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)覺中，2018年已剩下六個來月了，新年許下的心愿(yuan)，現在完成一半了嗎(ma)？生活苦(ku)不(bu)苦(ku)，大家都清(qing)楚，活著難(nan)(nan)不(bu)難(nan)(nan)，都說難(nan)(nan)。酸甜(tian)苦(ku)辣(la)五味(wei)俱全，追(zhui)隨(sui)我(wo)們每(mei)(mei)天每(mei)(mei)月和(he)每(mei)(mei)年！
趁自己還不老(lao)，千萬不要(yao)過(guo)老(lao)年(nian)人(ren)的生活，該(gai)拼 拼，該(gai)闖 闖，該(gai)折(zhe)騰 大膽(dan)折(zhe)騰！我們都是普通人(ren)，沒有(you)錢沒有(you)勢，只有(you)折(zhe)騰才能改變(bian)命運！窮人(ren)折(zhe)騰對了， 是富(fu)人(ren)，如果折(zhe)騰錯了，大不了做回窮人(ren)，與其老(lao)老(lao)實(shi)實(shi)混(hun)日(ri)(ri)子(zi)，不如大膽(dan)折(zhe)騰變(bian)日(ri)(ri)子(zi)！
過去提高試驗平臺鑄鐵(tie)鐵(tie)液的(de)冶金質量(liang)時，一般只關(guan)注(zhu)鐵(tie)液的(de)出(chu)爐的(de)溫(wen)度和化學成(cheng)分(fen)的(de)控制，大多沒有把鑄鐵(tie)鐵(tie)液的(de)氣(qi)體含(han)量(liang)作為控制指標，究其原(yuan)因，其一，是對氣(qi)體含(han)量(liang)對鑄鐵(tie)質量(liang)的(de)影響認識(shi)不足，其二(er)是氣(qi)體含(han)量(liang)的(de)分(fen)析比較困難。
我(wo)們(men)在試(shi)驗平(ping)臺灰(hui)鑄(zhu)鐵的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)實踐中，常常會遇到(dao)這種(zhong)情況，同樣的(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)，同樣的(de)(de)(de)(de)(de)化學(xue)成分(fen)，生(sheng)(sheng)產(chan)出來(lai)的(de)(de)(de)(de)(de)灰(hui)鑄(zhu)鐵，其機械性能相(xiang)差(cha)很多(duo)，關于這種(zhong)現象，至今也沒有(you)做出明(ming)晰的(de)(de)(de)(de)(de)解釋，但可以認為，這是(shi)凝固(gu)過程中，由于石(shi)墨成長的(de)(de)(de)(de)(de)大小形(xing)狀(zhuang)及(ji)(ji)分(fen)布，和基本組織的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)同而引(yin)(yin)起(qi)了這種(zhong)差(cha)異(yi)，值得關心的(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)，工(gong)藝(yi)相(xiang)同，成分(fen)相(xiang)近，而引(yin)(yin)起(qi)這些(xie)石(shi)墨和基體出現差(cha)異(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)因又是(shi)什么？現在多(duo)數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)研究者(zhe)認為或者(zhe)懷(huai)疑，它是(shi)鑄(zhu)鐵中的(de)(de)(de)(de)(de)氣體引(yin)(yin)起(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)，或者(zhe)是(shi)微量元素引(yin)(yin)起(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)，以及(ji)(ji)還可能有(you)其他的(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)明(ming)原(yuan)因。
由此，對氣(qi)體(ti)(ti)在鑄鐵中(zhong)的(de)行為引起了(le)大家的(de)注意(yi)，并進行了(le)研究，尤其(qi)是鑄件(jian)的(de)生(sheng)產，高(gao)強度高(gao)碳當量(liang)試驗平臺(tai)的(de)生(sheng)產，都(dou)需要有所(suo)生(sheng)產鑄件(jian)的(de)高(gao)度穩定性和一(yi)致(zhi)性，所(suo)以(yi)(yi)對需要對影(ying)響(xiang)鑄件(jian)強度的(de)氣(qi)體(ti)(ti)含(han)量(liang)加以(yi)(yi)控(kong)制。
試(shi)驗平臺鑄鐵(tie)中的氣(qi)(qi)體主要(yao)有(you)氧、氮(dan)、氫它們在(zai)(zai)鑄鐵(tie)中都有(you)一(yi)定的溶解度，現在(zai)(zai)研究表明，這些氣(qi)(qi)體對鑄鐵(tie)的組織和性能都有(you)巨大(da)的影響，它們以下列三種狀態存在(zai)(zai)于鑄鐵(tie)中，1.溶于液態或固(gu)態鑄鐵(tie)中，2.與鑄鐵(tie)中的其他元素形成化(hua)合物(wu)，3.凝固(gu)時(shi)呈氣(qi)(qi)相析(xi)出(chu)，可能使鑄件產生氣(qi)(qi)孔缺(que)陷(xian)。
氧
人(ren)們(men)提(ti)(ti)出(chu)了(le)很(hen)多(duo)鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)中含氧(yang)量(liang)(liang)的(de)(de)分析資(zi)(zi)料，萬谷提(ti)(ti)出(chu)，Fe-C系為(wei)22-32ppm，Fe-Si/c系為(wei)14-19ppm，佐藤測得為(wei)27-49ppm，Turkdogam提(ti)(ti)出(chu)30-40ppm，由于熔化(hua)方(fang)法的(de)(de)不同(tong)，鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)內的(de)(de)含氧(yang)量(liang)(liang)會有(you)(you)(you)很(hen)大的(de)(de)變(bian)化(hua)，很(hen)多(duo)的(de)(de)測定(ding)資(zi)(zi)料數據表(biao)明(ming)，試(shi)驗平(ping)臺沖天爐熔化(hua)的(de)(de)鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)中含氧(yang)量(liang)(liang)30-60ppm，而(er)(er)感應(ying)電爐熔化(hua)鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)，僅10-20ppm，這是由熔化(hua)機理不同(tong)引起(qi)的(de)(de)，而(er)(er)球鐵(tie)(tie)(tie)(tie)加(jia)鎂處理后的(de)(de)氧(yang)含量(liang)(liang) 低，只有(you)(you)(you)5-10ppm。說明(ming)鎂有(you)(you)(you)強(qiang)烈的(de)(de)脫氧(yang)效果。氧(yang)對鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)的(de)(de)各種性能， 別是對石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)形(xing)狀有(you)(you)(you)很(hen)大影響，它又(you)為(wei)大家(jia)所(suo)熟知(zhi)，本間(jian)和郝(hao)石(shi)(shi)(shi)堅提(ti)(ti)出(chu)了(le)下圖所(suo)示關系：說明(ming)了(le)亞共(gong)晶鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)含氧(yang)量(liang)(liang)與抗拉強(qiang)度的(de)(de)關系，當含氧(yang)量(liang)(liang)從3-5ppm增加(jia)到200ppm時，鑄(zhu)(zhu)鐵(tie)(tie)(tie)(tie)的(de)(de)組(zu)織(zhi)(zhi)按如下順序逐漸變(bian)化(hua)。含3-5溶解(jie)氧(yang)時為(wei)白口組(zu)織(zhi)(zhi)—無石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)---反(fan)白口組(zu)織(zhi)(zhi)---點狀石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)-----E型(xing)(xing)共(gong)晶石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)---B型(xing)(xing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)----A型(xing)(xing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)（20-40ppm溶解(jie)氧(yang)）----B型(xing)(xing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)----E型(xing)(xing)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)(mo)(mo)----反(fan)白口組(zu)織(zhi)(zhi)----白口組(zu)織(zhi)(zhi)（100-200ppm）
可見含氧量過(guo)高(gao)或過(guo)低都將導致(zhi)白(bai)口(kou)(kou)組織和反(fan)白(bai)口(kou)(kou)組織，以生成A型(xing)石(shi)墨（20-40ppm）為(wei)，當含氧量增(zeng)加或減(jian)少時，都會石(shi)墨形(xing)態(tai)惡化。
從(cong)這里(li)我們(men)可以知道，沖(chong)天爐(lu)除了底焦(jiao)過(guo)低，風量過(guo)大，而(er)硅錳氧(yang)化(hua)嚴(yan)重(zhong)，爐(lu)渣(zha)黑色，鐵水(shui)(shui)發白(bai)，而(er)表明(ming)鑄鐵鐵液嚴(yan)重(zhong)氧(yang)化(hua)，流(liu)動性差，鑄件產生白(bai)口以外，在(zai)正常熔化(hua)情(qing)況下，其含氧(yang)量都在(zai)30-60ppm范圍(wei)內，因此，適(shi)合(he)A型石(shi)墨(mo)的析出，而(er)感應電爐(lu)在(zai)鐵水(shui)(shui)含氧(yang)量只(zhi)有(you)10-20ppm之間，因此，常常出現D型過(guo)冷(leng)石(shi)墨(mo)的原因。而(er)由此得出，沖(chong)天爐(lu)的冶金質量好的結論。
很多人認(ren)為(wei)，試驗平(ping)臺沖天爐(lu)是熔煉設備，而(er)中頻電(dian)爐(lu)只是熔化設備，認(ren)為(wei)沖天爐(lu)內有很多的冶金反(fan)應(ying)，而(er)感應(ying)電(dian)爐(lu)沒有。而(er)實際(ji)上，在感應(ying)爐(lu)內存(cun)在下列的兩個化學(xue)反(fan)應(ying)，正是它影響著鑄鐵(tie)內含氧量，即Si+2O-----SiO2 SiO2+2[C]-----[Si]2CO↑
低溫(wen)時硅(gui)(gui)(gui)和(he)錳等優先氧(yang)化(hua)生(sheng)成(cheng)二氧(yang)化(hua)硅(gui)(gui)(gui)，氧(yang)化(hua)錳，和(he)氧(yang)化(hua)鐵(tie)等氧(yang)化(hua)物，而(er)高(gao)溫(wen)時二氧(yang)化(hua)硅(gui)(gui)(gui)等氧(yang)化(hua)物被碳(tan)還(huan)原(yuan)，兩(liang)個反(fan)應的交叉點(dian)，即平(ping)衡(heng)點(dian)的溫(wen)度， 是(shi)平(ping)衡(heng)溫(wen)度。它依鑄(zhu)鐵(tie)液中的碳(tan)硅(gui)(gui)(gui)濃(nong)度可以計(ji)算出來。一般我們可以根(gen)據爐(lu)內鐵(tie)液的表(biao)面狀(zhuang)態來判斷，當(dang)鐵(tie)液溫(wen)度低于平(ping)衡(heng)溫(wen)度時，鐵(tie)液表(biao)面總是(shi)覆蓋著(zhu)一層爐(lu)渣(zha)，當(dang)溫(wen)度超(chao)過平(ping)衡(heng)溫(wen)度時，這些渣(zha)膜慢慢消失并有火(huo)花冒出，這是(shi)一氧(yang)化(hua)碳(tan)燃燒(shao)產生(sheng)的火(huo)焰，溫(wen)度越(yue)高(gao)，時間(jian)越(yue)長，碳(tan)燒(shao)損(sun)越(yue)厲害。二氧(yang)化(hua)硅(gui)(gui)(gui)等晶核損(sun)失越(yue)多，這也 是(shi)感應爐(lu)鐵(tie)水(shui)如果(guo)孕育(yu)不好(hao)，出現收縮缺陷大(da)，激冷傾向大(da)的原(yuan)因(yin)。
在美國(guo)有星(xing)期(qi)一(yi)鐵(tie)水一(yi)說， 是保溫(wen)感應電爐內的(de)鐵(tie)水，經過休(xiu)息日(ri)的(de)保溫(wen)到周一(yi)生產時很(hen)難以孕(yun)育(yu)稱為“死(si)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。
氧對石(shi)墨(mo)(mo)的(de)影響是雙方面的(de) ，溶解氧多(duo)，激冷(leng)傾向大，白口shendu層或(huo)寬度(du)大，而(er)氧化(hua)物成為(wei)二氧化(hua)硅后，它可(ke)作為(wei)異質晶核而(er)cujin石(shi)墨(mo)(mo)化(hua)，激冷(leng)傾向，和收縮傾向 減少，其原因 是溶解氧和化(hua)合氧的(de)變化(hua)，知道了這(zhe)些(xie)，現在 可(ke)以(yi)采(cai)取下面的(de)措施。
1. 要(yao)快速(su)熔(rong)化，在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)不(bu)要(yao)過多停留，溫(wen)度不(bu)能(neng)過高(gao)，灰鑄鐵(tie)石墨核心(xin)是(shi)什(shen)么？鈴木(mu)和(he)中(zhong)江(jiang)都認為(wei)，在(zai)感(gan)應電爐中(zhong)，錳(meng)和(he)硫不(bu)能(neng)成為(wei)核心(xin)，因為(wei)在(zai)他們的(de)實驗中(zhong)，白口是(shi)隨著硫量的(de)升高(gao)而增加(jia)(jia)的(de)，只有(you)加(jia)(jia)入了(le)增碳(tan)劑(ji)或(huo)孕育(yu)劑(ji)，白口才急劇下(xia)降，沖(chong)天爐熔(rong)化速(su)度快，鐵(tie)液又(you)穿過焦(jiao)炭層下(xia)落，自然(ran)會有(you)大量的(de)未溶(rong)(rong)石墨。而感(gan)應爐 算加(jia)(jia)了(le)生鐵(tie)錠，加(jia)(jia)了(le)增碳(tan)劑(ji)，只要(yao)爐料慢(man)慢(man)熔(rong)化，其未溶(rong)(rong)石墨也會消(xiao)失，亦即石墨結晶(jing)核心(xin)消(xiao)失了(le)，白口都很大，而在(zai)快速(su)熔(rong)化下(xia)，或(huo)在(zai)熔(rong)化后期加(jia)(jia)點增碳(tan)劑(ji)，或(huo)碳(tan)化硅(gui)預(yu)處理劑(ji)，石墨形態(tai)才會好，快速(su)熔(rong)化，保(bao)(bao)溫(wen)時間不(bu)長即出爐， 保(bao)(bao)證含(han)氧量合適，波動范圍小。
2. 在爐料(liao)中加入30以下的鐵屑(xie)，有助于含氧量(liang)的增加。
3. 在確(que)認鑄鐵中的氧(yang)含量(liang)過低(di)的情況下， 應適(shi)當地增(zeng)加氧(yang),含量(liang)方便(bian)的辦法(fa)是，利用(yong)氧(yang)硫(liu)(liu)孕(yun)育(yu)劑(ji)(ji)，BCIRA與(yu)埃(ai)肯(ken)合作 成的Superseed 屬于(yu)這種孕(yun)育(yu)劑(ji)(ji)，可用(yong)于(yu)灰鑄鐵或球鐵氧(yang)，硫(liu)(liu)過低(di)（氧(yang)低(di)于(yu)0.001，硫(liu)(liu)小于(yu)0.006）時可用(yong)。
4. 采用廢鋼(gang)+增(zeng)碳劑工藝，增(zeng)加(jia)成核能力(li)。
5. 采用預處理劑，用碳化(hua)硅(gui)(gui)代(dai)替硅(gui)(gui)鐵，由(you)于(yu)碳化(hua)硅(gui)(gui)fenjie慢等于(yu)changxiao孕(yun)(yun)育劑，另有資(zi)料顯示，冶(ye)金碳化(hua)硅(gui)(gui)含(han)有5左右的二氧化(hua)硅(gui)(gui)微粒(li)，可彌補(bu)感應電爐(lu)高溫及保持下的晶核損失，可 gaishan石(shi)(shi)墨(mo)形態，使灰鑄鐵A型(xing)石(shi)(shi)墨(mo)增(zeng)多，減少過冷和激冷傾向(xiang)，對(dui)球鐵能(neng)增(zeng)加(jia)石(shi)(shi)墨(mo)球數增(zeng)加(jia)球化(hua)率。加(jia)強(qiang)爐(lu)前三角試片檢驗，根據(ju)白口寬(kuan)度(du)來(lai)調(diao)整孕(yun)(yun)育劑加(jia)入量。
