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(zhong)，2018年(nian)已剩下六個來月了(le)，新年(nian)許下的(de)心愿，現在完(wan)成一半(ban)了(le)嗎？生(sheng)活(huo)苦(ku)不苦(ku)，大(da)家都清楚(chu)，活(huo)著難(nan)不難(nan)，都說難(nan)。酸甜苦(ku)辣五(wu)味俱全，追隨我們每天每月和每年(nian)！
趁(chen)自己還不(bu)老，千(qian)萬不(bu)要過(guo)老年人(ren)(ren)的生(sheng)活，該拼(pin) 拼(pin)，該闖 闖，該折(zhe)(zhe)騰(teng)(teng)(teng) 大(da)膽折(zhe)(zhe)騰(teng)(teng)(teng)！我們(men)都是普通人(ren)(ren)，沒(mei)有錢(qian)沒(mei)有勢，只有折(zhe)(zhe)騰(teng)(teng)(teng)才能(neng)改變(bian)命(ming)運！窮(qiong)人(ren)(ren)折(zhe)(zhe)騰(teng)(teng)(teng)對了(le)， 是富(fu)人(ren)(ren)，如果折(zhe)(zhe)騰(teng)(teng)(teng)錯了(le)，大(da)不(bu)了(le)做回(hui)窮(qiong)人(ren)(ren)，與其老老實實混日子(zi)，不(bu)如大(da)膽折(zhe)(zhe)騰(teng)(teng)(teng)變(bian)日子(zi)！
過去提高試驗平臺鑄鐵(tie)(tie)鐵(tie)(tie)液的冶(ye)金質(zhi)量時，一般只(zhi)關注鐵(tie)(tie)液的出爐的溫度(du)和化學成分的控制(zhi)，大(da)多(duo)沒有把鑄鐵(tie)(tie)鐵(tie)(tie)液的氣體含量作為(wei)控制(zhi)指標，究其原因，其一，是(shi)對(dui)氣體含量對(dui)鑄鐵(tie)(tie)質(zhi)量的影響認識不(bu)足(zu)，其二是(shi)氣體含量的分析比較困難。
我們在(zai)試驗平(ping)臺灰鑄鐵(tie)的(de)生(sheng)(sheng)產實踐中，常常會遇到這(zhe)種(zhong)情況(kuang)，同(tong)(tong)樣的(de)生(sheng)(sheng)產工藝(yi)(yi)，同(tong)(tong)樣的(de)化學成分(fen)，生(sheng)(sheng)產出(chu)來的(de)灰鑄鐵(tie)，其機(ji)械性能(neng)相差(cha)(cha)很(hen)多，關(guan)于這(zhe)種(zhong)現(xian)象(xiang)，至今也沒有(you)做(zuo)出(chu)明晰的(de)解釋，但可以(yi)認(ren)為(wei)，這(zhe)是凝固過程中，由于石墨(mo)(mo)成長的(de)大小形(xing)狀及(ji)分(fen)布，和(he)基本組織的(de)不(bu)同(tong)(tong)而(er)引(yin)起(qi)了這(zhe)種(zhong)差(cha)(cha)異，值得關(guan)心的(de)是，工藝(yi)(yi)相同(tong)(tong)，成分(fen)相近，而(er)引(yin)起(qi)這(zhe)些(xie)石墨(mo)(mo)和(he)基體(ti)出(chu)現(xian)差(cha)(cha)異的(de)原因又是什么？現(xian)在(zai)多數(shu)的(de)研究(jiu)者認(ren)為(wei)或者懷疑，它是鑄鐵(tie)中的(de)氣(qi)體(ti)引(yin)起(qi)的(de)，或者是微量元素(su)引(yin)起(qi)的(de)，以(yi)及(ji)還可能(neng)有(you)其他的(de)不(bu)明原因。
由(you)此，對氣體在鑄鐵(tie)中的(de)行(xing)為引起了大家(jia)的(de)注意(yi)，并(bing)進(jin)行(xing)了研究，尤其是(shi)鑄件的(de)生(sheng)(sheng)產(chan)，高強度(du)高碳當(dang)量試驗平臺的(de)生(sheng)(sheng)產(chan)，都需(xu)要(yao)有所生(sheng)(sheng)產(chan)鑄件的(de)高度(du)穩定(ding)性(xing)和一致(zhi)性(xing)，所以對需(xu)要(yao)對影(ying)響鑄件強度(du)的(de)氣體含量加以控制。
試驗平臺鑄鐵中(zhong)的(de)氣體(ti)主要有(you)氧、氮、氫(qing)它們在(zai)鑄鐵中(zhong)都(dou)有(you)一定的(de)溶解度(du)，現在(zai)研究表明，這些氣體(ti)對(dui)鑄鐵的(de)組織(zhi)和性能都(dou)有(you)巨大的(de)影響，它們以下列三種狀態存在(zai)于(yu)鑄鐵中(zhong)，1.溶于(yu)液態或固態鑄鐵中(zhong)，2.與鑄鐵中(zhong)的(de)其(qi)他元素形(xing)成化合物，3.凝固時呈氣相析出，可能使鑄件產生氣孔缺陷(xian)。
氧
人們(men)提(ti)(ti)出(chu)了很多鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)中含(han)(han)氧(yang)(yang)量(liang)的(de)(de)(de)分析資料(liao)，萬谷提(ti)(ti)出(chu)，Fe-C系為22-32ppm，Fe-Si/c系為14-19ppm，佐藤測得為27-49ppm，Turkdogam提(ti)(ti)出(chu)30-40ppm，由于熔(rong)(rong)化方(fang)法的(de)(de)(de)不同(tong)，鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)內的(de)(de)(de)含(han)(han)氧(yang)(yang)量(liang)會(hui)有(you)很大的(de)(de)(de)變化，很多的(de)(de)(de)測定資料(liao)數據表明(ming)(ming)，試驗平臺沖天爐(lu)熔(rong)(rong)化的(de)(de)(de)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)中含(han)(han)氧(yang)(yang)量(liang)30-60ppm，而感應電(dian)爐(lu)熔(rong)(rong)化鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)，僅10-20ppm，這是由熔(rong)(rong)化機理(li)不同(tong)引(yin)起的(de)(de)(de)，而球(qiu)鐵(tie)(tie)(tie)加(jia)鎂處理(li)后的(de)(de)(de)氧(yang)(yang)含(han)(han)量(liang) 低，只(zhi)有(you)5-10ppm。說明(ming)(ming)鎂有(you)強烈的(de)(de)(de)脫氧(yang)(yang)效果。氧(yang)(yang)對(dui)鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)的(de)(de)(de)各(ge)種性(xing)能， 別是對(dui)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)形(xing)狀(zhuang)有(you)很大影(ying)響，它又為大家所熟知，本間和郝石(shi)(shi)(shi)堅提(ti)(ti)出(chu)了下圖(tu)所示關(guan)(guan)系：說明(ming)(ming)了亞(ya)共(gong)晶鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)含(han)(han)氧(yang)(yang)量(liang)與(yu)抗拉強度的(de)(de)(de)關(guan)(guan)系，當含(han)(han)氧(yang)(yang)量(liang)從3-5ppm增加(jia)到200ppm時，鑄(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)的(de)(de)(de)組(zu)織(zhi)按如下順序逐漸變化。含(han)(han)3-5溶(rong)解氧(yang)(yang)時為白(bai)口(kou)組(zu)織(zhi)—無石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)---反白(bai)口(kou)組(zu)織(zhi)---點狀(zhuang)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)-----E型(xing)共(gong)晶石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)---B型(xing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)----A型(xing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)（20-40ppm溶(rong)解氧(yang)(yang)）----B型(xing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)----E型(xing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)----反白(bai)口(kou)組(zu)織(zhi)----白(bai)口(kou)組(zu)織(zhi)（100-200ppm）
可見(jian)含氧(yang)量過高或過低都將(jiang)導致(zhi)白(bai)(bai)口組織和反(fan)白(bai)(bai)口組織，以生(sheng)成(cheng)A型(xing)石(shi)墨（20-40ppm）為，當(dang)含氧(yang)量增(zeng)加或減少時(shi)，都會(hui)石(shi)墨形態惡(e)化(hua)。
從這里我們(men)可以(yi)知道，沖(chong)(chong)天(tian)爐除了底焦過(guo)低，風量過(guo)大，而(er)硅錳氧化(hua)嚴重(zhong)，爐渣黑色，鐵(tie)水(shui)發(fa)白，而(er)表(biao)明(ming)鑄鐵(tie)鐵(tie)液嚴重(zhong)氧化(hua)，流動性差，鑄件產(chan)生(sheng)白口以(yi)外(wai)，在(zai)正常熔(rong)化(hua)情況下，其含氧量都在(zai)30-60ppm范圍內，因(yin)(yin)此，適合A型石墨的(de)(de)析出，而(er)感應電爐在(zai)鐵(tie)水(shui)含氧量只有10-20ppm之間，因(yin)(yin)此，常常出現D型過(guo)冷石墨的(de)(de)原因(yin)(yin)。而(er)由此得出，沖(chong)(chong)天(tian)爐的(de)(de)冶金質量好的(de)(de)結論。
很(hen)多人認為，試驗(yan)平臺(tai)沖天爐(lu)(lu)是(shi)熔煉設(she)備，而中頻電爐(lu)(lu)只是(shi)熔化設(she)備，認為沖天爐(lu)(lu)內有(you)很(hen)多的冶金反應(ying)，而感應(ying)電爐(lu)(lu)沒有(you)。而實際上(shang)，在(zai)感應(ying)爐(lu)(lu)內存(cun)在(zai)下(xia)列的兩個化學反應(ying)，正是(shi)它影響(xiang)著鑄鐵內含氧量，即Si+2O-----SiO2 SiO2+2[C]-----[Si]2CO↑
低溫(wen)(wen)(wen)(wen)時硅和錳(meng)(meng)等(deng)優先氧(yang)(yang)化(hua)(hua)生成二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)硅，氧(yang)(yang)化(hua)(hua)錳(meng)(meng)，和氧(yang)(yang)化(hua)(hua)鐵(tie)(tie)等(deng)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物，而高溫(wen)(wen)(wen)(wen)時二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)硅等(deng)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)物被碳還(huan)原，兩個反應的(de)交叉點(dian)，即平衡點(dian)的(de)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)， 是(shi)(shi)平衡溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)。它(ta)依鑄鐵(tie)(tie)液(ye)中(zhong)的(de)碳硅濃度(du)可以(yi)計算(suan)出(chu)來。一(yi)(yi)般(ban)我們可以(yi)根據(ju)爐(lu)(lu)內鐵(tie)(tie)液(ye)的(de)表面狀態來判斷，當(dang)鐵(tie)(tie)液(ye)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)低于平衡溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)時，鐵(tie)(tie)液(ye)表面總是(shi)(shi)覆蓋著一(yi)(yi)層爐(lu)(lu)渣，當(dang)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)超過平衡溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)時，這些渣膜慢(man)(man)慢(man)(man)消失(shi)并有火花(hua)冒出(chu)，這是(shi)(shi)一(yi)(yi)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳燃燒產生的(de)火焰，溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)越高，時間越長，碳燒損(sun)越厲(li)害。二(er)(er)氧(yang)(yang)化(hua)(hua)硅等(deng)晶核損(sun)失(shi)越多，這也 是(shi)(shi)感應爐(lu)(lu)鐵(tie)(tie)水如果孕育不(bu)好，出(chu)現收縮缺陷大，激冷傾向大的(de)原因。
在美國(guo)有星期一(yi)鐵(tie)水一(yi)說(shuo)， 是保溫感應電爐內的鐵(tie)水，經過休息日的保溫到周一(yi)生產時很(hen)難以孕育稱(cheng)為“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)對石墨的影(ying)響是雙方面的 ，溶解氧(yang)(yang)多，激冷傾向大(da)，白口shendu層或寬度大(da)，而氧(yang)(yang)化(hua)物成(cheng)為(wei)二氧(yang)(yang)化(hua)硅后，它可作(zuo)為(wei)異質晶核而cujin石墨化(hua)，激冷傾向，和收縮(suo)傾向 減(jian)少，其原因(yin) 是溶解氧(yang)(yang)和化(hua)合氧(yang)(yang)的變化(hua)，知(zhi)道(dao)了這些，現在 可以采取下面的措施。
1. 要(yao)快速熔化(hua)，在高溫下(xia)不(bu)要(yao)過多(duo)停(ting)留(liu)，溫度不(bu)能過高，灰(hui)鑄鐵(tie)石(shi)墨(mo)(mo)核心是什么(me)？鈴木和中江都認為，在感應電爐中，錳(meng)和硫(liu)不(bu)能成為核心，因為在他們的(de)實驗中，白口是隨著硫(liu)量(liang)(liang)的(de)升(sheng)高而增(zeng)加的(de)，只有(you)加入了增(zeng)碳(tan)(tan)劑或(huo)孕育劑，白口才急劇下(xia)降，沖天爐熔化(hua)速度快，鐵(tie)液又穿過焦(jiao)炭層下(xia)落，自然會(hui)有(you)大量(liang)(liang)的(de)未溶石(shi)墨(mo)(mo)。而感應爐 算加了生(sheng)鐵(tie)錠，加了增(zeng)碳(tan)(tan)劑，只要(yao)爐料慢(man)慢(man)熔化(hua)，其未溶石(shi)墨(mo)(mo)也(ye)會(hui)消失，亦(yi)即石(shi)墨(mo)(mo)結晶核心消失了，白口都很大，而在快速熔化(hua)下(xia)，或(huo)在熔化(hua)后期加點增(zeng)碳(tan)(tan)劑，或(huo)碳(tan)(tan)化(hua)硅預處理劑，石(shi)墨(mo)(mo)形(xing)態才會(hui)好，快速熔化(hua)，保溫時間不(bu)長即出(chu)爐， 保證(zheng)含氧量(liang)(liang)合(he)適，波動范圍小。
2. 在爐(lu)料中加入30以(yi)下(xia)的(de)鐵(tie)屑，有助(zhu)于(yu)含氧量的(de)增加。
3. 在確認鑄鐵(tie)中的(de)(de)氧(yang)含量(liang)(liang)過(guo)低(di)的(de)(de)情況下， 應適當地增加(jia)氧(yang),含量(liang)(liang)方(fang)便的(de)(de)辦法(fa)是，利用氧(yang)硫(liu)孕育劑(ji)，BCIRA與(yu)埃肯合作 成的(de)(de)Superseed 屬于(yu)這種(zhong)孕育劑(ji)，可用于(yu)灰鑄鐵(tie)或球鐵(tie)氧(yang)，硫(liu)過(guo)低(di)（氧(yang)低(di)于(yu)0.001，硫(liu)小于(yu)0.006）時可用。
4. 采用(yong)廢(fei)鋼+增(zeng)碳劑工藝，增(zeng)加成核(he)能力。
5. 采用預處(chu)理劑(ji)，用碳(tan)化硅代替(ti)硅鐵，由于碳(tan)化硅fenjie慢等于changxiao孕(yun)育(yu)劑(ji)，另(ling)有資料(liao)顯示，冶(ye)金碳(tan)化硅含有5左右的二氧化硅微(wei)粒，可(ke)彌補感應電爐高溫及保持(chi)下的晶核損(sun)失(shi)，可(ke) gaishan石(shi)墨(mo)(mo)(mo)形態，使灰鑄(zhu)鐵A型石(shi)墨(mo)(mo)(mo)增多，減少過冷和(he)激冷傾向(xiang)，對球鐵能(neng)增加(jia)石(shi)墨(mo)(mo)(mo)球數增加(jia)球化率。加(jia)強爐前三(san)角試片檢驗，根據(ju)白口寬度來調整孕(yun)育(yu)劑(ji)加(jia)入量。
