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(bu)知不(bu)覺(jue)中，2018年(nian)已剩(sheng)下六個來月(yue)了(le)，新(xin)年(nian)許下的心愿，現在完成(cheng)一半了(le)嗎？生活(huo)苦(ku)不(bu)苦(ku)，大家(jia)都清楚(chu)，活(huo)著(zhu)難(nan)不(bu)難(nan)，都說難(nan)。酸甜苦(ku)辣五(wu)味俱(ju)全，追隨我們每(mei)天每(mei)月(yue)和每(mei)年(nian)！
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過(guo)去(qu)提高試驗平臺鑄鐵(tie)鐵(tie)液的(de)冶金質量(liang)(liang)(liang)時，一(yi)般只關注(zhu)鐵(tie)液的(de)出爐的(de)溫度和化學成分(fen)的(de)控(kong)制，大多沒有把鑄鐵(tie)鐵(tie)液的(de)氣體含(han)量(liang)(liang)(liang)作為控(kong)制指標，究其原因(yin)，其一(yi)，是對氣體含(han)量(liang)(liang)(liang)對鑄鐵(tie)質量(liang)(liang)(liang)的(de)影響認識不足(zu)，其二是氣體含(han)量(liang)(liang)(liang)的(de)分(fen)析比較(jiao)困難(nan)。
我們在(zai)(zai)試驗平臺灰(hui)鑄(zhu)(zhu)鐵的(de)(de)(de)生產(chan)實踐中，常常會(hui)遇到這(zhe)種(zhong)情況，同樣的(de)(de)(de)生產(chan)工藝，同樣的(de)(de)(de)化學(xue)成分(fen)(fen)，生產(chan)出來的(de)(de)(de)灰(hui)鑄(zhu)(zhu)鐵，其機械性能相(xiang)差很(hen)多，關于這(zhe)種(zhong)現(xian)象，至今也沒有(you)做出明晰的(de)(de)(de)解釋，但可以(yi)(yi)認為，這(zhe)是(shi)凝固過程中，由于石(shi)(shi)墨(mo)成長的(de)(de)(de)大小(xiao)形狀及分(fen)(fen)布，和基本組(zu)織(zhi)的(de)(de)(de)不同而引(yin)(yin)(yin)起了這(zhe)種(zhong)差異(yi)，值得關心的(de)(de)(de)是(shi)，工藝相(xiang)同，成分(fen)(fen)相(xiang)近，而引(yin)(yin)(yin)起這(zhe)些(xie)石(shi)(shi)墨(mo)和基體出現(xian)差異(yi)的(de)(de)(de)原(yuan)因又是(shi)什么？現(xian)在(zai)(zai)多數的(de)(de)(de)研究者認為或者懷疑，它是(shi)鑄(zhu)(zhu)鐵中的(de)(de)(de)氣體引(yin)(yin)(yin)起的(de)(de)(de)，或者是(shi)微(wei)量元素引(yin)(yin)(yin)起的(de)(de)(de)，以(yi)(yi)及還可能有(you)其他的(de)(de)(de)不明原(yuan)因。
由此，對氣體在鑄(zhu)鐵(tie)中(zhong)的(de)行為引起(qi)了大家(jia)的(de)注意，并進行了研究，尤其是鑄(zhu)件的(de)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)，高(gao)強度(du)高(gao)碳當量(liang)試驗平臺(tai)的(de)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)，都需要有所(suo)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)鑄(zhu)件的(de)高(gao)度(du)穩定性和一致性，所(suo)以(yi)對需要對影響鑄(zhu)件強度(du)的(de)氣體含量(liang)加(jia)以(yi)控制(zhi)。
試(shi)驗平臺鑄(zhu)鐵(tie)中的氣(qi)體(ti)主要有(you)氧(yang)、氮(dan)、氫(qing)它(ta)們(men)在(zai)鑄(zhu)鐵(tie)中都有(you)一定(ding)的溶(rong)解度，現在(zai)研究表明，這些(xie)氣(qi)體(ti)對鑄(zhu)鐵(tie)的組織和性能都有(you)巨(ju)大的影響，它(ta)們(men)以下(xia)列三種狀態存在(zai)于鑄(zhu)鐵(tie)中，1.溶(rong)于液態或固態鑄(zhu)鐵(tie)中，2.與鑄(zhu)鐵(tie)中的其他元素形成化(hua)合物，3.凝固時呈氣(qi)相析出，可(ke)能使(shi)鑄(zhu)件產生氣(qi)孔缺陷。
氧
人們提(ti)出(chu)了(le)(le)很多鑄鐵(tie)(tie)中含氧(yang)(yang)(yang)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)分析(xi)資(zi)料，萬谷提(ti)出(chu)，Fe-C系(xi)為22-32ppm，Fe-Si/c系(xi)為14-19ppm，佐藤(teng)測得為27-49ppm，Turkdogam提(ti)出(chu)30-40ppm，由于熔(rong)(rong)化方法(fa)的(de)(de)(de)不同(tong)，鑄鐵(tie)(tie)內的(de)(de)(de)含氧(yang)(yang)(yang)量(liang)(liang)會有(you)很大(da)(da)的(de)(de)(de)變(bian)化，很多的(de)(de)(de)測定資(zi)料數(shu)據表(biao)明，試(shi)驗平臺沖天爐(lu)熔(rong)(rong)化的(de)(de)(de)鑄鐵(tie)(tie)中含氧(yang)(yang)(yang)量(liang)(liang)30-60ppm，而(er)感應電爐(lu)熔(rong)(rong)化鑄鐵(tie)(tie)，僅10-20ppm，這是(shi)(shi)由熔(rong)(rong)化機(ji)理不同(tong)引起的(de)(de)(de)，而(er)球鐵(tie)(tie)加鎂(mei)處理后的(de)(de)(de)氧(yang)(yang)(yang)含量(liang)(liang) 低，只有(you)5-10ppm。說(shuo)(shuo)明鎂(mei)有(you)強(qiang)烈的(de)(de)(de)脫氧(yang)(yang)(yang)效(xiao)果。氧(yang)(yang)(yang)對鑄鐵(tie)(tie)的(de)(de)(de)各種性能， 別是(shi)(shi)對石(shi)(shi)(shi)墨(mo)形狀有(you)很大(da)(da)影響，它又(you)為大(da)(da)家所熟知，本間(jian)和郝石(shi)(shi)(shi)堅提(ti)出(chu)了(le)(le)下(xia)圖所示關(guan)系(xi)：說(shuo)(shuo)明了(le)(le)亞共晶(jing)鑄鐵(tie)(tie)含氧(yang)(yang)(yang)量(liang)(liang)與抗拉(la)強(qiang)度的(de)(de)(de)關(guan)系(xi)，當含氧(yang)(yang)(yang)量(liang)(liang)從3-5ppm增加到200ppm時(shi)，鑄鐵(tie)(tie)的(de)(de)(de)組織(zhi)(zhi)按如下(xia)順(shun)序(xu)逐漸變(bian)化。含3-5溶(rong)(rong)解氧(yang)(yang)(yang)時(shi)為白口(kou)(kou)(kou)組織(zhi)(zhi)—無(wu)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)---反白口(kou)(kou)(kou)組織(zhi)(zhi)---點狀石(shi)(shi)(shi)墨(mo)-----E型(xing)共晶(jing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)---B型(xing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)----A型(xing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)（20-40ppm溶(rong)(rong)解氧(yang)(yang)(yang)）----B型(xing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)----E型(xing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)----反白口(kou)(kou)(kou)組織(zhi)(zhi)----白口(kou)(kou)(kou)組織(zhi)(zhi)（100-200ppm）
可見含氧量(liang)過(guo)高或(huo)過(guo)低都將導致(zhi)白口組織和反白口組織，以生(sheng)成A型石墨(mo)（20-40ppm）為，當含氧量(liang)增(zeng)加或(huo)減少時，都會石墨(mo)形(xing)態惡(e)化(hua)。
從這里我們可以(yi)知道，沖(chong)天爐(lu)除了底焦過低，風量過大，而硅錳氧(yang)(yang)化(hua)嚴重，爐(lu)渣黑色，鐵水(shui)發白(bai)，而表明鑄鐵鐵液嚴重氧(yang)(yang)化(hua)，流動性差，鑄件(jian)產生白(bai)口(kou)以(yi)外，在正常熔化(hua)情況下，其含氧(yang)(yang)量都(dou)在30-60ppm范圍內，因此，適合A型石墨(mo)的(de)析(xi)出，而感應電(dian)爐(lu)在鐵水(shui)含氧(yang)(yang)量只(zhi)有(you)10-20ppm之間，因此，常常出現D型過冷石墨(mo)的(de)原因。而由此得出，沖(chong)天爐(lu)的(de)冶金質量好的(de)結論。
很多(duo)人認為，試驗(yan)平臺沖天爐(lu)(lu)(lu)是(shi)熔煉設(she)備，而中頻電爐(lu)(lu)(lu)只是(shi)熔化(hua)設(she)備，認為沖天爐(lu)(lu)(lu)內(nei)有很多(duo)的冶金反(fan)應(ying)(ying)，而感應(ying)(ying)電爐(lu)(lu)(lu)沒有。而實際上，在(zai)感應(ying)(ying)爐(lu)(lu)(lu)內(nei)存在(zai)下(xia)列的兩個(ge)化(hua)學反(fan)應(ying)(ying)，正是(shi)它影響著鑄鐵內(nei)含氧量，即Si+2O-----SiO2 SiO2+2[C]-----[Si]2CO↑
低(di)溫(wen)(wen)時(shi)硅(gui)和(he)錳等(deng)優(you)先氧(yang)化(hua)生成二氧(yang)化(hua)硅(gui)，氧(yang)化(hua)錳，和(he)氧(yang)化(hua)鐵(tie)(tie)等(deng)氧(yang)化(hua)物(wu)，而(er)高(gao)溫(wen)(wen)時(shi)二氧(yang)化(hua)硅(gui)等(deng)氧(yang)化(hua)物(wu)被碳(tan)(tan)還原，兩個反應的交叉點，即平(ping)衡(heng)點的溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)， 是(shi)(shi)平(ping)衡(heng)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)。它(ta)依鑄鐵(tie)(tie)液(ye)(ye)中的碳(tan)(tan)硅(gui)濃度(du)(du)(du)可以(yi)計(ji)算出(chu)(chu)來(lai)。一般我們可以(yi)根據爐內鐵(tie)(tie)液(ye)(ye)的表(biao)(biao)面狀態來(lai)判斷(duan)，當鐵(tie)(tie)液(ye)(ye)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)低(di)于平(ping)衡(heng)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)時(shi)，鐵(tie)(tie)液(ye)(ye)表(biao)(biao)面總(zong)是(shi)(shi)覆蓋(gai)著一層爐渣，當溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)超(chao)過平(ping)衡(heng)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)時(shi)，這(zhe)些渣膜慢(man)慢(man)消失(shi)并有火花冒出(chu)(chu)，這(zhe)是(shi)(shi)一氧(yang)化(hua)碳(tan)(tan)燃燒產(chan)生的火焰(yan)，溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)越高(gao)，時(shi)間越長，碳(tan)(tan)燒損越厲害。二氧(yang)化(hua)硅(gui)等(deng)晶核損失(shi)越多，這(zhe)也(ye) 是(shi)(shi)感應爐鐵(tie)(tie)水如果(guo)孕育不好，出(chu)(chu)現收(shou)縮缺(que)陷大，激冷傾(qing)向大的原因。
在美國有星期一(yi)鐵(tie)(tie)水一(yi)說， 是(shi)保(bao)溫感應電爐內的(de)鐵(tie)(tie)水，經過(guo)休息日的(de)保(bao)溫到周一(yi)生產時很難以孕育稱(cheng)為“死(si)鐵(tie)(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)對石墨的(de)影(ying)響是雙(shuang)方面的(de) ，溶解(jie)氧(yang)多，激冷傾(qing)向大(da)，白口shendu層或寬度大(da)，而(er)(er)氧(yang)化物成為二(er)氧(yang)化硅后，它可作(zuo)為異質晶(jing)核而(er)(er)cujin石墨化，激冷傾(qing)向，和收(shou)縮傾(qing)向 減少，其原因(yin) 是溶解(jie)氧(yang)和化合氧(yang)的(de)變(bian)化，知(zhi)道了這(zhe)些，現在 可以采取(qu)下面的(de)措(cuo)施(shi)。
1. 要快(kuai)速(su)(su)(su)熔(rong)化(hua)，在(zai)(zai)高(gao)溫下(xia)不(bu)要過多停留(liu)，溫度不(bu)能過高(gao)，灰鑄鐵(tie)石墨(mo)核心是(shi)什么？鈴木(mu)和(he)中(zhong)江都認為，在(zai)(zai)感(gan)應電爐(lu)中(zhong)，錳和(he)硫不(bu)能成(cheng)為核心，因為在(zai)(zai)他們(men)的實驗中(zhong)，白口是(shi)隨著硫量(liang)(liang)的升高(gao)而增(zeng)加(jia)(jia)的，只(zhi)有(you)加(jia)(jia)入了(le)增(zeng)碳(tan)劑(ji)或孕育劑(ji)，白口才急(ji)劇下(xia)降(jiang)，沖天爐(lu)熔(rong)化(hua)速(su)(su)(su)度快(kuai)，鐵(tie)液又穿過焦炭層下(xia)落(luo)，自(zi)然會(hui)(hui)有(you)大(da)量(liang)(liang)的未(wei)溶(rong)(rong)石墨(mo)。而感(gan)應爐(lu) 算加(jia)(jia)了(le)生鐵(tie)錠，加(jia)(jia)了(le)增(zeng)碳(tan)劑(ji)，只(zhi)要爐(lu)料慢慢熔(rong)化(hua)，其未(wei)溶(rong)(rong)石墨(mo)也會(hui)(hui)消(xiao)(xiao)失(shi)，亦即石墨(mo)結晶核心消(xiao)(xiao)失(shi)了(le)，白口都很大(da)，而在(zai)(zai)快(kuai)速(su)(su)(su)熔(rong)化(hua)下(xia)，或在(zai)(zai)熔(rong)化(hua)后期(qi)加(jia)(jia)點增(zeng)碳(tan)劑(ji)，或碳(tan)化(hua)硅預處理(li)劑(ji)，石墨(mo)形態才會(hui)(hui)好(hao)，快(kuai)速(su)(su)(su)熔(rong)化(hua)，保(bao)溫時間(jian)不(bu)長即出爐(lu)， 保(bao)證含氧量(liang)(liang)合(he)適，波動范圍小(xiao)。
2. 在(zai)爐料中加入30以(yi)下的鐵(tie)屑，有(you)助于含(han)氧量的增加。
3. 在確認鑄鐵中的氧含(han)量過低(di)的情況下(xia)， 應適當(dang)地增加氧,含(han)量方(fang)便的辦法是，利用氧硫(liu)孕育(yu)劑，BCIRA與埃肯合(he)作 成(cheng)的Superseed 屬于(yu)這種孕育(yu)劑，可(ke)(ke)用于(yu)灰鑄鐵或(huo)球鐵氧，硫(liu)過低(di)（氧低(di)于(yu)0.001，硫(liu)小(xiao)于(yu)0.006）時可(ke)(ke)用。
4. 采用廢鋼+增(zeng)碳劑工藝，增(zeng)加成核能力。
5. 采(cai)用預處(chu)理劑，用碳(tan)化硅代(dai)替硅鐵(tie)(tie)，由(you)于碳(tan)化硅fenjie慢等(deng)于changxiao孕育劑，另有(you)資料顯示，冶金(jin)碳(tan)化硅含(han)有(you)5左右的二氧化硅微(wei)粒，可彌補感(gan)應電爐(lu)(lu)高溫及保持下的晶核損失(shi)，可 gaishan石(shi)墨形態(tai)，使灰鑄鐵(tie)(tie)A型石(shi)墨增多，減少(shao)過冷和激(ji)冷傾向，對球(qiu)(qiu)鐵(tie)(tie)能增加石(shi)墨球(qiu)(qiu)數增加球(qiu)(qiu)化率(lv)。加強爐(lu)(lu)前三角試片檢(jian)驗，根據白口寬度(du)來調整(zheng)孕育劑加入量。
