結果。
澆注完成之后，過濾器中不再看到該丸粒。在第一和最后的金屬板中存在充足的孕育這表明該溶解速率足夠對整個澆注進行有效孕育且在任何試樣中不含由于不良孕育所產(chǎn)生的白口。
該鑄鐵的分析表明所有本發(fā)明的試樣具有足夠的孕育，該孕育以基于該鑄鐵中鋯的水平的平均孕育(AI)指示。
表1

對比實施例按照發(fā)明實施例中的方法制備硅鐵丸粒，不同的是顆粒尺寸和填充與通常在硅鐵基孕育劑中所使用的相同。通過丸粒損失分析和孕育劑元素百分比估算溶解速率。結果如表2所示。
表2

該溶解速率過高因而不是一種有效孕育劑。
對比實施例2將直徑為26.4mm且厚度為約17mm的圓形孕育盤插入SELEE碳化硅過濾器。該孕育盤包含15-49％重量比的硅；7-22％重量比的鈣；2.5-10％重量比的硫；2.5-7.5％重量比的鎂和0.5-5％重量比的鋁。使20kg-29kg的灰口鐵試樣以約12-18cm/sec的進口流速通過該過濾器澆注。澆注完成后，通過SEM/EDS分析剩余的丸粒。不可能對發(fā)明實施例進行類似的分析，因為該丸粒不再可見。該分析表明形成了包括鈣鎂鋁化合物的硅酸鹽和硫化物的復雜熔渣產(chǎn)物。
利用該對比丸粒進行的鑄鐵的獨立分析表明形成了包含最小限度的片狀石墨組織的碳化鐵，因此表明這是無效的孕育。
從這里的描述和實施例可明顯看到利用與過濾器元件接觸的硅鐵基丸粒可以實現(xiàn)有效孕育。出乎預料的是，在基于本領域的技術知識下這種組合物是適合的。更出乎預料的是，注意到可以獲得優(yōu)異的孕育，其中基本消除了碳化物的形成且在全部澆注過程中可以極好的控制白口。這是本領域中一個與技術人員的預期相反且基于利用硅鐵基孕育劑的性質的進展，以前沒有利用這種孕育劑因為本領域中以前所支持的觀點認為使用硅鐵基丸粒的丸粒孕育是不合需要的。
著重于優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進行了描述。顯然對于本領域的技術人員可以在不背離所附權利要求所提出的本發(fā)明的范圍的情況下實現(xiàn)變更的實施方案。
權利要求
1.用于在鑄鐵的最后過濾中對鑄鐵進行后期孕育的包含過濾器和丸粒的組件，其中所述丸粒是通過粉狀孕育劑合金的結塊獲得而所述過濾器是耐火多孔材料，其中所述丸粒的所述粉狀孕育劑具有如下的顆粒尺寸分布，包括100％重量比的小于2mm的顆粒，30-70％重量比的介于50-250Φ之間的顆粒，和小于25％重量比的小于50Φ的顆粒，且所述過濾器只允許小于10Φ的顆粒通過。
2.權利要求1的組件，其中所述過濾器只允許小于3Φ的顆粒通過。
3.權利要求1的組件，其中所述丸粒具有以克數(shù)度量的質量，且所述過濾器具有以cm2度量的表面積，且所述克數(shù)與表面積的比值為至少0.75到至多1.5。
4.權利要求1的組件，其中所述組件處理流速至少1kg/s到至多25kg/s的熔融鑄鐵。
5.權利要求1的組件，其中所述丸粒包含孕育劑合金的粉末，該粉末包含40％至60％重量比的所述介于50-250Φ之間的顆粒，和小于20％重量比的所述小于50Φ的顆粒。
6.權利要求1的組件，其中所述粉狀孕育劑包括兩種或多種孕育劑粉末合金的摻混物。
7.權利要求1的組件，其中所述粉狀孕育劑是兩種或多種的產(chǎn)品的摻混物，構成混合孕育劑。
8.權利要求1的組件，其中所述丸粒包含活性組分，該活性組分包含約40-99.9％重量比的含硅的鐵載體和約0.1-60％重量比的至少一種選自稀土元素的孕育劑。
9.權利要求1的組件，其中所述丸粒包含活性組分，該活性組分包含約40-99.9％重量比的含硅鐵的載體和約0.1-60％重量比的至少一種選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦，鋁，鑭和硫的孕育劑。
10.權利要求9的組件，其中所述丸粒包含至少一種選自鍶，鋯，鈣，鑭，錳和鋁的孕育元素。
11.權利要求9的組件，其中所述丸粒包含約0.1-40％重量比的孕育元素。
12.權利要求11的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述丸粒包含約0.1-20％重量比的孕育元素。
13.權利要求1的組件，其中所述丸粒具有至少1mg/sec到至多320mg/sec的孕育劑溶解速率。
14.權利要求13的組件，其中所述丸粒具有至少10mg/sec的孕育劑溶解速率。
15.權利要求14的組件，其中所述丸粒具有至少20mg/sec的孕育劑溶解速率。
16.權利要求13的組件，其中所述丸粒具有至多250mg/sec的孕育劑溶解速率。
17.權利要求16的組件，其中所述丸粒具有至多200mg/sec的孕育劑溶解速率。
18.用于對鐵水進行孕育的方法，該方法包括使所述鐵水以約1至約60cm/sec的進口流速通過過濾器組件，其中所述過濾器組件包括過濾器元件和與該過濾器元件接觸的孕育丸粒，其中所述丸粒具有至少1mg/sec到至多320mg/sec的孕育劑溶解速率。
19.權利要求18的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述孕育劑溶解速率是至少10mg/sec。
20.權利要求19的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述孕育劑溶解速率是至少20mg/sec。
21.權利要求18的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述孕育丸粒包含活性組分，該活性組分包含約40-99.9％重量比的含硅鐵的載體和約0.1-60％重量比的至少一種選自稀土元素的孕育劑。
22.權利要求18的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述孕育丸粒包含活性組分，該活性組分包含約40-99.9％重量比的含硅鐵的載體和約0.1-60％重量比的至少一種選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦，鋁，鑭和硫的孕育劑。
23.權利要求22的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述丸粒包含至少一種選自鍶，鋯，鈣，鋁，鑭和錳的孕育元素。
24.權利要求18的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述丸粒具有至少2mg/sec的孕育劑溶解速率。
25.權利要求21的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述丸粒具有至少2mg/sec的孕育劑溶解速率。
26.權利要求18的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述丸粒具有至多250mg/sec的孕育劑溶解速率。
27.權利要求26的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述丸粒具有至多200mg/sec的孕育劑溶解速率。
28.權利要求18的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述進口流速為約1至約40cm/sec。
29.權利要求28的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述進口流速為約10至約30cm/sec。
30.權利要求18的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述進口流速為約15至約25cm/sec，且所述孕育劑溶解速率是至少約2到至多約250mg/sec。
31.權利要求18的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述丸粒包含約0.1-40％重量比的孕育元素。
32.權利要求31的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述丸粒包含約0.1-20％重量比的孕育元素。
33.權利要求18的用于對鐵進行孕育的方法，其中所述丸粒包含結塊的粉狀孕育劑的丸粒，該粉狀孕育劑丸粒包含一定的顆粒尺寸分布，該尺寸分布包括100％重量比小于2mm的顆粒，30-70％重量比介于50-250Φ之間的顆粒，和小于25％重量比的小于50Φ的顆粒，且所述過濾器只允許小于10Φ的顆粒通過。
34.權利要求33的用于對鐵進行孕育的方法，其中所述丸粒包含結塊的粉狀孕育劑的丸粒，該粉狀孕育劑丸粒包含40％至60％重量比的50-250Φ的顆粒，和小于20％重量比的小于50Φ的顆粒。
35.權利要求33的用于對鐵進行孕育的方法，其中所述過濾器只允許小于3Φ的顆粒通過。
36.權利要求18的用于對鐵進行孕育的方法，其中所述丸粒具有以克數(shù)度量的質量，且所述過濾器具有以cm2度量的表面積，且所述質量與表面積的比值為至少0.75到至多1.5。
37.權利要求18的用于對鐵進行孕育的方法，其中所述過濾器組件處理流速至少1kg/s到至多25kg/s的熔融鑄鐵。
38.包括多孔過濾器和孕育劑丸粒的過濾器組件，其中所述孕育劑丸粒包含載體和孕育劑，其中所述載體包含至少30％重量比的硅鐵；且所述孕育劑包含至少一種選自稀土元素的孕育劑。
39.包括多孔過濾器和孕育劑丸粒的過濾器組件，其中所述孕育劑丸粒包含載體和孕育劑，其中所述載體包含至少30％重量比的硅鐵；且所述孕育劑包含至少一種選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦，鋁，鑭和硫的孕育劑。
40.權利要求39的過濾器組件，其中所述過濾器只允許尺寸小于10Φ的顆粒通過。
41.權利要求39的過濾器組件，其中所述丸粒具有以克數(shù)度量的質量，且所述過濾器具有以cm2度量的表面積，且所述質量與所述表面積的比值為至少0.75到至多1.5。
42.權利要求39的過濾器組件，其中所述丸粒包含約40-99.9％重量比的所述載體和約0.1-60％重量比的所述孕育劑。
43.權利要求42的過濾器組件，其中所述丸粒包含約0.1-20％重量比的所述孕育劑。
44.權利要求39的過濾器組件，其中所述孕育劑包含至少一種選自鍶，鋯，鋁，鈣，錳，和鑭的孕育劑。
45.用于對鐵水進行孕育的方法，該方法包括下列步驟使所述鐵水以約1-60cm/sec的流速通過過濾器組件，其中所述過濾器組件包含過濾器元件和與該過濾器元件接觸的孕育丸粒，且其中所述孕育劑丸粒包含載體和約0.1-60％重量比的孕育劑，該孕育劑包含至少一種選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦，鋁，鑭和硫的孕育劑，其中所述丸粒具有至少約1mg/sec到至多約320mg/sec的孕育劑溶解速率，從而形成孕育的鐵水；和收集所述孕育處理的鐵水。
46.權利要求45的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述孕育劑選自鍶，鈣，鋁，鋯，鑭，和錳。
47.權利要求45的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述丸粒具有至少約2到約250mg/sec的孕育劑溶解速率。
48.權利要求45的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述丸粒具有在30.25cm2橫截面流下測得的至少約2到約250mg/sec的孕育劑溶解速率。
49.權利要求45的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述過濾器元件包含中心局部孔且將所述丸粒容納于所述中心局部孔中。
50.權利要求45的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述載體包含至少30％重量比的硅鐵。
51.權利要求45的用于對鐵水進行孕育的方法，其中所述丸粒包含至少約0.1-20％重量比的孕育劑。
52.權利要求45的用于對鐵進行孕育的方法，其中所述丸粒包含結塊的粉狀孕育劑，該粉狀孕育劑包含一定的顆粒尺寸分布，該尺寸分布包括100％重量比小于2mm的顆粒，30-70％重量比介于50-250Φ之間的顆粒，和小于25％重量比的小于50Φ的顆粒，且所述過濾器只允許小于10Φ的顆粒通過。
53.權利要求52的用于對鐵進行孕育的方法，其中所述丸粒含有孕育劑合金的粉末，該粉末包含40％至60％重量比的50-250Φ的顆粒，和小于20％重量比的小于50Φ的顆粒。
54.權利要求52的用于對鐵進行孕育的方法，其中所述過濾器只允許小于3Φ的顆粒通過。
55.權利要求45的用于對鐵進行孕育的方法，其中所述丸粒具有以克數(shù)度量的質量，且所述過濾器具有以cm2度量的表面積，且所述質量與表面積的比值為至少0.75到至多1.5。
56.權利要求45的用于對鐵進行孕育的方法，其中所述過濾器組件處理流速至少1kg/s到至多25kg/s的熔融鑄鐵。
57.用于模制鐵的方法，該方法包括下列步驟使鐵熔化形成鐵水；將所述鐵水輸送至過濾器組件，其中所述過濾器組件包含過濾器元件和與該所述濾器元件接觸的孕育丸粒，而且其中所述孕育劑丸粒包含載體和約0.1-60％重量比的孕育劑，該孕育劑包含至少一種選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦，鋁，鑭和硫的孕育劑且其中所述丸粒具有在橫截面積為30.25cm2的液流下測得至少約1mg/sec到至多約320mg/sec的孕育劑溶解速率；使所述鐵水以約1至約60cm/sec的流速通過所述過濾器組件以便形成孕育過濾的鐵；將所述孕育過濾的鐵輸送至鑄模形成模制型材；和使所述熔融型材冷卻形成所述模制鐵。
58.權利要求57的用于模制鐵的方法，其中所述丸粒具有至少約2至約250mg/sec的孕育劑溶解速率。
59.權利要求57的用于模制鐵的方法，其中所述過濾器元件包含中心局部孔且將所述丸粒容納于所述中心局部孔中。
60.權利要求57的用于模制鐵的方法，其中所述載體包含至少30％重量比的硅鐵。
61.權利要求57的用于模制鐵的方法，其中所述丸粒包含約0.1-20％重量比的孕育劑。
62.用于在型內(nèi)對鐵進行孕育的丸粒，該丸粒包含約40-99.9％重量比的載體和約0.1-60％重量比的孕育劑，其中所述載體包含至少約30％重量比的硅鐵；所述孕育劑包含至少一種選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦，鋁，鑭和硫的孕育劑；和所述丸粒具有在進口流速為15cm/sec且橫截面積為30.25cm2的鐵流下測得至少約2至約250mg/sec的孕育劑溶解速率。
63.用于對鐵水進行孕育的方法，該方法包括使所述鐵水以約1至約60cm/sec的進口流速通過過濾器組件，其中所述過濾器組件包含過濾器元件和與該過濾器元件接觸的孕育丸粒，其中所述丸粒具有至少1mg/sec到至多320mg/sec的孕育劑溶解速率，且所述孕育劑丸?；钚越M分，該活性組分包含約40-99.9％重量比的含硅鐵載體和約0.1-60％重量比的至少一種選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦，鋁，鑭和硫的孕育劑。
全文摘要
用于對鐵水進行孕育的方法。該方法包括將鐵水以約1至約60cm/sec的進口流速通過過濾器組件。該過濾器組件包括過濾器元件和與該過濾器元件接觸的孕育丸粒。該丸粒具有至少1mg/sec至至多30mg/sec的孕育劑溶解速率，而且包含約40－99.9％重量比的包含硅鐵的載體。該丸粒此外包含約0.1－60％重量比的至少一種孕育劑，該孕育劑選自鈰，鍶，鋯，鈣，錳，鋇，鉍，鎂，鈦和鋁或者選自稀土元素。
文檔編號B22D27/00GK1615191SQ03802081
公開日2005年5月11日 申請日期2003年1月8日 優(yōu)先權日2002年1月10日
發(fā)明者T·馬格里亞, D·B·克雷格, L·S·奧布里 申請人:皮奇尼電冶公司, 波韋爾有限公司