—國外精鑄技術進展述評(8)—
《特種鑄造及有色合金》，2005（8）：476~479
眾所周知，由于氫、氮、氧等氣體的溶解，以及合金液表面氧化，在大氣環(huán)境中熔煉和鑄造，鑄件中容易形成氣孔、氧化夾雜等缺陷，嚴重損害鑄件質(zhì)量。防止合金液氧化、吸氣的傳統(tǒng)方法是在熔煉過程中加入熔劑覆蓋熔池表面，熔煉后期脫氧、除渣。但這些方法難免會浸蝕爐襯，縮短坩堝或爐襯的使用壽命，在脫氧的同時，往往又可能產(chǎn)生新的非金屬夾雜物。因此，人們開始尋求防止合金液氧化和吸氣的新方法。
一． SPAL和LBI 法
美國Air Liquid Co. 早在20世紀70年代，就率先研究用惰性氣體覆蓋保護熔池表面，防止合金液氧化、吸氣的新技術，并于80年代先后取得法國和美國專利權。該技術采取的工藝方法大體分為二種類型：一種是液態(tài)惰氣保護法——SPAL(Surface Protection Air Liquide)，另一種是惰氣擴散保護法 LBI ——(Laminar Barrier lnerting)。前者基本原理是將低溫液態(tài)惰性氣體(如液氬或液氮)滴在熔池表面，令其迅速氣化并擴散，驅(qū)趕熔池上方的空氣，形成惰性氣體屏障以保護合金液，其示意圖見圖 8-1[1]；后者則是直接將惰性氣體通過層狀柵欄擴散器，沿水平方向吹出，在熔池表面形成惰性氣簾而保護合金液，其示意圖見圖8-2[2]。
二．裝置和設備
SPAL工藝的裝置主要包括：高壓儲氣罐（圖 8-3）[3]、氣體減壓分配系統(tǒng)和噴槍。液態(tài)惰氣通過帶有真空隔熱套管的管道（圖 8-4）[3]輸送到熔池上方，再通過噴嘴（龍頭）緩慢滴落到熔池表面（圖 8-4 和圖 8-5）。噴槍由一個單向閘閥、一個球閥和噴嘴組成（圖 8-4）[3]，閘閥控制開/關，球閥控制流量。該裝置使用方便，又不妨礙正常操作。當然，最好再配備一支小型便攜式氧氣分析儀，隨時監(jiān)測爐內(nèi)氣氛中的氧含量，以達到保護效果最佳而耗氣又最少的目的。
三．經(jīng)過改進的SPAL和 LBI法
無論 SPAL還是 LBI都有可能將熔池表面上氧氣濃度降低至 < 1.0 %(體積分數(shù))，從而，有效地防止合金液氧化、吸氣。加之方法簡便，無論對大廠還是小廠都很有吸引力。 然而，對于SPAL來說，由于液態(tài)惰氣流出后，短時間內(nèi)不可能在熔池表面均勻地分散開，不但影響覆蓋效果，而且容易聚集在爐壁或爐渣表面的凹陷處，造成爆炸隱患。上世紀 90年代中期，美國Air Products And Chemicals Inc.又在傳統(tǒng) SPAL法的基礎上進行改進，用一種獨特的噴頭將液氬或液氮噴射成霧狀，形成均勻的圓錐形旋轉(zhuǎn)汽霧，籠罩在熔池上方，這就避免了液氬聚集，不但提高了惰性氣體的利用率，減少耗氣量，也避免了爆炸的危險，被命名為‘渦旋汽霧法’。其工作原理示意地表示在圖8-6 中，圖 8-7 是工作現(xiàn)場照片[4] [5]。 對于 LBI 法而言，如果熔爐工作臺面上安裝有抽風管道或其它除塵設備，柵欄擴散器便無法安裝、使用，于是后來又推出了‘旋風式’氣體覆蓋系統(tǒng)。其原理是將惰性氣體通過一個由耐火材料制成的圓錐或圓柱形圓環(huán)——氣旋環(huán)（圖 8-8），向內(nèi)側(cè)沿切線方向吹出，形成一股‘旋風’，覆蓋在熔池表面(圖 8-9) [4] [5]，被命名為‘旋風覆蓋法’。由于旋風不象氣簾那樣容易消散，所以，即使熔池上方安裝有通風除塵設備，也能照常操作。圖8-10和圖 8-11 分別是氣旋環(huán)上加蓋和工作現(xiàn)場照片[4] [5]。
四．覆蓋方法的選擇和氣體流量的確定
從原則上說，爐料中含有容易揮發(fā)（如 Mg、Li、Be等）的元素或化學活性強，或有毒有害元素(如 Pb、Be、Cd 等)時，宜采用 SPAL 法。這是因為液態(tài)惰氣氣化的同時可令熔池表面降溫，減少Li、Mg、Be、Cd等合金元素的揮發(fā)和降低其化學反應活性。熔化不銹鋼等鑄鋼，當然也可采用這種方法，但從成本和質(zhì)量的角度考慮，還是采用LBI更明智。
要想用最小的惰氣消耗量獲得最佳保護效果，關鍵在于正確決定惰性氣體的流量。確定惰性氣體流量的主要依據(jù)是熔池表面積，也就是坩堝大小。增加惰氣流量固然可以加強覆蓋保護效果，但倘若氣旋速度過快，反倒會將周圍環(huán)境中的空氣吸入而使氧氣濃度增加。表 4-2為不同坩堝尺寸時，適宜的惰氣流量，熔爐上方始終都在抽風時選上限，時斷時續(xù)抽風選下限。如果需要強力抽風，流量及出氣口尺寸、數(shù)目還應適當增加，以彌補損耗。出鋼時應停止供氣，以免澆注時卷入氣體，尤其當鋼液從熔爐直接澆入型殼時更應注意這點。
盡管一般認為，從保證合金質(zhì)量角度考慮，熔池表面氧氣濃度以控制在< 1.0 %（體積分數(shù)）為佳，但為了進一步減少惰氣消耗和避免操作者窒息，某些廠家認為采用較低的氣體流量，使合金液表面氧氣濃度保持在 10.0 % (50% 空氣被排除) 即可。不同坩堝尺寸所采用的惰性氣體流量羅列在表8-1和表 8-2中[4]，供參考。
五．應用實例
惰性氣體保護熔煉自問世以來，深受許多精鑄廠家青睞。大量試驗和生產(chǎn)實踐證明，使用該技術后，熔煉過程無需熔劑覆蓋和脫氧，不但非金屬夾雜、氣體和夾渣等鑄造缺陷大為減少，而且，由于合金液純凈度提高，流動性也有所改善，澆不足、冷隔等缺陷也隨之減少[3]。廢料甚至切削也可作為回爐料大量重熔使用。近來，美國Conbraco公司的試驗證實，采用SPAL法后，100％經(jīng)多次重熔的回爐料，與全新料的力學性能竟然沒有甚麼區(qū)別 [3]。除此之外，由于不存在熔劑侵蝕問題，這就延長了爐襯或坩堝的壽命。值得一提的是，由于惰性氣體的有效防護，使得原先在大氣條件下很難熔煉的某些合金，例如Cu-Be、Al-Li-Mg, 以及某些鎳基和鈷基合金等，都可以在大氣下熔煉，有利于擴展熔模鑄造的應用領域。
以下所列為部分應用 SPAL和 LBI取得成功的實例：
l Pine Tree Plant是一個擁有3千萬美元資產(chǎn)，3 臺350kW感應爐的較大型精鑄廠，可鑄造包括合金鋼、不銹鋼在內(nèi)的大多數(shù)大氣熔煉合金。試驗合金包括常用合金（例如410、 440、303、347、17-4PH、D-2、8620、4140、 Fe-0.13C 等）和特種合金（如 CN7M、F-75、CF-8M、CK-20、Fe-0.5Al和Ni、Co基合金, 以及 Monel等）。結(jié)果表明：疏松、夾渣、非金屬夾雜物、澆不足等鑄造缺陷明顯減少，廢品率下降 60%～80%。此外，還可降低澆注溫度，延長坩堝和爐村的使用壽命，鋼中溶解氧氣量減少 90%，金屬氧化損耗減少，合金化的效果增強，回爐料允許使用比例增加[5]。 l
美國某精鑄廠采用此法鑄造多種小型磁性合金 (8%～12%Al 加< 1.25% Ti 的鐵基合金) 精鑄件。坩堝直徑 30cm，容量135kg。氬氣流量僅10 m3/h，就使熔池表面氧氣體積分數(shù)下降到0.6%～1.6%。感應爐上沒有安裝抽風管道而是通過除塵罩排除煙塵。實踐證明，采用這種方法提高了合金液的流動性和充型能力，金屬收得率提高 12%，每公斤爐料消耗惰性氣體成本約 6.2美分[4]。
l 美國某廠采用此法熔煉Al-Li-Mg合金，以減輕鋰氧化和揮發(fā)，同時，減少氫溶解。熔煉設備為直徑58cm的帶蓋電阻坩堝爐，氣體流量為 2.1kg/min。當氣體流量為 1.6kg/min時，熔池表面氧氣體積分數(shù)即下降至 0.1%.以下。合金液因氧化產(chǎn)生的浮渣幾乎可以忽略不計，Li 、Mg等元素的利用率接近 100%，加入這些元素時產(chǎn)生的刺激性很強的濃煙接近完全消失，徹底避免了合金液燃燒的危險[4]。
l 某母合金生產(chǎn)廠熔煉 Fe、Cr和Ni基高溫合金母合金錠。氬氣流量0.45～0.68kg/min時，直徑 53cm坩堝上方，氧氣體積分數(shù)降低至 1%。當打開爐蓋上的小口加料或取樣時，爐內(nèi)氧氣濃度才緩慢上升至 7%～9%。最大的好處是減少了渣滓和提高了易氧化元素的利用率[4]。
l Franklin Bronze和 Alloy Co., Inc 應用SPAL專利技術熔煉鑄造鎳-硼、鎳-鋁、鎳-銅等非真空熔煉鎳基合金和多種銅合金，取得了戲劇性效果。首先，熔煉過程中熔渣和渣滓減少了 85%，由于氧化和吸氣減少，合金液流動性提高，鎳基合金澆注溫度降低約 38℃，晶粒尺寸減小了27%，鐵基合金澆注溫度下降19℃。允許回爐料的加入量由原先的 50%增加到100%。因此 SPAL法已被列為該廠的標準工藝方法[6]。
自上世紀 90 年代以來，由于推廣應用了過濾凈化、惰性氣體保護熔煉和小型爐預制錠快速重熔等新技術，使國外精鑄件的冶金質(zhì)量又提升到一個新水平，而國內(nèi)普遍仍停留在原來水平排徊。以致在國際競爭中，國產(chǎn)精鑄件在冶金質(zhì)量方面往往敗北。其實，此項技術的原理和方法并不復雜，有關介紹和報道，在國內(nèi)公開和內(nèi)部發(fā)行的期刊雜志，以及專業(yè)技術會議上并不少見，但遺憾的是，響應者寥寥。又一次折射出, 盡管自改革開放以來, 我國精鑄業(yè)取得了長足進步, 但依靠科技進步和創(chuàng)新求發(fā)展的意識普遍淡薄。不少企業(yè)至今仍熱衷于擴大規(guī)模，增加產(chǎn)量，對技術進步和創(chuàng)新則缺乏熱情。須知，我國精鑄業(yè)發(fā)展至今，如不盡快改變簡單拷貝和克隆粗放經(jīng)營、粗放生產(chǎn)的發(fā)展模式，就難逃在無休止價格戰(zhàn)中互相傾軋的厄運。只有在技術上不斷開拓創(chuàng)新，努力提高產(chǎn)品檔次和質(zhì)量，才能在競爭中贏得主動權，爭取更加美好的明天。
參 考 文 獻
1 Kenneth Till. When Should You Use SPAL? What Should You To Expect? INCAST 1995(4):18~19
2 Kenneth Till, Terry Lasorda, Daniel Kotowitz. The Induction Melting Of Monel-A, For Large Heavy-Section Castings, While Under A Protective Shroud Of Liquid Argon. Investment Casting Institute: 42th Annual Technical Meeting, USA, 1994，No.7
3 F. Schlick, T.La Sorda. The Application Of SPAL To Increase The Use Of Revert Material In Ferrous Alloy Induction Furnace Charges. Investment casting Institute:50th Technical conferences, USA, 2002,No.23
4 Robert Best And Zbigniew Zurecki. Gas And Cryogen Swirling Methods For Inerting Molten Metal Surfaces. 9th world Conference On Investment Casting: USA, 1996，No.10
5 Douglas W. Fay, Robert Best. Development Of An Argon Swirl Inerting System In An Investment Steel Foundry. Investment Casting Institute: 45th Annual Technical Meeting, USA, 1997, No.18
6 Robert E. Barber, Terence La Sorda, Kenneth Till. Franklin Bronze Achieves Dramatic Results In SPAL Application Tests. INCAST 2002(5):16~17
