高性能試驗平臺生產(chǎn)時關(guān)于鑄鐵氣體含量控制的要求
2018年07月12日
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過去提高試驗平臺鑄鐵鐵液的冶金質(zhì)量時，一般只關(guān)注鐵液的出爐的溫度和化學(xué)成分的控制，大多沒有把鑄鐵鐵液的氣體含量作為控制指標(biāo)，究其原因，其一，是對氣體含量對鑄鐵質(zhì)量的影響認(rèn)識不足，其二是氣體含量的分析比較困難。
我們在試驗平臺灰鑄鐵的生產(chǎn)實踐中，常常會遇到這種情況，同樣的生產(chǎn)工藝，同樣的化學(xué)成分，生產(chǎn)出來的灰鑄鐵，其機械性能相差很多，關(guān)于這種現(xiàn)象，至今也沒有做出明晰的解釋，但可以認(rèn)為，這是凝固過程中，由于石墨成長的大小形狀及分布，和基本組織的不同而引起了這種差異，值得關(guān)心的是，工藝相同，成分相近，而引起這些石墨和基體出現(xiàn)差異的原因又是什么？現(xiàn)在多數(shù)的研究者認(rèn)為或者懷疑，它是鑄鐵中的氣體引起的，或者是微量元素引起的，以及還可能有其他的不明原因。
由此，對氣體在鑄鐵中的行為引起了大家的注意，并進行了研究，尤其是鑄件的生產(chǎn)，高強度高碳當(dāng)量試驗平臺的生產(chǎn)，都需要有所生產(chǎn)鑄件的高度穩(wěn)定性和一致性，所以對需要對影響鑄件強度的氣體含量加以控制。
試驗平臺鑄鐵中的氣體主要有氧、氮、氫它們在鑄鐵中都有一定的溶解度，現(xiàn)在研究表明，這些氣體對鑄鐵的組織和性能都有巨大的影響，它們以下列三種狀態(tài)存在于鑄鐵中，1.溶于液態(tài)或固態(tài)鑄鐵中，2.與鑄鐵中的其他元素形成化合物，3.凝固時呈氣相析出，可能使鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷。
氧
人們提出了很多鑄鐵中含氧量的分析資料，萬谷提出，F(xiàn)e-C系為22-32ppm，F(xiàn)e-Si/c系為14-19ppm，佐藤測得為27-49ppm，Turkdogam提出30-40ppm，由于熔化方法的不同，鑄鐵內(nèi)的含氧量會有很大的變化，很多的測定資料數(shù)據(jù)表明，試驗平臺沖天爐熔化的鑄鐵中含氧量30-60ppm，而感應(yīng)電爐熔化鑄鐵，僅10-20ppm，這是由熔化機理不同引起的，而球鐵加鎂處理后的氧含量 低，只有5-10ppm。說明鎂有強烈的脫氧效果。氧對鑄鐵的各種性能， 別是對石墨形狀有很大影響，它又為大家所熟知，本間和郝石堅提出了下圖所示關(guān)系：說明了亞共晶鑄鐵含氧量與抗拉強度的關(guān)系，當(dāng)含氧量從3-5ppm增加到200ppm時，鑄鐵的組織按如下順序逐漸變化。含3-5溶解氧時為白口組織—無石墨---反白口組織---點狀石墨-----E型共晶石墨---B型石墨----A型石墨（20-40ppm溶解氧）----B型石墨----E型石墨----反白口組織----白口組織（100-200ppm）
可見含氧量過高或過低都將導(dǎo)致白口組織和反白口組織，以生成A型石墨（20-40ppm）為，當(dāng)含氧量增加或減少時，都會石墨形態(tài)惡化。
從這里我們可以知道，沖天爐除了底焦過低，風(fēng)量過大，而硅錳氧化嚴(yán)重，爐渣黑色，鐵水發(fā)白，而表明鑄鐵鐵液嚴(yán)重氧化，流動性差，鑄件產(chǎn)生白口以外，在正常熔化情況下，其含氧量都在30-60ppm范圍內(nèi)，因此，適合A型石墨的析出，而感應(yīng)電爐在鐵水含氧量只有10-20ppm之間，因此，常常出現(xiàn)D型過冷石墨的原因。而由此得出，沖天爐的冶金質(zhì)量好的結(jié)論。
很多人認(rèn)為，試驗平臺沖天爐是熔煉設(shè)備，而中頻電爐只是熔化設(shè)備，認(rèn)為沖天爐內(nèi)有很多的冶金反應(yīng)，而感應(yīng)電爐沒有。而實際上，在感應(yīng)爐內(nèi)存在下列的兩個化學(xué)反應(yīng)，正是它影響著鑄鐵內(nèi)含氧量，即Si+2O-----SiO2 SiO2+2[C]-----[Si]2CO↑
低溫時硅和錳等優(yōu)先氧化生成二氧化硅，氧化錳，和氧化鐵等氧化物，而高溫時二氧化硅等氧化物被碳還原，兩個反應(yīng)的交叉點，即平衡點的溫度， 是平衡溫度。它依鑄鐵液中的碳硅濃度可以計算出來。一般我們可以根據(jù)爐內(nèi)鐵液的表面狀態(tài)來判斷，當(dāng)鐵液溫度低于平衡溫度時，鐵液表面總是覆蓋著一層爐渣，當(dāng)溫度超過平衡溫度時，這些渣膜慢慢消失并有火花冒出，這是一氧化碳燃燒產(chǎn)生的火焰，溫度越高，時間越長，碳燒損越厲害。二氧化硅等晶核損失越多，這也 是感應(yīng)爐鐵水如果孕育不好，出現(xiàn)收縮缺陷大，激冷傾向大的原因。
在美國有星期一鐵水一說， 是保溫感應(yīng)電爐內(nèi)的鐵水，經(jīng)過休息日的保溫到周一生產(chǎn)時很難以孕育稱為“死鐵水”。
因此可以發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)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(yīng)爐屬于間隙式生產(chǎn)，鐵液在爐內(nèi)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(nèi)保留時間長，而含溶氧量高，SiO2氧化低，當(dāng)爐前不加控制 會出現(xiàn)金相組織的變化，而機械性能的波動。
氧對石墨的影響是雙方面的 ，溶解氧多，激冷傾向大，白口shendu層或?qū)挾却螅趸锍蔀槎趸韬螅勺鳛楫愘|(zhì)晶核而cujin石墨化，激冷傾向，和收縮傾向 減少，其原因 是溶解氧和化合氧的變化，知道了這些，現(xiàn)在 可以采取下面的措施。
1. 要快速熔化，在高溫下不要過多停留，溫度不能過高，灰鑄鐵石墨核心是什么？鈴木和中江都認(rèn)為，在感應(yīng)電爐中，錳和硫不能成為核心，因為在他們的實驗中，白口是隨著硫量的升高而增加的，只有加入了增碳劑或孕育劑，白口才急劇下降，沖天爐熔化速度快，鐵液又穿過焦炭層下落，自然會有大量的未溶石墨。而感應(yīng)爐 算加了生鐵錠，加了增碳劑，只要爐料慢慢熔化，其未溶石墨也會消失，亦即石墨結(jié)晶核心消失了，白口都很大，而在快速熔化下，或在熔化后期加點增碳劑，或碳化硅預(yù)處理劑，石墨形態(tài)才會好，快速熔化，保溫時間不長即出爐， 保證含氧量合適，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(rèn)鑄鐵中的氧含量過低的情況下， 應(yīng)適當(dāng)?shù)卦黾友?含量方便的辦法是，利用氧硫孕育劑，BCIRA與埃肯合作 成的Superseed 屬于這種孕育劑，可用于灰鑄鐵或球鐵氧，硫過低（氧低于0.001，硫小于0.006）時可用。
4. 采用廢鋼+增碳劑工藝，增加成核能力。
5. 采用預(yù)處理劑，用碳化硅代替硅鐵，由于碳化硅fenjie慢等于changxiao孕育劑，另有資料顯示，冶金碳化硅含有5左右的二氧化硅微粒，可彌補感應(yīng)電爐高溫及保持下的晶核損失，可 gaishan石墨形態(tài)，使灰鑄鐵A型石墨增多，減少過冷和激冷傾向，對球鐵能增加石墨球數(shù)增加球化率。加強爐前三角試片檢驗，根據(jù)白口寬度來調(diào)整孕育劑加入量。
