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      如何得到最佳鑄件內在質量?

      發表時間:2019-08-13 14:16:21
      一、概述
      (一)、解析鑄件生產的全過程,其核心環節是熔煉合格的鐵水,注到合格的鑄型中成形。合格的鑄型主要保證鑄件的形狀和尺寸精度。合格的鐵水內在質量。是保證鑄件使用性能保證使用壽命,使用的可靠性。故鐵水的熔煉質量是鑄造生產過程中的重要環節。
      (二)、鑄造行業,是一個跨冶金和機械,涉及專業面非常廣泛的行業,影響因素非常多,生產過程控制難度非常大,穩定生產質量,除嚴禁控制進料外,實現生產過程自動化,最大限度排除人為因素的干擾,用設備系統保證工藝過程的質量和穩定性,已是我國當前提高生產質量,提高生產效率、降低成本的有效措施。
      (三)、隨社會的發展和進步。人們環保意識的提高,對環保的要求也愈來愈高,應有相應的環保措施,以達到相應的環保要求。
      (四)、在生產過程中,如何充分利用能源,也是我們當前的重要任務之一。
      二、鑄件內在質量的控制技術參數分析
      鑄造是一個古老而新興的行業。也是機械行業重要基礎件行業。決定機械設備的使用壽命和使用可靠性。通過數千年的生產實踐積累、科學研究。從宏觀認識深入到微觀理論,有了巨大的發展。不斷揭示鑄件生產過程中。穩定完成技術參數的控制,就可保證鑄件的使用性能。從而保證機械設備的使用壽命。使用的可靠性,要生產高質量的鑄件。首先就需要研究影響鑄鐵性能的因素,也就是如何提高熔煉鐵水的純凈度。如何獲得好的熔煉石墨狀態、化學成分波動范圍的控制等。研究解決上述問題的技術控制參數,并研究采用什么方法達到目的,現以表示
      鐵水熔煉質量控制:
      鐵水純度的控制:

      1、元素氧化燒損的氧化物夾雜物。
      2、熔解氧產生的熔煉性氣孔。
      3、硫含量的控制,防止硫含量的共晶產生。
      4、磷含量的控制,防止磷含量的共晶產生。
      5、限制微量元素含量在干擾量以下

      鐵水熔煉過程控制

      1、鐵水氧化的控制
      2、消除石墨遺傳性,獲得良好的石墨狀態。
      3、控制化學成分的波動范圍,獲得準確的化學成分。
      4、鐵水熔煉溫度的控制。
      5、最佳熔煉方法的選擇和相應的設備系統

      (一)鐵水的控制
      1、元素燒損及氧化物夾雜
      鐵水中的硅、錳元素的氧化燒損,是通過爐氣中的氧和二氧化碳吸附于鐵滴表面后熔入鐵水中。此時熔解氧為原子態。首先與鐵原子反應生成氧化亞鐵。由于硅、錳與氧的親和力大于原子。硅、錳原子將生鐵原子從氧化七亞鐵中還原出來,自身被氧化形成硅、錳氧化物夾雜。眾所周知:鐵水的氧化只要產生熔化帶,由于空氣中的氧在氧化帶已基本燃燒光,形成二氧化碳。故鐵水在熔化帶被氧化的氧原子主要由二氧化碳提供,減少熔化帶的二氧化碳量就能控制鐵水在熔化帶被氧化。由于二氧化碳遇紅熱焦炭被還原,是吸熱反應。故提高還原帶的爐氣溫度可減少爐氣中二氧化碳的含量。減少硅、錳燒損。故熱風沖天爐能有效控制元素氧化燒損。
      2、鐵水氧化形成氣孔的產生與控制
      沖天爐鐵水中的溶解氧。一部分如上述,與鐵水中硅、錳反應生產氧化物夾雜。
      a、一部分熔解氧在石墨表面附著,氧化石墨生成一氧化碳氣。即(C)石墨+[O]={CO}
      b、當生成的氧化亞鐵于鐵水的碳接觸時,碳還原氧化亞鐵,也是生成一氧化碳氣孔。(FeO)+(C)={CO}+Fe 高溫鐵水有利于氣泡上浮去除,這樣熔煉過程中鐵水氧化生成的氣孔叫熔煉性氣孔,其特點時呈細小、均勻的分布于鑄件的斷面。
      3、鐵水含硫量的控制
      在沖天爐熔的過程中,焦炭中的硫將有60%進入鐵水中,如何控制硫進入鐵水,是沖天爐煉質量控制的重要任務之一。
      首先了解硫進入鐵水的過程,才能找到控制鐵水增硫的途徑。焦炭在風口區燃燒達到高溫時,焦炭中的硫呈氣體狀逸出,在風口區與氧化反應生成二氧化硫(SO2)氣體。隨著爐氣上升,與鐵料產生增硫途徑有二;
      a:當二氧化硫與尚沒氧化的結晶金屬爐料表面或鐵滴表面吸附對,產生增硫反應:3[Fe+SO2]=(FeS)+2(FeO)+Δ(F2)...(1)
      b:對于已氧化的金屬的爐料表面,有如下反應:10(FeO)+SO2=(FeS)+3Fe3O4+ΔF...(2)
      式中的氧化亞鐵包括上式反應生成的爐渣中的。以上兩個放熱反應在沖天爐條件下都可以進行,但反應式(2)順向性比(1)大,故在金屬表面氧化嚴重時,增硫劇烈,試驗表明。金屬爐料的滲硫深度可達1——3mm.當鐵料原始含硫量為0.082%時,增層內硫量可達0.45%之多。由此可知,清除金屬爐料的鐵銹。可減少增硫。在沖天爐熔煉過程中能夠創造條件脫磷呢?據脫硫的三大條件,即高溫,高堿度,低氧化性。在熱風水冷沖天爐熔煉過程中,由于高溫,鐵水氧化性低、無爐襯、可造堿性渣。當鐵水在1500-1550攝氏度。平均1530攝氏度。爐渣堿度控制在1.7——2.3時,可穩定地將鐵水的含硫量降到0.04%。在包中輔以脫硫措施或采用爐前連續脫硫。就可將硫控制在0.02——0.03%。充分滿足球鐵生產和轉爐高級鋼的需要。
      4、鐵水中磷的控制
      一般在沖天爐熔煉過程中磷基本上無大變化,磷量的控制主要從金屬的爐料控制
      5、微量干擾元素、
      在熔煉過程中,高溫有利于低熔點干擾元素的氧化、燒損。其含量相應的減少。但控制主要從金屬爐料的選擇解決之一。
      (二)鐵水熔煉過程因素的控制
      鑄鐵與鋼之所以不同,是因為有了石墨的存在,對石墨形態的控制,就是鑄鐵熔煉過程控制關鍵之一。同時在熔煉過程中必須保證獲得各種基體組織的成分要求。也就是化學成分波動范圍的控制,也需要保證在滿足機械性能的提前下,獲得良好的加工性能等等。
      1、石墨形態的控制
      不同的石墨形態。可以得到不同性能的鑄鐵。各種不同目的鑄鐵均有一個共同的要求。即石墨應該是細小的、均勻的。對孕育鑄鐵的石墨則應是短而鈍頭的。對球墨鑄鐵來說,石墨應該是圓整的。我國鑄鐵生產的原料有新生鐵(鑄造生鐵)、回爐料、廢鋼等,新生鐵有大量的粗大過晶石墨和共晶石墨。回爐料以共晶石墨為主,也存在少量的過晶石墨。因此,在熔煉過程中,要保證得到上述要求的。
      石墨狀態,首先就必須將粗大的過共晶石墨和共晶溶解到結晶臨界半徑以下,在重新結晶的條件下 ,才能得到上述要求的石墨形態。這就是消除石墨遺傳性。只要存在原始石墨。在隨后的重新結晶時,碳原子就會在原始石墨上生長造成石墨的大小不均勻及尖頭石墨。石墨尖頭會造成尖端虛力集中,在應力作用下尖端裂口延伸以致斷裂。降低另件使用的可靠性和安全性。
      根據世界各國的研究,粗大的過共晶石墨在鐵水溫度達到1500攝氏度,并保持6——9秒鐘可以熔化到結晶臨界半徑以下。只有這樣的熔煉條件下,生產的高牌號孕育鑄鐵或球墨鑄鐵的質量是可靠的。故生產孕育鑄鐵,石墨鑄鐵對鐵水的熔煉溫度是有要求的。其鐵水的熔煉溫度應控制在1500攝氏度以上,最高不超過1500攝氏度,以1500攝氏度為最佳。
      2、鑄鐵熔煉方法的選擇
      不同的鑄鐵熔煉方法,具有不同的熔煉條件。其熔煉的鐵水澆出的鑄件性能也差異,德國人Gopatv.Panchathanv在1978年曾經做過沖天爐、回轉爐、電爐熔煉的鐵水性能對此試驗。發現沖天爐熔煉的鐵水鑄件相對強度高,使用性能好,相對硬度低,加工性能好。而電爐熔煉的鐵水相對強度低,使用性能差,相對硬度高,加工性能較差 。回轉爐居中。二汽陳勉已總工在九華山鑄造學會年會上介紹:要得到好的汽車鑄件,采用沖天爐熔煉鐵水最佳,大家都知道,二汽是采用電爐熔煉的,為什么沖天爐的鐵水優于電爐呢?沖天爐熔煉過程中是熔化帶熔化的鐵滴是在焦炭表面滾動下落的,造成了鐵水微觀增碳的不均勻性,故結晶冷度較小,結晶晶粒細化,不易產生白口,而電爐熔煉鐵水是在隔絕碳的情況下進行的,同時造成碳原子分布均勻化。使其結晶過冷度增大,使鑄件表面白口傾向增加,據國外統計相對沖天爐鑄件其加工刀具磨損率增加35%,加工時增加45%,增加了機械成本。
      3、化學成分波動范圍的控制
      在一般有爐襯冷沖天爐中,隨著熔煉時間的延長,爐襯的燒損,爐徑的不斷擴大,入補焦不及時,量不準確,將造成低焦頂面波動增大。不僅溫度降低,鐵水氧化燒損增加,同時增大了化學成分的波動范圍 ,要控制碳的波動在+-0.10%是有困難的。如采用熱風冷水無襯沖天爐,熔化過程中爐襯穩定不變,消除了上述問題。化學成分波動范圍能得到穩定的控制,從而保證各種鑄件牌號的準確生產。
      4、鐵水的最佳熔煉溫度控制
      綜上所述,保證鐵水的內在質量的熔煉,溫度應在1500攝氏度,在該溫度鐵水氧化物夾雜。氣孔最低抑止增硫消除石墨遺傳性,穩定化學成分波動范圍均能得到保證。如果超過1500攝氏度,將增加鐵水的結晶過冷度,對使用性能不利,故從鐵水內在質量分析,鐵水的熔煉溫度范圍應是1500——1550攝氏度,最佳溫度是1530攝氏度。
      三、鑄鐵生產工藝過程參數
      在鑄鐵生產過程中,各種不同的鑄鐵都有不同的工藝參數要求,現分述如下:
      (一)孕育鑄鐵的生產工藝過程參數要求
      孕育鑄鐵要求得到細小的,短而均勻,鈍頭的石墨,保證其同一斷面的性能齊一性和不同斷面性能均勻性。其生產工藝的參數如下:
      1、鐵水熔煉溫度1500——1550攝氏度。穩定1530攝氏度最佳。以保證獲得鐵水的高純度,消除石墨的遺傳性,經孕育處理得到細小的,均勻的,短而鈍頭的石墨形態。
      2、孕育處理溫度 ,應保證在孕育處理過程中,使孕育劑迅速熔解于鐵水中,并在微觀中存在濃度差,保證在隨后的冷卻凝固的結晶過程中形成足夠多的結晶核心,一般處理應控制在1450攝氏度左右為佳。
      3、澆注溫度,一般據鑄件壁厚確定以汽車鑄件為例,據鑄件壁厚形狀不同,一般在1400——1440攝氏度范圍內。
      綜上所述,為保證孕育處理溫度,前爐出鐵溫度不得低于1450攝氏度,如以5T沖天爐為例,前爐處鐵三包后,鐵水前爐降溫穩定在500攝氏度左右,則鐵水過橋溫度應在1500攝氏度以上,才能保證隨后的處理參數,這與熔煉控制的溫度是一致的。
      4、典型證例分析:
      現在德國奔馳汽車汽缸檢驗項目及性能分析表說明:在14項項目中,從8項到14項共6項是屬熔煉過程應控制參數,而從1到7項和11項,主要是成分配比確定。但熔煉過程有相當大的影響作用,如果熔煉過程控制不能滿足8到14項相應要求是不可能得到1到7項的結果。原理前面已說明,由此可知,鑄鐵熔煉過程參數,嚴格控制,是保證鑄件內在質量的關鍵。
      (二)、球墨鑄鐵生產工藝過程參數要求
      球墨鑄鐵的生產,目的是要求得到細小的,圓整的,均勻的球狀石墨。
      1、鐵水的熔煉溫度
      a、要得到細小的、圓整的、均勻的石墨形態。首先得將過共晶石墨溶解到臨界半徑以下。熔煉溫度高于1500攝氏度以上。
      b、要得到更好的延伸率和強度性能。必須使晶粒邊界上氧化物夾雜,熔煉性氣孔最少,據前所述相應的熔煉溫度應在1500攝氏度以上。
      C、控制硫含量在0.03——0.02%,控制焦炭加入量,控制氧化帶以上的二氧化碳量以減少焦炭中硫進入量。其熔煉溫度應大于1500攝氏度。溫度愈高,控制效果愈好。在1530攝氏度最佳。如果采用高科技的熱風冷水沖天爐,有高的熔煉溫度、低的氧化性氣氧,在無爐襯操作,同時將爐渣的堿度控制到1.7——2.3.可爐內脫硫,使硫量降到0.04%左右。此時只需要在爐前簡單的連續脫硫裝置或采用包內脫硫方法即可穩定地控制硫含量在0.02——0.03%最佳值范圍內,節約球化劑穩定球鐵生產得到高質量的球墨鑄鐵。
      綜上所述,球鐵鐵水的熔煉溫度應高于1500攝氏度穩定在1530攝氏度左右最佳,不超1550攝氏度。
      2、球化處理溫度
      合適的球化處理溫度,應保證球化劑充分作用,比重比鐵徑的氧化物夾雜和氣體能充分上浮渣,其適合的處理溫度國際國內均在1400攝氏度,過高球化劑損失過大,過高不利于氧化物夾渣和氣上浮。
      3、孕育劑加入溫度
      一般結合具體鑄件的澆注溫度確定。但必須控制孕育劑粒度和澆注溫度的配采用瞬時孕育的方法最好,綜上述,球墨鑄鐵鐵水過橋溫度應控制在1500攝氏度以上,以1500攝氏度最佳。
      四、鑄件熔煉設備的最佳選擇
      綜上所述,在各種熔煉設備中,以熱風沖天爐為佳,現分別介紹如下:
      (一)、熱風沖天爐的綜合優勢
      1、鐵水熔煉質量高:以典型鑄件發動機缸蓋為例,可穩定控制廢品率在5%以下。國內為2——3%
      2、生產效率高:一次點火開爐,可連續熔煉3個月以上。適應現代大規模生產的需要,國外100——120T/h的熱風沖天爐正在發展。
      3、高節能:由于一次點火可連續工作3個月,與普通沖天爐相比節省大量的底焦,以及采用了自然外熱式熱風,回收大量的熱能,故可綜合節能50%
      4、低成本 :據上所述,不僅回收大量的熱能,節省焦炭,還節約了大量的耐火材料,減少鐵合金的燒損,不計廢品率。

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