高性能試驗平臺生產時關于鑄鐵氣體含量控制的要求
2018年07月12日
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趁(chen)自(zi)己還不(bu)老，千萬不(bu)要過老年人(ren)的生活，該(gai)(gai)拼 拼，該(gai)(gai)闖 闖，該(gai)(gai)折(zhe)騰(teng) 大(da)膽(dan)折(zhe)騰(teng)！我們(men)都(dou)是普通(tong)人(ren)，沒有錢沒有勢，只(zhi)有折(zhe)騰(teng)才能改變(bian)命運(yun)！窮(qiong)人(ren)折(zhe)騰(teng)對了， 是富人(ren)，如(ru)果(guo)折(zhe)騰(teng)錯(cuo)了，大(da)不(bu)了做(zuo)回窮(qiong)人(ren)，與其(qi)老老實(shi)實(shi)混日子，不(bu)如(ru)大(da)膽(dan)折(zhe)騰(teng)變(bian)日子！
過去提(ti)高(gao)試驗平臺鑄鐵鐵液的(de)(de)(de)冶金質量(liang)時(shi)，一(yi)般只關(guan)注(zhu)鐵液的(de)(de)(de)出爐的(de)(de)(de)溫度和化(hua)學(xue)成分的(de)(de)(de)控制，大多沒有把(ba)鑄鐵鐵液的(de)(de)(de)氣(qi)體(ti)含(han)(han)量(liang)作為(wei)控制指標，究其原因，其一(yi)，是(shi)對(dui)氣(qi)體(ti)含(han)(han)量(liang)對(dui)鑄鐵質量(liang)的(de)(de)(de)影(ying)響認識不足，其二是(shi)氣(qi)體(ti)含(han)(han)量(liang)的(de)(de)(de)分析比(bi)較(jiao)困難。
我們在(zai)試驗(yan)平臺(tai)灰鑄鐵的(de)生(sheng)產實踐中，常(chang)常(chang)會遇到這(zhe)(zhe)種情況(kuang)，同樣的(de)生(sheng)產工藝，同樣的(de)化(hua)學成(cheng)(cheng)(cheng)分，生(sheng)產出(chu)(chu)來(lai)的(de)灰鑄鐵，其機械性能(neng)相(xiang)差很多，關(guan)于這(zhe)(zhe)種現象，至今也沒有做(zuo)出(chu)(chu)明晰的(de)解釋，但可(ke)以認為，這(zhe)(zhe)是凝固過程中，由于石墨成(cheng)(cheng)(cheng)長的(de)大(da)小形(xing)狀及分布(bu)，和基本(ben)組織的(de)不(bu)同而(er)引(yin)起(qi)了這(zhe)(zhe)種差異，值得關(guan)心的(de)是，工藝相(xiang)同，成(cheng)(cheng)(cheng)分相(xiang)近，而(er)引(yin)起(qi)這(zhe)(zhe)些石墨和基體(ti)出(chu)(chu)現差異的(de)原因又是什么？現在(zai)多數的(de)研究(jiu)者(zhe)(zhe)認為或(huo)者(zhe)(zhe)懷疑，它(ta)是鑄鐵中的(de)氣(qi)體(ti)引(yin)起(qi)的(de)，或(huo)者(zhe)(zhe)是微量元(yuan)素(su)引(yin)起(qi)的(de)，以及還可(ke)能(neng)有其他的(de)不(bu)明原因。
由此(ci)，對氣體(ti)在鑄鐵中的(de)(de)行為引起了(le)大(da)家的(de)(de)注(zhu)意，并(bing)進(jin)行了(le)研究，尤其是鑄件的(de)(de)生(sheng)產，高(gao)(gao)強(qiang)度高(gao)(gao)碳當量試驗平臺(tai)的(de)(de)生(sheng)產，都需要有(you)所(suo)生(sheng)產鑄件的(de)(de)高(gao)(gao)度穩定性和一致(zhi)性，所(suo)以對需要對影響鑄件強(qiang)度的(de)(de)氣體(ti)含量加以控制(zhi)。
試驗平(ping)臺(tai)鑄(zhu)鐵(tie)中(zhong)的(de)氣體(ti)主要有(you)氧、氮(dan)、氫它(ta)(ta)們在鑄(zhu)鐵(tie)中(zhong)都(dou)有(you)一定(ding)的(de)溶解度(du)，現在研究(jiu)表明，這些氣體(ti)對鑄(zhu)鐵(tie)的(de)組織和性能都(dou)有(you)巨(ju)大的(de)影響，它(ta)(ta)們以下(xia)列三種狀態(tai)(tai)存在于(yu)鑄(zhu)鐵(tie)中(zhong)，1.溶于(yu)液態(tai)(tai)或(huo)固(gu)態(tai)(tai)鑄(zhu)鐵(tie)中(zhong)，2.與鑄(zhu)鐵(tie)中(zhong)的(de)其他元素形成化(hua)合物，3.凝固(gu)時呈氣相(xiang)析出，可能使鑄(zhu)件產生氣孔(kong)缺陷。
氧
人們提(ti)(ti)出了很(hen)多鑄(zhu)鐵(tie)中含(han)(han)氧量(liang)(liang)的(de)(de)(de)分(fen)析(xi)資(zi)料，萬谷(gu)提(ti)(ti)出，Fe-C系(xi)為22-32ppm，Fe-Si/c系(xi)為14-19ppm，佐藤測得為27-49ppm，Turkdogam提(ti)(ti)出30-40ppm，由于熔化(hua)(hua)方法的(de)(de)(de)不同，鑄(zhu)鐵(tie)內的(de)(de)(de)含(han)(han)氧量(liang)(liang)會有很(hen)大(da)的(de)(de)(de)變化(hua)(hua)，很(hen)多的(de)(de)(de)測定資(zi)料數據表(biao)明，試(shi)驗平臺沖天(tian)爐熔化(hua)(hua)的(de)(de)(de)鑄(zhu)鐵(tie)中含(han)(han)氧量(liang)(liang)30-60ppm，而(er)感應電(dian)爐熔化(hua)(hua)鑄(zhu)鐵(tie)，僅10-20ppm，這是由熔化(hua)(hua)機理不同引起(qi)的(de)(de)(de)，而(er)球鐵(tie)加鎂處理后的(de)(de)(de)氧含(han)(han)量(liang)(liang) 低(di)，只有5-10ppm。說(shuo)明鎂有強烈的(de)(de)(de)脫氧效果。氧對鑄(zhu)鐵(tie)的(de)(de)(de)各(ge)種性能， 別是對石(shi)墨(mo)形(xing)狀有很(hen)大(da)影響，它又為大(da)家所熟知(zhi)，本間和郝石(shi)堅提(ti)(ti)出了下圖所示關(guan)系(xi)：說(shuo)明了亞(ya)共晶鑄(zhu)鐵(tie)含(han)(han)氧量(liang)(liang)與(yu)抗拉(la)強度(du)的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)，當含(han)(han)氧量(liang)(liang)從3-5ppm增加到(dao)200ppm時，鑄(zhu)鐵(tie)的(de)(de)(de)組(zu)(zu)織(zhi)按(an)如(ru)下順序逐漸(jian)變化(hua)(hua)。含(han)(han)3-5溶解(jie)氧時為白(bai)(bai)口(kou)組(zu)(zu)織(zhi)—無石(shi)墨(mo)---反白(bai)(bai)口(kou)組(zu)(zu)織(zhi)---點狀石(shi)墨(mo)-----E型(xing)共晶石(shi)墨(mo)---B型(xing)石(shi)墨(mo)----A型(xing)石(shi)墨(mo)（20-40ppm溶解(jie)氧）----B型(xing)石(shi)墨(mo)----E型(xing)石(shi)墨(mo)----反白(bai)(bai)口(kou)組(zu)(zu)織(zhi)----白(bai)(bai)口(kou)組(zu)(zu)織(zhi)（100-200ppm）
可(ke)見含氧(yang)量過高或過低都將導致白口組(zu)(zu)織和反白口組(zu)(zu)織，以(yi)生成A型(xing)石(shi)墨（20-40ppm）為，當(dang)含氧(yang)量增(zeng)加或減少時，都會石(shi)墨形態(tai)惡(e)化。
從這里(li)我們(men)可(ke)以知(zhi)道，沖(chong)天爐(lu)(lu)除了底(di)焦過低，風量過大，而(er)硅(gui)錳(meng)氧(yang)化嚴(yan)重，爐(lu)(lu)渣(zha)黑色，鐵(tie)(tie)水發白(bai)，而(er)表明鑄鐵(tie)(tie)鐵(tie)(tie)液嚴(yan)重氧(yang)化，流動性差(cha)，鑄件產生白(bai)口(kou)以外，在正常(chang)熔化情況下，其含氧(yang)量都在30-60ppm范圍內，因此(ci)，適合A型石墨(mo)的(de)析(xi)出(chu)，而(er)感應電爐(lu)(lu)在鐵(tie)(tie)水含氧(yang)量只(zhi)有10-20ppm之(zhi)間(jian)，因此(ci)，常(chang)常(chang)出(chu)現D型過冷(leng)石墨(mo)的(de)原因。而(er)由(you)此(ci)得出(chu)，沖(chong)天爐(lu)(lu)的(de)冶(ye)金(jin)質量好的(de)結論。
很多人認為(wei)，試(shi)驗平臺(tai)沖(chong)天爐是(shi)熔(rong)煉設備，而中頻電(dian)爐只是(shi)熔(rong)化(hua)設備，認為(wei)沖(chong)天爐內(nei)有(you)很多的冶金反(fan)應，而感應電(dian)爐沒(mei)有(you)。而實際上(shang)，在感應爐內(nei)存在下列的兩(liang)個化(hua)學反(fan)應，正是(shi)它影響著鑄(zhu)鐵內(nei)含氧量(liang)，即Si+2O-----SiO2 SiO2+2[C]-----[Si]2CO↑
低(di)溫(wen)(wen)時(shi)(shi)硅(gui)和錳等(deng)優先氧(yang)化(hua)生成二(er)氧(yang)化(hua)硅(gui)，氧(yang)化(hua)錳，和氧(yang)化(hua)鐵等(deng)氧(yang)化(hua)物，而(er)高(gao)溫(wen)(wen)時(shi)(shi)二(er)氧(yang)化(hua)硅(gui)等(deng)氧(yang)化(hua)物被碳(tan)(tan)(tan)(tan)還原，兩個反應的(de)交叉點(dian)，即平(ping)衡(heng)點(dian)的(de)溫(wen)(wen)度(du)， 是(shi)平(ping)衡(heng)溫(wen)(wen)度(du)。它依(yi)鑄鐵液(ye)中的(de)碳(tan)(tan)(tan)(tan)硅(gui)濃度(du)可(ke)以(yi)計(ji)算(suan)出來。一般我們(men)可(ke)以(yi)根據爐(lu)(lu)內鐵液(ye)的(de)表面狀態來判斷(duan)，當(dang)鐵液(ye)溫(wen)(wen)度(du)低(di)于平(ping)衡(heng)溫(wen)(wen)度(du)時(shi)(shi)，鐵液(ye)表面總(zong)是(shi)覆蓋著一層爐(lu)(lu)渣(zha)，當(dang)溫(wen)(wen)度(du)超(chao)過平(ping)衡(heng)溫(wen)(wen)度(du)時(shi)(shi)，這些渣(zha)膜慢慢消(xiao)失并有火花(hua)冒出，這是(shi)一氧(yang)化(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)燃(ran)燒(shao)(shao)產生的(de)火焰，溫(wen)(wen)度(du)越高(gao)，時(shi)(shi)間(jian)越長(chang)，碳(tan)(tan)(tan)(tan)燒(shao)(shao)損越厲害。二(er)氧(yang)化(hua)硅(gui)等(deng)晶核損失越多，這也 是(shi)感應爐(lu)(lu)鐵水如果孕(yun)育(yu)不好，出現收(shou)縮缺陷大，激(ji)冷傾向大的(de)原因。
在美(mei)國有星期一鐵(tie)水一說， 是保(bao)溫感應(ying)電爐(lu)內(nei)的鐵(tie)水，經過(guo)休息日的保(bao)溫到(dao)周一生產(chan)時(shi)很難以孕育稱為(wei)“死鐵(tie)水”。
因此可以發現，感應爐與沖天爐兩種熔煉方法對氧含量的影響不同，試驗平臺（鑄鐵平臺）沖天爐從爐料開始熔化以液滴形式從上向下通過1700攝氏度左右的氧化帶高溫層然后通過1500攝氏度左右的還原帶，整個熔化時間只有十來分鐘，很快可去澆注，而感應爐屬于間隙式生產，鐵液在爐內熔化時間需40-60分鐘，而由于造型與熔化不配套，或電爐容量大，一爐鐵水在爐內保留時間長，而含溶氧量高，SiO2氧化低，當爐前不加控制 會出現金相組織的變化，而機械性能的波動。
氧(yang)(yang)(yang)對石墨的影(ying)響是(shi)雙(shuang)方(fang)面的 ，溶解(jie)氧(yang)(yang)(yang)多(duo)，激冷(leng)傾向(xiang)(xiang)大，白口shendu層或寬度大，而氧(yang)(yang)(yang)化(hua)物成(cheng)為二氧(yang)(yang)(yang)化(hua)硅后，它(ta)可作為異質晶核而cujin石墨化(hua)，激冷(leng)傾向(xiang)(xiang)，和(he)收縮(suo)傾向(xiang)(xiang) 減少，其原因 是(shi)溶解(jie)氧(yang)(yang)(yang)和(he)化(hua)合(he)氧(yang)(yang)(yang)的變化(hua)，知道了(le)這些，現在 可以采取下(xia)面的措施。
1. 要快(kuai)速(su)(su)熔化(hua)(hua)，在(zai)(zai)(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)不(bu)要過多停留，溫(wen)度不(bu)能過高(gao)，灰鑄鐵(tie)石墨(mo)(mo)核心(xin)(xin)是什么？鈴木(mu)和中江都認為，在(zai)(zai)(zai)感應(ying)電爐中，錳和硫不(bu)能成為核心(xin)(xin)，因為在(zai)(zai)(zai)他(ta)們的實驗中，白(bai)口(kou)是隨著(zhu)硫量(liang)的升(sheng)高(gao)而(er)增(zeng)加(jia)的，只(zhi)有(you)加(jia)入了(le)(le)增(zeng)碳(tan)劑或(huo)孕育(yu)劑，白(bai)口(kou)才急劇下(xia)降，沖天爐熔化(hua)(hua)速(su)(su)度快(kuai)，鐵(tie)液(ye)又穿過焦炭層(ceng)下(xia)落，自然會有(you)大量(liang)的未溶石墨(mo)(mo)。而(er)感應(ying)爐 算加(jia)了(le)(le)生鐵(tie)錠，加(jia)了(le)(le)增(zeng)碳(tan)劑，只(zhi)要爐料(liao)慢(man)慢(man)熔化(hua)(hua)，其未溶石墨(mo)(mo)也(ye)會消失，亦即石墨(mo)(mo)結晶核心(xin)(xin)消失了(le)(le)，白(bai)口(kou)都很大，而(er)在(zai)(zai)(zai)快(kuai)速(su)(su)熔化(hua)(hua)下(xia)，或(huo)在(zai)(zai)(zai)熔化(hua)(hua)后期加(jia)點增(zeng)碳(tan)劑，或(huo)碳(tan)化(hua)(hua)硅預處理劑，石墨(mo)(mo)形態才會好，快(kuai)速(su)(su)熔化(hua)(hua)，保溫(wen)時(shi)間不(bu)長即出(chu)爐， 保證含氧量(liang)合(he)適，波動范圍小。
2. 在爐料(liao)中加入30以下(xia)的(de)(de)鐵屑，有助(zhu)于含氧(yang)量的(de)(de)增(zeng)加。
3. 在確認鑄鐵中的氧(yang)含量過(guo)(guo)低的情(qing)況下， 應(ying)適(shi)當(dang)地增加(jia)氧(yang),含量方便(bian)的辦法是(shi)，利用氧(yang)硫孕育(yu)劑，BCIRA與埃肯合作 成的Superseed 屬于這種孕育(yu)劑，可用于灰(hui)鑄鐵或球鐵氧(yang)，硫過(guo)(guo)低（氧(yang)低于0.001，硫小于0.006）時可用。
4. 采用廢鋼+增碳(tan)劑工藝，增加(jia)成核能力。
5. 采用預(yu)處理劑，用碳化硅代替硅鐵，由于碳化硅fenjie慢等(deng)于changxiao孕育劑，另有資料顯示，冶金碳化硅含有5左(zuo)右(you)的(de)二氧化硅微粒，可(ke)彌補感應電爐高溫及保持下(xia)的(de)晶(jing)核損失，可(ke) gaishan石墨形(xing)態，使灰鑄鐵A型石墨增(zeng)多，減少過冷和激(ji)冷傾向(xiang)，對球(qiu)鐵能增(zeng)加石墨球(qiu)數(shu)增(zeng)加球(qiu)化率。加強(qiang)爐前(qian)三角試片檢(jian)驗，根(gen)據白口寬度來調整孕育劑加入量。
