氮气保护在铸钢丸生产水幕造粒中的应用

赵松乔，张峰伟

（淄博大亚金属科技股份有限公司,山东淄博 255000）

钢丸是工业消耗材料，广泛应用于装备制造业中，主要用于对钢板、钢材、锻铸件的表面清理与强化。钢丸根据成分和性能分为铸钢丸、不锈钢钢丸及合金钢丸，其中铸钢丸又包含高碳铸钢丸、低碳铸钢丸和中碳铸钢丸。铸钢丸的化学成分一般含有0.8%左右的碳、硅、锰以及不大于0.05%的磷和硫[1-3]。铸钢丸具有硬度适中、韧性强、抗冲击，可连续多次反复使用等特点，适用于机械制造、钢结构、汽车、造船、集装箱等行业的金属表面抛喷丸清理及强化。特别是随着我国工业化进程的不断加快，铸钢丸制造行业在我国国民经济中所占的比例及其生产企业的数量都在不断增加。铸钢丸产量增加的同时对其质量和性能的要求也在不断改变，因此目前对铸钢丸的研究主要集中在种类、组织及使用寿命[4-6]。

铸钢丸的制备工艺处在一个不断的优化过程中，现有的铸钢丸制备工艺流程为：首先对炉料进行分选、熔炼，在熔炼时对钢液的成分进行调整；然后进行铸钢丸成形和热处理；最后包装入库。铸钢丸成形工艺方法有多种，常用的主要有：气喷法、水射流冲击法、离心雾化法等[7,8]。无论采用哪种生产工艺，成形的过程控制，对铸钢丸成品质量尤为关键。目前国内铸钢丸生产大都采用钢水离心抛射至水幕圈成形的方式，但在生产中发现在造粒过程中，硅、锰容易被氧化[9，10]，需要在钢水熔炼中添加比理论计算更多的合金料才能保证钢丸化学成分符合相关标准，这样增加了合金料的成本消耗。因此，本研究旨在水幕造粒过程中增加氮气保护氛围，防止硅、锰的氧化，降低合金料的消耗。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

（1）液氮：99%；

（2）氮气气化器：≤100m3/h；

（3）玻璃转子流量计：（2.5～40）m3/h，压力≤0.6MPa，温度（-40～+120）℃；

（4）氮气管圈（自制）；

图1 试验设备联系示意图

（5）阀门及橡胶管。

1.2 试验方案

在离心盘四周添加氮气管圈，管圈上均匀分布有10 个ø3mm 小孔，供氮气均匀溢出保护钢水造粒过程中硅、锰被氧化。将氮气管圈用管路同液氮罐、玻璃转子流量计连接。

（1）开始浇注前5min，开启液氮罐上阀门，通过转子流量计上显示的示数调节开度，控制氮气流 量 分 别 为 5m3/h、10m3/h、15m3/h、20m3/h 和25m3/h。考虑到实际情况，氮气流量太小，无法起到保护作用，氮气流量太大，即使能起到好的保护效果，成本太高，对于大规模的应用存在困难。

（2）浇注过程中一直开启液氮阀门，浇注结束后，关闭液氮罐阀门。取样（分别在浇注前期、中期、后期）测试硅、锰氧化率，空心率以及异形率。

（3）记录试验数据，分析试验因素对结果的影响。

注意：更换离心盘时，需要检查氮气是否关闭，保持通风，氮气散开后再操作，避免缺氧窒息造成事故。

2 试验结果及讨论

将不同氮气流量情况下，浇注前期、中期和后期取样分析数据取平均值，整理如表1。

为了清楚的了解不同氮气流量情况下，各粒级硅、锰氧化率及空心率和异形率的变化情况，绘制不同氮气流量情况下，各粒级硅、锰氧化率变化图及不同氮气流量情况下，各粒级空心率和异形率变化图。

由图2 和图3 可知：随着氮气流量增加，1.4mm、1.4～0.3mm 硅和锰氧化率均逐渐降低，钢水～0.3mm 硅和锰氧化率没有明显的变化，氧化率均在60%左右。说明添加氮气氛围包裹水幕圈，避免了造粒过程中硅、锰元素与空气接触，能有效降低粗粒级氧化，但对细粒级氧化影响较小。

图2 不同流量情况下硅氧化率

图3 不同流量情况下锰氧化率

由图4 和图5 可知：氮气流量在0、5m3/h、10m3/h、15m3/h、20m3/h 时，2.36mm 粒级空心率约为11%、2.0mm 空心率约为10%、1.4mm 空心率约为9%；2.36mm 粒级、2.0mm 异形率、1.4mm 异形率均约为10%；但当氮气流量上升至25m3/h 时，各粒级空心率、异形率均明显增加。表明氮气流量在0～20m3/h 时，氮气氛围对水幕造粒空心率、异形率影响不大，当氮气流量超过20m3/h 时，充足的氮气氛围会充盈于浇注的钢水中，影响成形。

表1 不同氮气流量下Si、Mn 氧化率及空心异形率

图4 不同流量情况下空心率

图5 不同流量情况下异形率

3 结论

（1）铸钢丸生产水幕造粒过程中添加氮气保护氛围能够有效降低各粒度钢丸硅、锰氧化率，降低合金元素的损耗。当氮气流量增加到20m3/h 以上时，1.4mm 粒级硅氧化率和锰氧化率分别可以降低到46%左右和34%左右，1.4～0.3mm 粒级硅氧化率和锰氧化率分别可以降低到10%左右和22%左右、钢水～0.3mm 粒级硅锰氧化率没有明显影响。

（2）铸钢丸生产水幕造粒过程中添加氮气保护氛围对各粒级空心率和异形率影响较小，但氮气流量超过20m3/h 会恶化造粒成形，影响产品质量。

（3）结合氮气流量对硅、锰氧化率的影响和空心率、异形率的影响，实际生产过程中，可以考虑选用20m3/h 的氮气流量，既可以降低硅、锰的氧化率，又不至于影响造粒成形。