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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過去提(ti)高試驗平臺鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)鐵(tie)液的(de)冶金質(zhi)量時，一(yi)般只關注(zhu)鐵(tie)液的(de)出(chu)爐的(de)溫度和(he)化學成分的(de)控制(zhi)，大多沒有把鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)鐵(tie)液的(de)氣(qi)體(ti)含(han)量作為控制(zhi)指標，究其原因，其一(yi)，是對(dui)氣(qi)體(ti)含(han)量對(dui)鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)質(zhi)量的(de)影響認(ren)識不足(zu)，其二是氣(qi)體(ti)含(han)量的(de)分析比(bi)較困難。
我們在(zai)試(shi)驗平(ping)臺灰鑄鐵的(de)(de)(de)生產(chan)實踐中，常常會遇到這(zhe)(zhe)(zhe)種(zhong)情況(kuang)，同樣(yang)的(de)(de)(de)生產(chan)工藝，同樣(yang)的(de)(de)(de)化學成(cheng)分，生產(chan)出來(lai)的(de)(de)(de)灰鑄鐵，其(qi)機械性能(neng)相(xiang)差(cha)很多，關(guan)于這(zhe)(zhe)(zhe)種(zhong)現象(xiang)，至今(jin)也沒有做出明(ming)晰的(de)(de)(de)解(jie)釋，但(dan)可以認為，這(zhe)(zhe)(zhe)是(shi)凝固過程(cheng)中，由于石墨成(cheng)長的(de)(de)(de)大小形狀及(ji)分布，和(he)基本組織的(de)(de)(de)不(bu)同而引(yin)(yin)起了這(zhe)(zhe)(zhe)種(zhong)差(cha)異(yi)，值得關(guan)心的(de)(de)(de)是(shi)，工藝相(xiang)同，成(cheng)分相(xiang)近，而引(yin)(yin)起這(zhe)(zhe)(zhe)些石墨和(he)基體(ti)出現差(cha)異(yi)的(de)(de)(de)原因又(you)是(shi)什么？現在(zai)多數的(de)(de)(de)研究者認為或者懷疑，它是(shi)鑄鐵中的(de)(de)(de)氣體(ti)引(yin)(yin)起的(de)(de)(de)，或者是(shi)微(wei)量元素引(yin)(yin)起的(de)(de)(de)，以及(ji)還可能(neng)有其(qi)他的(de)(de)(de)不(bu)明(ming)原因。
由此(ci)，對(dui)氣體在(zai)鑄(zhu)(zhu)(zhu)鐵中的(de)(de)行為引起(qi)了大家的(de)(de)注意(yi)，并(bing)進行了研究，尤其是鑄(zhu)(zhu)(zhu)件(jian)的(de)(de)生產(chan)，高(gao)強度(du)(du)高(gao)碳當量(liang)試(shi)驗平(ping)臺的(de)(de)生產(chan)，都需要(yao)有(you)所生產(chan)鑄(zhu)(zhu)(zhu)件(jian)的(de)(de)高(gao)度(du)(du)穩定性和一致性，所以(yi)對(dui)需要(yao)對(dui)影響鑄(zhu)(zhu)(zhu)件(jian)強度(du)(du)的(de)(de)氣體含量(liang)加以(yi)控制。
試驗平臺(tai)鑄(zhu)鐵中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)氣(qi)體主要有氧(yang)、氮(dan)、氫它們在(zai)鑄(zhu)鐵中(zhong)(zhong)(zhong)都(dou)有一定的(de)(de)溶解度，現(xian)在(zai)研究表明，這(zhe)些氣(qi)體對鑄(zhu)鐵的(de)(de)組織和性能都(dou)有巨大的(de)(de)影響(xiang)，它們以下列三(san)種狀態(tai)存(cun)在(zai)于(yu)鑄(zhu)鐵中(zhong)(zhong)(zhong)，1.溶于(yu)液態(tai)或固(gu)態(tai)鑄(zhu)鐵中(zhong)(zhong)(zhong)，2.與鑄(zhu)鐵中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)其他(ta)元素形成化合物，3.凝固(gu)時呈氣(qi)相析(xi)出(chu)，可能使鑄(zhu)件產(chan)生氣(qi)孔缺陷。
氧
人們提出(chu)了(le)很多鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)中含氧(yang)(yang)量的(de)分析資料，萬谷提出(chu)，Fe-C系為22-32ppm，Fe-Si/c系為14-19ppm，佐藤測得為27-49ppm，Turkdogam提出(chu)30-40ppm，由于熔(rong)化方法的(de)不(bu)同(tong)，鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)內的(de)含氧(yang)(yang)量會有(you)很大(da)的(de)變化，很多的(de)測定資料數(shu)據表明，試(shi)驗平臺(tai)沖天爐(lu)熔(rong)化的(de)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)中含氧(yang)(yang)量30-60ppm，而感(gan)應電(dian)爐(lu)熔(rong)化鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)，僅(jin)10-20ppm，這是由熔(rong)化機理不(bu)同(tong)引起的(de)，而球鐵(tie)(tie)(tie)加鎂處理后(hou)的(de)氧(yang)(yang)含量 低，只有(you)5-10ppm。說(shuo)明鎂有(you)強烈的(de)脫(tuo)氧(yang)(yang)效(xiao)果(guo)。氧(yang)(yang)對鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)的(de)各種性能， 別(bie)是對石(shi)墨(mo)形狀(zhuang)有(you)很大(da)影響(xiang)，它又為大(da)家所熟知，本間和郝石(shi)堅(jian)提出(chu)了(le)下圖所示關系：說(shuo)明了(le)亞共晶(jing)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)含氧(yang)(yang)量與抗拉(la)強度的(de)關系，當含氧(yang)(yang)量從3-5ppm增加到200ppm時(shi)，鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)的(de)組(zu)織(zhi)按(an)如下順(shun)序逐漸變化。含3-5溶解氧(yang)(yang)時(shi)為白(bai)口組(zu)織(zhi)—無(wu)石(shi)墨(mo)---反(fan)白(bai)口組(zu)織(zhi)---點狀(zhuang)石(shi)墨(mo)-----E型(xing)(xing)共晶(jing)石(shi)墨(mo)---B型(xing)(xing)石(shi)墨(mo)----A型(xing)(xing)石(shi)墨(mo)（20-40ppm溶解氧(yang)(yang)）----B型(xing)(xing)石(shi)墨(mo)----E型(xing)(xing)石(shi)墨(mo)----反(fan)白(bai)口組(zu)織(zhi)----白(bai)口組(zu)織(zhi)（100-200ppm）
可見(jian)含氧量(liang)(liang)過高(gao)或(huo)過低都將導致白口組(zu)織和反(fan)白口組(zu)織，以生成A型(xing)石墨（20-40ppm）為，當含氧量(liang)(liang)增加或(huo)減少時，都會石墨形態惡化(hua)。
從這里(li)我(wo)們可以知(zhi)道，沖天爐除了(le)底焦過低，風量(liang)(liang)過大(da)，而(er)(er)(er)硅錳氧(yang)化嚴重(zhong)，爐渣黑(hei)色，鐵水(shui)(shui)發白，而(er)(er)(er)表明鑄鐵鐵液(ye)嚴重(zhong)氧(yang)化，流(liu)動性(xing)差(cha)，鑄件產生白口以外(wai)，在正常熔化情況下(xia)，其(qi)含氧(yang)量(liang)(liang)都(dou)在30-60ppm范(fan)圍內，因此，適合(he)A型石墨的析出，而(er)(er)(er)感應電爐在鐵水(shui)(shui)含氧(yang)量(liang)(liang)只有10-20ppm之間，因此，常常出現D型過冷石墨的原因。而(er)(er)(er)由此得出，沖天爐的冶金質量(liang)(liang)好的結(jie)論。
很(hen)多(duo)人認(ren)為(wei)，試驗平臺沖天爐(lu)(lu)(lu)是熔煉(lian)設備，而中頻(pin)電爐(lu)(lu)(lu)只(zhi)是熔化(hua)設備，認(ren)為(wei)沖天爐(lu)(lu)(lu)內有很(hen)多(duo)的(de)冶(ye)金反應，而感應電爐(lu)(lu)(lu)沒(mei)有。而實際上，在感應爐(lu)(lu)(lu)內存在下列(lie)的(de)兩(liang)個化(hua)學反應，正是它影(ying)響(xiang)著鑄鐵內含氧量(liang)，即Si+2O-----SiO2 SiO2+2[C]-----[Si]2CO↑
低溫(wen)(wen)時(shi)硅和(he)錳等(deng)優先氧(yang)(yang)化(hua)生成二(er)氧(yang)(yang)化(hua)硅，氧(yang)(yang)化(hua)錳，和(he)氧(yang)(yang)化(hua)鐵(tie)等(deng)氧(yang)(yang)化(hua)物，而高(gao)溫(wen)(wen)時(shi)二(er)氧(yang)(yang)化(hua)硅等(deng)氧(yang)(yang)化(hua)物被碳還原，兩個反應(ying)的(de)交叉點(dian)，即(ji)平(ping)(ping)衡(heng)點(dian)的(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)， 是(shi)平(ping)(ping)衡(heng)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)。它依鑄鐵(tie)液(ye)中的(de)碳硅濃度(du)(du)(du)可以(yi)計算出(chu)來。一般我們可以(yi)根據(ju)爐(lu)內鐵(tie)液(ye)的(de)表(biao)面狀態來判斷(duan)，當(dang)鐵(tie)液(ye)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)低于平(ping)(ping)衡(heng)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)時(shi)，鐵(tie)液(ye)表(biao)面總是(shi)覆蓋(gai)著一層(ceng)爐(lu)渣，當(dang)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)超過平(ping)(ping)衡(heng)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)時(shi)，這(zhe)些渣膜(mo)慢慢消失并有火花冒出(chu)，這(zhe)是(shi)一氧(yang)(yang)化(hua)碳燃燒產(chan)生的(de)火焰，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)越(yue)高(gao)，時(shi)間(jian)越(yue)長，碳燒損(sun)越(yue)厲害。二(er)氧(yang)(yang)化(hua)硅等(deng)晶(jing)核(he)損(sun)失越(yue)多，這(zhe)也(ye) 是(shi)感(gan)應(ying)爐(lu)鐵(tie)水如果(guo)孕育不好，出(chu)現收縮缺陷大，激冷傾向大的(de)原因。
在美國有星期一(yi)(yi)鐵(tie)水(shui)一(yi)(yi)說(shuo)， 是保溫感應電爐內的(de)鐵(tie)水(shui)，經(jing)過休息日的(de)保溫到周一(yi)(yi)生產時很難以孕(yun)育稱為“死(si)鐵(tie)水(shui)”。
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。
氧對石(shi)墨的影響(xiang)是(shi)雙方(fang)面的 ，溶解(jie)氧多，激(ji)冷傾(qing)向(xiang)大(da)，白(bai)口shendu層或寬度(du)大(da)，而氧化(hua)(hua)物成為(wei)二氧化(hua)(hua)硅后，它可作為(wei)異質晶核而cujin石(shi)墨化(hua)(hua)，激(ji)冷傾(qing)向(xiang)，和收(shou)縮傾(qing)向(xiang) 減少，其原因 是(shi)溶解(jie)氧和化(hua)(hua)合氧的變化(hua)(hua)，知(zhi)道了這些，現在 可以采取下面的措施(shi)。
1. 要(yao)快(kuai)速熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)，在(zai)高溫(wen)下(xia)(xia)不(bu)要(yao)過多(duo)停留，溫(wen)度不(bu)能過高，灰鑄鐵(tie)石(shi)墨(mo)核(he)(he)心是(shi)什(shen)么？鈴木(mu)和中(zhong)江都(dou)認為，在(zai)感(gan)(gan)應電爐中(zhong)，錳和硫不(bu)能成為核(he)(he)心，因為在(zai)他們的(de)(de)實驗中(zhong)，白(bai)(bai)口(kou)(kou)是(shi)隨著硫量(liang)(liang)的(de)(de)升高而增(zeng)加(jia)的(de)(de)，只有加(jia)入了增(zeng)碳劑(ji)(ji)或(huo)孕育(yu)劑(ji)(ji)，白(bai)(bai)口(kou)(kou)才急劇(ju)下(xia)(xia)降，沖天爐熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)速度快(kuai)，鐵(tie)液又穿過焦炭層下(xia)(xia)落(luo)，自然會有大量(liang)(liang)的(de)(de)未溶石(shi)墨(mo)。而感(gan)(gan)應爐 算加(jia)了生(sheng)鐵(tie)錠，加(jia)了增(zeng)碳劑(ji)(ji)，只要(yao)爐料慢慢熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)，其未溶石(shi)墨(mo)也(ye)會消失(shi)，亦即石(shi)墨(mo)結晶核(he)(he)心消失(shi)了，白(bai)(bai)口(kou)(kou)都(dou)很大，而在(zai)快(kuai)速熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)下(xia)(xia)，或(huo)在(zai)熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)后期加(jia)點(dian)增(zeng)碳劑(ji)(ji)，或(huo)碳化(hua)(hua)(hua)硅(gui)預處理劑(ji)(ji)，石(shi)墨(mo)形態才會好(hao)，快(kuai)速熔(rong)(rong)化(hua)(hua)(hua)，保溫(wen)時間不(bu)長即出爐， 保證含(han)氧量(liang)(liang)合適(shi)，波(bo)動范(fan)圍小。
2. 在爐料中加入30以下的(de)鐵屑，有(you)助于含(han)氧量的(de)增加。
3. 在(zai)確認鑄鐵中的(de)氧(yang)含量(liang)過(guo)低(di)的(de)情(qing)況下， 應(ying)適(shi)當地增加(jia)氧(yang),含量(liang)方便的(de)辦法是，利用(yong)氧(yang)硫孕(yun)育(yu)劑，BCIRA與埃肯合作 成的(de)Superseed 屬于這種孕(yun)育(yu)劑，可用(yong)于灰(hui)鑄鐵或球鐵氧(yang)，硫過(guo)低(di)（氧(yang)低(di)于0.001，硫小于0.006）時可用(yong)。
4. 采(cai)用廢鋼+增(zeng)(zeng)碳劑(ji)工藝，增(zeng)(zeng)加成核(he)能力。
5. 采(cai)用預(yu)處(chu)理(li)劑(ji)(ji)，用碳化硅代替硅鐵(tie)，由(you)于碳化硅fenjie慢(man)等于changxiao孕育(yu)劑(ji)(ji)，另有資(zi)料顯(xian)示，冶金碳化硅含(han)有5左右的二氧化硅微粒，可(ke)(ke)彌(mi)補感應電爐(lu)高溫及保持下的晶核損失，可(ke)(ke) gaishan石墨形(xing)態，使灰鑄鐵(tie)A型石墨增(zeng)多，減(jian)少過冷(leng)(leng)和激(ji)冷(leng)(leng)傾向，對球鐵(tie)能增(zeng)加石墨球數(shu)增(zeng)加球化率(lv)。加強爐(lu)前三(san)角試片(pian)檢驗，根據(ju)白口寬(kuan)度來調整(zheng)孕育(yu)劑(ji)(ji)加入量。
