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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不知不覺中，2018年(nian)已剩下(xia)六(liu)個(ge)來月了，新年(nian)許下(xia)的心愿，現在完(wan)成一半了嗎？生(sheng)活苦(ku)(ku)不苦(ku)(ku)，大家(jia)都清楚，活著難(nan)不難(nan)，都說難(nan)。酸甜苦(ku)(ku)辣五(wu)味俱(ju)全，追隨我們(men)每(mei)天每(mei)月和(he)每(mei)年(nian)！
趁(chen)自(zi)己還不老(lao)，千萬不要(yao)過老(lao)年(nian)人(ren)的生活，該(gai)拼 拼，該(gai)闖(chuang) 闖(chuang)，該(gai)折(zhe)騰(teng) 大膽(dan)折(zhe)騰(teng)！我(wo)們都是(shi)普通人(ren)，沒有(you)(you)錢沒有(you)(you)勢，只(zhi)有(you)(you)折(zhe)騰(teng)才能改變命運！窮人(ren)折(zhe)騰(teng)對了， 是(shi)富人(ren)，如果折(zhe)騰(teng)錯了，大不了做回窮人(ren)，與其(qi)老(lao)老(lao)實(shi)實(shi)混日子，不如大膽(dan)折(zhe)騰(teng)變日子！
過去(qu)提高試驗平臺鑄鐵(tie)(tie)(tie)鐵(tie)(tie)(tie)液的(de)(de)冶金質量(liang)時，一(yi)般只關注鐵(tie)(tie)(tie)液的(de)(de)出爐的(de)(de)溫(wen)度和(he)化學成分的(de)(de)控制(zhi)，大多沒(mei)有(you)把(ba)鑄鐵(tie)(tie)(tie)鐵(tie)(tie)(tie)液的(de)(de)氣體含量(liang)作為控制(zhi)指(zhi)標，究其(qi)原因，其(qi)一(yi)，是對氣體含量(liang)對鑄鐵(tie)(tie)(tie)質量(liang)的(de)(de)影(ying)響認識不(bu)足，其(qi)二是氣體含量(liang)的(de)(de)分析比較(jiao)困(kun)難。
我們在試驗平臺(tai)灰鑄(zhu)鐵的(de)(de)(de)生產實(shi)踐中(zhong)，常常會遇(yu)到(dao)這種情況，同(tong)樣的(de)(de)(de)生產工藝，同(tong)樣的(de)(de)(de)化學成分，生產出來(lai)的(de)(de)(de)灰鑄(zhu)鐵，其(qi)機械(xie)性能相(xiang)差(cha)很多，關(guan)于這種現象，至(zhi)今也沒(mei)有做出明晰(xi)的(de)(de)(de)解釋，但(dan)可以(yi)認為(wei)，這是凝固(gu)過程中(zhong)，由于石墨成長的(de)(de)(de)大小形狀及分布(bu)，和(he)基本組(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)不同(tong)而(er)引(yin)起了這種差(cha)異(yi)，值得關(guan)心的(de)(de)(de)是，工藝相(xiang)同(tong)，成分相(xiang)近，而(er)引(yin)起這些石墨和(he)基體出現差(cha)異(yi)的(de)(de)(de)原(yuan)因(yin)又是什(shen)么？現在多數的(de)(de)(de)研究者(zhe)(zhe)(zhe)認為(wei)或者(zhe)(zhe)(zhe)懷疑，它(ta)是鑄(zhu)鐵中(zhong)的(de)(de)(de)氣體引(yin)起的(de)(de)(de)，或者(zhe)(zhe)(zhe)是微(wei)量元素引(yin)起的(de)(de)(de)，以(yi)及還可能有其(qi)他(ta)的(de)(de)(de)不明原(yuan)因(yin)。
由此，對(dui)氣體(ti)在鑄(zhu)鐵中的(de)(de)行為引起(qi)了大家的(de)(de)注意，并進行了研(yan)究，尤其(qi)是鑄(zhu)件的(de)(de)生(sheng)產，高強(qiang)度(du)(du)高碳當(dang)量試驗平臺的(de)(de)生(sheng)產，都(dou)需要有所生(sheng)產鑄(zhu)件的(de)(de)高度(du)(du)穩定性和一致(zhi)性，所以(yi)對(dui)需要對(dui)影(ying)響鑄(zhu)件強(qiang)度(du)(du)的(de)(de)氣體(ti)含量加以(yi)控(kong)制。
試驗平(ping)臺鑄鐵(tie)(tie)中的(de)氣(qi)(qi)體(ti)主要有氧、氮、氫它們(men)(men)在鑄鐵(tie)(tie)中都有一定(ding)的(de)溶(rong)(rong)解度，現在研究(jiu)表明，這些氣(qi)(qi)體(ti)對(dui)鑄鐵(tie)(tie)的(de)組(zu)織和性能都有巨(ju)大(da)的(de)影響，它們(men)(men)以(yi)下列三種(zhong)狀態存在于鑄鐵(tie)(tie)中，1.溶(rong)(rong)于液態或固(gu)態鑄鐵(tie)(tie)中，2.與鑄鐵(tie)(tie)中的(de)其他元素形(xing)成化合物(wu)，3.凝固(gu)時呈氣(qi)(qi)相析(xi)出，可能使鑄件產生氣(qi)(qi)孔缺陷。
氧
人們提出(chu)了很(hen)多鑄(zhu)鐵中(zhong)含(han)(han)氧(yang)(yang)量(liang)的(de)(de)(de)分析資料(liao)，萬谷提出(chu)，Fe-C系為(wei)22-32ppm，Fe-Si/c系為(wei)14-19ppm，佐藤測得(de)為(wei)27-49ppm，Turkdogam提出(chu)30-40ppm，由(you)于熔化(hua)(hua)方(fang)法(fa)的(de)(de)(de)不同，鑄(zhu)鐵內(nei)的(de)(de)(de)含(han)(han)氧(yang)(yang)量(liang)會(hui)有(you)(you)(you)很(hen)大的(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)，很(hen)多的(de)(de)(de)測定(ding)資料(liao)數(shu)據(ju)表(biao)明，試(shi)驗(yan)平臺(tai)沖天爐熔化(hua)(hua)的(de)(de)(de)鑄(zhu)鐵中(zhong)含(han)(han)氧(yang)(yang)量(liang)30-60ppm，而感應電爐熔化(hua)(hua)鑄(zhu)鐵，僅10-20ppm，這是(shi)由(you)熔化(hua)(hua)機理不同引起的(de)(de)(de)，而球(qiu)鐵加(jia)(jia)鎂處(chu)理后的(de)(de)(de)氧(yang)(yang)含(han)(han)量(liang) 低，只有(you)(you)(you)5-10ppm。說明鎂有(you)(you)(you)強(qiang)烈(lie)的(de)(de)(de)脫氧(yang)(yang)效果。氧(yang)(yang)對(dui)鑄(zhu)鐵的(de)(de)(de)各種性能， 別是(shi)對(dui)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)形狀有(you)(you)(you)很(hen)大影響(xiang)，它又為(wei)大家所熟知，本間(jian)和郝石(shi)(shi)堅(jian)提出(chu)了下圖所示關(guan)系：說明了亞共晶鑄(zhu)鐵含(han)(han)氧(yang)(yang)量(liang)與抗(kang)拉(la)強(qiang)度的(de)(de)(de)關(guan)系，當含(han)(han)氧(yang)(yang)量(liang)從(cong)3-5ppm增加(jia)(jia)到200ppm時，鑄(zhu)鐵的(de)(de)(de)組(zu)(zu)織(zhi)按如下順序逐漸變(bian)化(hua)(hua)。含(han)(han)3-5溶解氧(yang)(yang)時為(wei)白(bai)口(kou)(kou)組(zu)(zu)織(zhi)—無(wu)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)---反白(bai)口(kou)(kou)組(zu)(zu)織(zhi)---點狀石(shi)(shi)墨(mo)(mo)-----E型(xing)共晶石(shi)(shi)墨(mo)(mo)---B型(xing)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)----A型(xing)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)（20-40ppm溶解氧(yang)(yang)）----B型(xing)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)----E型(xing)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)----反白(bai)口(kou)(kou)組(zu)(zu)織(zhi)----白(bai)口(kou)(kou)組(zu)(zu)織(zhi)（100-200ppm）
;可見含(han)(han)氧量過高或過低都將導致白(bai)口(kou)組織和反(fan)白(bai)口(kou)組織，以生成A型石墨（20-40ppm）為，當含(han)(han)氧量增加或減(jian)少時，都會石墨形態惡化。
從這里我們(men)可以知道，沖天爐(lu)(lu)除了底焦過低，風量(liang)(liang)過大，而硅錳氧(yang)化(hua)(hua)嚴(yan)重(zhong)，爐(lu)(lu)渣黑色，鐵(tie)水(shui)發白，而表明鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)鐵(tie)液嚴(yan)重(zhong)氧(yang)化(hua)(hua)，流動性差，鑄(zhu)(zhu)件產生白口以外，在(zai)正(zheng)常熔化(hua)(hua)情況下，其含氧(yang)量(liang)(liang)都在(zai)30-60ppm范圍(wei)內，因此(ci)，適(shi)合A型(xing)石墨(mo)的(de)析出(chu)(chu)，而感應電爐(lu)(lu)在(zai)鐵(tie)水(shui)含氧(yang)量(liang)(liang)只有(you)10-20ppm之(zhi)間，因此(ci)，常常出(chu)(chu)現(xian)D型(xing)過冷(leng)石墨(mo)的(de)原因。而由此(ci)得出(chu)(chu)，沖天爐(lu)(lu)的(de)冶(ye)金(jin)質量(liang)(liang)好的(de)結(jie)論。
很多(duo)人認(ren)為，試驗平臺(tai)沖天(tian)爐是熔(rong)煉設備，而中頻電爐只是熔(rong)化設備，認(ren)為沖天(tian)爐內(nei)有很多(duo)的(de)冶(ye)金反(fan)應，而感應電爐沒有。而實際(ji)上，在(zai)感應爐內(nei)存(cun)在(zai)下列的(de)兩(liang)個化學反(fan)應，正是它影響著鑄鐵內(nei)含氧量，即Si+2O-----SiO2 SiO2+2[C]-----[Si]2CO↑
低溫(wen)(wen)(wen)時(shi)(shi)硅(gui)和錳(meng)(meng)等(deng)優先氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)生成(cheng)二(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)，氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)錳(meng)(meng)，和氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)鐵(tie)(tie)(tie)等(deng)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物，而高溫(wen)(wen)(wen)時(shi)(shi)二(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)等(deng)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)物被碳(tan)還原，兩個(ge)反應(ying)(ying)的交(jiao)叉點，即(ji)平(ping)衡(heng)(heng)點的溫(wen)(wen)(wen)度， 是平(ping)衡(heng)(heng)溫(wen)(wen)(wen)度。它依鑄鐵(tie)(tie)(tie)液(ye)中的碳(tan)硅(gui)濃度可以(yi)計算出來。一(yi)般我們可以(yi)根據爐內(nei)鐵(tie)(tie)(tie)液(ye)的表面(mian)狀態來判(pan)斷，當鐵(tie)(tie)(tie)液(ye)溫(wen)(wen)(wen)度低于平(ping)衡(heng)(heng)溫(wen)(wen)(wen)度時(shi)(shi)，鐵(tie)(tie)(tie)液(ye)表面(mian)總(zong)是覆蓋著一(yi)層爐渣，當溫(wen)(wen)(wen)度超過平(ping)衡(heng)(heng)溫(wen)(wen)(wen)度時(shi)(shi)，這(zhe)些渣膜(mo)慢慢消失并有火花冒出，這(zhe)是一(yi)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)碳(tan)燃(ran)燒產生的火焰(yan)，溫(wen)(wen)(wen)度越(yue)高，時(shi)(shi)間越(yue)長(chang)，碳(tan)燒損越(yue)厲害。二(er)(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)等(deng)晶核損失越(yue)多，這(zhe)也 是感應(ying)(ying)爐鐵(tie)(tie)(tie)水(shui)如(ru)果孕育不好，出現收縮缺陷大，激(ji)冷傾(qing)向大的原因。
在美國(guo)有星期(qi)一(yi)(yi)鐵水一(yi)(yi)說， 是(shi)保(bao)溫感(gan)應電爐內的鐵水，經過休息日的保(bao)溫到周一(yi)(yi)生產(chan)時(shi)很難以孕(yun)育(yu)稱為“死鐵水”。
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。
氧對(dui)石墨的(de)影(ying)響是雙方面(mian)的(de) ，溶解氧多(duo)，激(ji)冷(leng)(leng)傾(qing)向大，白口shendu層或(huo)寬度(du)大，而(er)氧化(hua)物成為二氧化(hua)硅后，它可作為異(yi)質(zhi)晶(jing)核而(er)cujin石墨化(hua)，激(ji)冷(leng)(leng)傾(qing)向，和收(shou)縮(suo)傾(qing)向 減(jian)少，其原因(yin) 是溶解氧和化(hua)合氧的(de)變化(hua)，知道了(le)這些，現在(zai) 可以(yi)采取下面(mian)的(de)措施。
1. 要快速(su)熔(rong)(rong)(rong)化(hua)，在(zai)高(gao)溫(wen)下不(bu)要過多停(ting)留，溫(wen)度(du)(du)不(bu)能過高(gao)，灰(hui)鑄鐵石(shi)(shi)墨(mo)核心是什么？鈴木和中(zhong)江都(dou)認為(wei)，在(zai)感(gan)應(ying)(ying)電爐中(zhong)，錳和硫(liu)不(bu)能成為(wei)核心，因為(wei)在(zai)他們的(de)(de)實驗(yan)中(zhong)，白口是隨著硫(liu)量(liang)的(de)(de)升高(gao)而(er)增加的(de)(de)，只(zhi)有加入了(le)(le)增碳劑或(huo)孕育劑，白口才(cai)(cai)急劇下降(jiang)，沖(chong)天(tian)爐熔(rong)(rong)(rong)化(hua)速(su)度(du)(du)快，鐵液又穿過焦炭(tan)層(ceng)下落，自然(ran)會(hui)有大量(liang)的(de)(de)未(wei)(wei)溶石(shi)(shi)墨(mo)。而(er)感(gan)應(ying)(ying)爐 算(suan)加了(le)(le)生鐵錠(ding)，加了(le)(le)增碳劑，只(zhi)要爐料慢慢熔(rong)(rong)(rong)化(hua)，其(qi)未(wei)(wei)溶石(shi)(shi)墨(mo)也(ye)會(hui)消失(shi)，亦即石(shi)(shi)墨(mo)結晶核心消失(shi)了(le)(le)，白口都(dou)很大，而(er)在(zai)快速(su)熔(rong)(rong)(rong)化(hua)下，或(huo)在(zai)熔(rong)(rong)(rong)化(hua)后期加點增碳劑，或(huo)碳化(hua)硅(gui)預處理劑，石(shi)(shi)墨(mo)形態才(cai)(cai)會(hui)好，快速(su)熔(rong)(rong)(rong)化(hua)，保溫(wen)時(shi)間(jian)不(bu)長(chang)即出(chu)爐， 保證(zheng)含氧量(liang)合適，波動范圍小。
2. 在爐料中加入30以下的鐵屑，有助于含氧量的增加。
3. 在確認鑄(zhu)鐵中的氧(yang)(yang)含量過(guo)低(di)(di)的情況(kuang)下， 應適當地(di)增加(jia)氧(yang)(yang),含量方便的辦(ban)法是，利用(yong)氧(yang)(yang)硫孕育劑，BCIRA與埃肯(ken)合作 成的Superseed 屬于(yu)(yu)這種孕育劑，可用(yong)于(yu)(yu)灰鑄(zhu)鐵或球鐵氧(yang)(yang)，硫過(guo)低(di)(di)（氧(yang)(yang)低(di)(di)于(yu)(yu)0.001，硫小于(yu)(yu)0.006）時(shi)可用(yong)。
4. 采用廢(fei)鋼+增碳(tan)劑工藝，增加成核能力。
5. 采用預處(chu)理劑(ji)，用碳化硅(gui)代替硅(gui)鐵，由(you)于碳化硅(gui)fenjie慢等于changxiao孕育劑(ji)，另有(you)資(zi)料顯示，冶金碳化硅(gui)含(han)有(you)5左右(you)的(de)(de)二(er)氧化硅(gui)微粒，可彌(mi)補感應電(dian)爐高(gao)溫及保持下的(de)(de)晶核損失，可 gaishan石墨(mo)形(xing)態，使灰(hui)鑄鐵A型石墨(mo)增多，減少過冷(leng)和激冷(leng)傾向，對(dui)球(qiu)鐵能增加(jia)石墨(mo)球(qiu)數增加(jia)球(qiu)化率。加(jia)強爐前(qian)三角試片檢驗，根據白口寬度來調整孕育劑(ji)加(jia)入量。
