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炉前铁水分析仪在提高铸铁质量方面的作用

    炉前铁水分析仪铁水质量的热分析技术源于金属学中的相图理论,在发达国家早已广泛用于炉前铁水的检测和控制,是先进铸造技术中不可缺少的检测手段,在高质量铸件的生产中发挥着重要的作用。 
    为了使大家能够掌握热分析技术的优势,正确使用热分析解决生产中具体的质量问题,普遍提高我国的铸件材质水平和参与国际市场竞争的能力。在此依个人之浅见就热分析技术在提高铸铁质量方面的作用,向大家做一个介绍。 

一. 热分析测量的原理 

   对铁水质量进行热分析时取铁水浇入样杯,在样杯特定的散热条件下,炉前碳硅分析仪首先记录下样杯内铁水的凝固温度曲线。

   通过对凝固温度曲线的解析,找出铁水凝固过程的各种相变特征参数。将相变特征参数值带入与凝固组织建立的数学模型后,即可以计算出决定铁水凝固组织的重要控制参数。

   以白口化铁水的凝固过程(上图中的红色曲线)为例,说明凝固温度曲线与相图的对应关系:取原铁水浇入加有强制白口化成分的样杯。炉前碳硅分析仪记录了样杯内白口化铁水的凝固温度曲线。

   凝固温度曲线的**个平台是铁水降温到液相线时,生成的固体相释放结晶潜热,维持样杯散热产生的恒温平台。我们将这个平台温度称做:初晶温度(TL)。随后铁水进行的是选择结晶过程,选择结晶中释放的结晶潜热不足以维持样杯的散热,温度曲线呈缓慢下降的趋势。选择结晶剩余的铁水到达共晶成份时,开始共晶凝固。剩余铁水在共晶凝固中释放出大量的结晶潜热,直至全部铁水完全凝固,维持了一个更长的的恒温平台。我们称这个温度平台为:共晶温度(TE)。以上就是白口化铁水的凝固温度曲线与相图的对应关系。

   我们通过分析铁水的凝固温度曲线,就可以捕捉到相变温度特征值。将相变温度值与铁水中的活性成分含量或特定的凝固组织建立起数学关系,即可计算出与相变温度对应的活性成分含量或特定的凝固组织。 

   对孕育后的亚共晶铁水进行温度、成分的保持,按一定的时间间隔取样获取凝固温度曲线,对照三角试片白口宽度的变化说明凝固温度曲线与铁水中型核物质,与铸铁凝固组织的对应关系。 

   取铁水同时浇注三角试片和热分析样杯。铁水凝固温度曲线从石墨化共晶温度曲线向白口化共晶温度曲线依次过渡,出现白口化共晶温度曲线以后共晶温度就不再随过热时间变化了。三角试片上的白口宽度也随过热时间的延长逐渐增大,直至出现全白口截面。铁水中的型核物质充分时,铁水进行的是石墨化共晶凝固,开始共晶凝固的时间早、开始共晶凝固的温度高。 

   随着铁水过热时间的延长,铁水中的型核物质在逐渐消融。铁水开始共晶凝固的时间向后推迟,开共晶凝固的温度也逐渐降低,伴随着共晶过冷和再辉现象的发生。 

   当铁水中的型核物质全部熔解后,铁水进行的是白口化共晶凝固,没有共晶过冷和再辉现象发生。开始共晶凝固的时间*晚、开始共晶凝固的温度*低。凝固组织中的C完全以Fe3C的形态存在。 

  这就是热分析通过铁水共晶凝固的过冷和再辉现象,量化的测量铁水中型核物质的方法。 
二.热分析的铁水质量检测功能 

   铸铁件的材质质量标准,是以材质的性能和组织为交货验收条件。贯穿着铸铁生产的各个环节,化学成分、冷却速度、核心数量与组织结构和机械性能的关系,在铸铁材质验收标准中规定的性能实验指标,是常温条件下检查力学性能的结果。因此在常温下铸铁的性能与组织具有唯壹的相关关系。 

   铸铁的组织由铁水的化学成份、冷却速度、核心数量这三大要素决定。变换这三大要素的量值可以获得各种不同的铸铁组织、获得人们需要的材质性能。在生产中通过改变这三大要素的量值,可获得以下不同的铸铁材料: 

   高氧含量(30~40 PPM)的亚共晶成分、充分的核心数量、低冷却速度条件下产生的是灰口铸铁。 

   低氧含量(6~8 PPM)的近共晶成分、充分的核心数量、低冷却速度条件下产生的是球墨铸铁。 

   中氧含量(10~20 PPM)的近共晶成分、贫乏的核心数量、低冷却速度条件下产生的是蠕墨铸铁。 
三.热分析在灰铁质量控制中的作用 

1.灰铁的强度 

   铁水浇入铸型后在铸型激冷和散热降温到初晶温度时,首先背向铸型或核心长出初生奥氏体晶芽。在随后散热降温的选择结晶中,初生奥氏体晶芽逐渐长成树枝状的初生奥氏体枝晶。铁水降温到共晶温度时,选择结晶剩余的铁水到达共晶成份,在初生奥氏体枝晶的余留空间同时生成次生奥氏体和片状石墨。直至灰铁的凝固组织全部形成。

   在灰铁凝固组织从共晶温度下降到共析温度区间,初生奥氏体和次生奥氏体都将其中过饱和的碳析出到片状石墨。温度下降到共析温度以下时,凝固组织中的初生奥氏体和次生奥氏体将全部转化成珠光体,片状石墨被保留下来。片状石墨在灰铁组织中的作用相当于片状空隙,对珠光体的肌体组织起着割裂的作用。 
   灰铁组织中*初生成的初生奥氏体枝晶中没有片状石墨,片状石墨只与次生奥氏体在共晶凝固时同时生成,因此片状石墨对初生奥氏体枝晶形成的肌体没有割裂作用,只对次生奥氏体形成的肌体有割裂作用。所以由初生奥氏体枝晶构成的骨架决定了灰铁材料的强度。 

   灰铁材料受外力破断时,其裂纹的走向是沿着片状石墨的取向延伸的。裂纹从一个片状石墨裂向下一个片状石墨时,中间起抵抗作用的是由初生奥氏体枝晶完成共析转变后形成的珠光体组织。因此灰铁材料的强度取决于初生奥氏体枝晶【γ1】的生成量和发达程度,初生奥氏体枝晶越发达,灰铁材料的强度越高。  

   而热分析测量的活性碳当量(CE)和活性硅当量(SiE)决定了铁水的初生奥氏体生成量【γ1】。铁水的活性碳当量(CE)越低、活性硅当量(SiE)越低,生成初生奥氏体【γ1】的量越大,奥氏体枝晶越发达,灰铁材料的强度越高。 

2.灰铁的白口风险度 

   铁水的活性碳当量(CE)越低,凝固时的初晶温度就越高,与铸型和环境的温度差越大,激冷凝固组织的降温速度越大。降温速度达到一定程度时即产生了由Fe3C组成的白口组织。由于铸件的边角处降温速度*大,因此在铸件的边角处经常产生白口组织。 

   热分析可以预测铁水的白口风险度,保证铸件良好的加工性能。进而可以使铸件用户稳定机加工刀具的磨损量,提高自动加工机床的加工精度。 

3.灰铁的缩孔风险度 

   灰铁的凝固从外壳开始,当浇、冒口的补缩通道凝固以后,封闭外壳内铁水降温产生的体积收缩将得不到补充。由于封闭外壳内部的铁水可以在枝晶间流动,因此从初晶到过冷点降温产生的体积收缩将造成铸件内部的集中缩孔。 

   也就是说:CE值越低、初晶温度越高,从初晶到过冷点的温度差越大,降温产生的体积收缩越大,铸件中产生集中缩孔的风险度越大。

  

4.型壁移动的风险度 
   灰铁在共晶凝固阶段将有石墨产生。原本以间隙形式存在的碳不占据空间体积,但生成石墨以后将占据一定的空间体积,由此产生了石墨化膨胀。 

   由过冷点到再辉点的温度差越大,再辉段的石墨生成量【S1】越大,集中产生石墨造成的体积膨胀越大,产生型壁移动的风险度越高。 

   减小型壁移动风险度的方法是:加强铁水的孕育措施,减小铁水共晶凝固的过冷度。减少再辉段的石墨生成量【S1】,加大再辉后的石墨生成量【S2】,使共晶凝固的石墨化膨胀和共晶阶段的体积收缩同时进行,用石墨化膨胀来填充共晶降温产生的体积收缩。既可以减小型壁移动的风险度,又可以减小缩松的风险度。 

5.灰铁的缩松风险度 

   灰铁凝固的外壳内,当初生奥氏体和次生奥氏体的凝固连续起来以后,剩余的共晶铁水被封闭在各个局部的空间内。局部空间内的降温体积收缩将造成铸件的缩松缺陷。 

   减小缩松风险的方法与减小型壁移动风险的方法是一致的,减小型壁移动风险度的同时即减小了缩松的风险度。问题的关键是要使用热分析测量和动态孕育技术,测量出再辉段的石墨生成量【S1】和再辉后的石墨生成量【S2】,计算出补充喂入孕育丝的**量,才能将型壁移动的风险度和缩松的风险度*小化。 

6.灰铁的反白口风险度 

   当铁水中含有低熔点的残余成份时,铁水根据选择结晶原理首先进行高熔点成分的凝固,将这些低熔点的成分排挤到铸件的心部*后凝固。这些低熔点的成分大多是些白口化元素,因此会在铸件的心部产生反白口组织。 

   通过热分析测量出铁水存在的反白口风险度,再用光谱仪分析出反白口成分的种类,就可以通过加入已知反白口成分含量较低的铁料,稀释反白口成分的含量,即可以阻止反白口缺陷的发生。 

四.热分析在球铁质量控制中的作用 

   在球铁生产中经常出现球化剂、孕育剂的成分含量、加入量一致,球化铁水量和球化温度一致,而获得的球化率确有着很大的差别,有时甚至发生球化失败的质量事故。这是为什么呢? 

   其主要原因是:我们对铁水中的硫含量和活性氧含量不掌握。当原铁水中的硫含量和活性氧含量发生变化时,球化加入的镁首先与铁水中的硫和活性氧发生反应,剩余的镁才对铁水的球化发挥作用。 

   当原铁水中的硫含量和活性氧含量高时,固定的球化剂加入量会使球化后剩余的镁含量偏低,因此发生了球化不佳的质量事故。当原铁水中的硫含量和活性氧含量低时,固定的球化剂加入量会使球化后剩余的镁含量过高。虽然保证了球化质量,但每次球化都造成了球化剂的浪费,更重要的问题是:还会发生反白口质量缺陷。 

   原铁水中硫和活性氧的具体含量,采用动态法确定球化剂的**加入量。用热分析结果控制喂丝机,保证残余镁含量的**控制,才能保证高质量、低消耗、稳定化的球铁生产。

1.原铁水共晶度的控制 
   亚共晶铁水首先凝固出来的是初生奥氏体枝晶,初生奥氏体枝晶中没有石墨存在。因此使用远离共晶点的亚共晶铁水生产出来的球铁,石墨球少、球化率低、石墨球分布不均匀。同时发生缩孔的风险度较高。 

   过共晶铁水首先析出的是石墨,即凝固从石墨化漂浮开始。同时造成铁水的流动性差,发生冷隔的风险度升高。而且还会使共晶凝固时的碳含量减少,石墨化膨胀减少,缩松的风险度增大。

   理想的球铁原铁水应该是在球化和孕育处理后,以共晶或微亚共晶状态进行的凝固。是保证高球化率、高球墨数量、无冷隔缺陷、低缩孔风险度、低缩松风险度的前提条件。 

   通过热分析测量和控制铁水的活性碳当量(CE)和活性硅当量(SiE),可以获得满意的球铁原铁水共晶度。 

2.原铁水活性氧含量和硫含量的测量 

   采用热分析的方法测量铁水中的活性氧含量。区别于光谱或化学分析方法中包含了已经形成氧化物(SiO2、MgO、Al2O3等)的全氧量。

   在铁水中S与Mn反应生成MnS,所以热分析测不到活性硫。而在球化反应时MnS遇到Mg,又将S还原出来生成MgS和Mn,消耗掉一定的活性镁。因此在炉前测量硫含量应该采用光谱分析的方法,测量出硫的全量。 

   只有使用活性氧含量和硫全量的测量结果,才能准确的动态匹配球化剂的加入量。 
  
3.原铁水过冷度的控制 

   球铁生产时通过孕育处理来保证其中的球化率。如果原铁水已经过热成没有型核物质的死铁水,无论采用什么孕育剂也不能获得高质量球铁。因此球铁生产要求原铁水具有一定的型核能力。通过热分析测量原铁水的过冷度,可以测量出铁水的型核能力。 

   当原铁水的过冷度偏低时,可通过向电炉中加入一、两块回炉料来进行激冷型核,以改善原铁水的型核能力。出铁时向球化包中加少量的高质量增碳剂,也可以改善原铁水的型核能力。还可以使球铁的石墨球数提高约10%。

4.原铁水反白口成分的控制 

   球化铁水在凝固的选择结晶中,必然有一部分残余镁会排挤到铸件心部。如果原铁水的反白口成份不能控制在一定的低水平,球化后再增加残余镁的作用必然会在铸件的心部产生反白口组织。 

   通过热分析测量出原铁水的反白口风险度,通过加入已知反白口成分含量较低的材料稀释原铁水,为残余镁在铸件心部聚集作好预留,就可以降低球化后铁水发生反白口缺陷的风险度。 

5.球化包和球化剂的掩埋 

   球化剂被铁水加热以后首先汽化成镁蒸气,镁蒸气在铁水中的上浮过程中被铁水吸收。要保证球化剂稳定的收得率,首先要求铁水具有一定的高度。因此球化使用的铁水包要有1.2~1.5的高径比。 

   在球化剂的掩埋问题上,应以铁水接收到球化包2/3高度以后,球化剂才能被加热汽化为准。 

   即便使用普通的铁水包,也不能用接过灰铁铁水的浇包来进行球化处理。因为灰铁的残渣和渗透到包衬内的硫会影响到球化剂的收得率。

6.球化铁水量和残余镁含量的控制 
   为了保证铁水球化的质量,不仅要**定量球化剂的加入量,还要**定量球化铁水的量。因此定量出铁是高质量球铁生产的必要装备。使用天车吊包出铁的工厂应选用具有耐热功能数显式吊钩秤。使用叉车出铁的工厂可以选用数显式叉车秤。 

   铁水球化完成后,取样进行活性镁含量的热分析测量。发现活性镁含量不足时,按热分析结果计算镁包芯线补充量,启动喂丝机定量补足活性镁的含量。

7.过冷度和缩松风险度控制 

   对球化后铁水的热分析还可以测量出再辉段石墨生成量【S1】、再辉后的石墨生成量【S2】和缩松风险度。通过控制【S1】和【S2】的比例,可以由石墨化膨胀来填充共晶凝固时的体积收缩,从而降低球铁的缩松风险度。 

   当发现【S1】和【S2】的比例不符合要求、缩松风险度过高时,按热分析结果计算孕育剂芯线补充量,启动喂丝机定量补足铁水的型核能力,以降低缩松风险度。控制水平提高以后,还可以采用无冒口铸造工艺生产球铁铸件。 

8.球化铁水的反白口倾向测量 

   通过热分析还可以测量出球化铁水的反白口风险度。当发现球化铁水的反白口风险度较高时,应在浇注温度许可的范围内增加铁水的静置时间,使活性镁含量烧损降低。或改浇薄壁球铁件,用消弱选择结晶过程的方法降低反白口的风险度。 

五.热分析在蠕铁质量控制中的作用 

   蠕铁生产的难度在于对铁水中核心数量和活性镁含量的检测和控制。多加入0.008% 的孕育剂,就能使凝固组织中的球化率从3%增加到21%,多加入0.001%的镁,凝固组织中分散的片状石墨斑就能完全转变成蠕状石墨。因此蠕铁生产不能向生产灰铁和球铁那样采用过量处理方法。 

   从上图可见:蠕铁质量稳定区的活性镁范围在(0.008~0.016%),超过了就会使球墨的比例迅速增加。而且铁水中的活性镁会随着时间的延长逐渐氧化,因此蠕铁开始浇注时的活性镁含量,必须离蠕铁到灰铁的急转点有足够的距离。才能保证在浇注时间范围内,*后浇铸的部件不出现片状石墨。 
   铁水中的型核物质随着时间的延长会逐渐熔解消失,也就是常说的孕育衰退。而且铁水温度越高,衰退的速度越快。 

   因此铁水中核心数量的控制,首先要在出铁前对原铁水的过冷度进行测量,了解原铁水中遗传下来的核心数量。再针对具体产品的蠕化时间、铁水输送时间、浇注时间、凝固时间来确定孕育剂的加入量。仅此才能保证铁水在凝固时刻的蠕化核型数量。 

1.原铁水共晶度的控制 

   理想的蠕铁原铁水与球铁原铁水的共晶度要求是一致的,在蠕化后应以共晶或微亚共晶状态进行凝固。是保证高蠕化率、低缩孔风险度、低缩松风险度的前提条件。 

   通过热分析测量和控制原铁水的活性碳当量(CE)和活性硅当量(SiE),可以获得满意的蠕铁原铁水共晶度。

2.原铁水活性氧含量和全硫含量的测量 

   出铁前用热分析方法测量原铁水中的活性氧含量。将光谱分析法测量的全硫含量输入到炉前碳硅分析仪中。炉前碳硅分析仪根据具体产品开始浇注时铁水中的活性镁含量值、蠕化剂的镁含量、蠕化和浇注前的镁烧损率等,计算出动态匹配蠕化剂的加入量。 

3.原铁水过冷度的测量 

   出铁前通过热分析测量铁水的过冷度值,可以测量出原铁水的型核能力。 
   炉前铁水分析仪根据凝固时刻的蠕化核型数量,具体产品的蠕化时间、铁水输送时间、浇注时间、凝固时间等计算出动态匹配的孕育剂的加入量。 

4.蠕化包和蠕化剂的掩埋 

   蠕化剂也是被铁水加热以后汽化成镁蒸气,在上浮的过程中被铁水吸收。要保证蠕化剂稳定的收得率,也要求铁水具有一定的高度。因此蠕化使用的铁水包要有一定的高径比。

   在蠕化剂的掩埋问题上,应以铁水接收到蠕化包2/3高度以后,蠕化剂才能被加热汽化为准。 

   即便使用普通的铁水包,也同样不能用接过灰铁铁水的浇包来进行蠕化处理。因为灰铁的残渣和渗透到包衬内的硫会影响到蠕化剂的收得率。

5.蠕化铁水量的控制 

   为了保证铁水的蠕化质量,不仅要**定量蠕化剂的加入量,也要**定量蠕化铁水的量。因此定量出铁是高质量蠕铁生产的必要装备。使用天车吊包出铁的工厂应选用具有耐高温功能的数显式吊钩秤。使用叉车出铁的工厂要选用数显式叉车秤。 

6.活性镁含量与核心量的控制 

   铁水蠕化完成后,取样进行活性镁含量和过冷度的热分析测量。 

   发现活性镁含量过高或核心量过多时,应在浇注温度许可的范围内增加铁水的静置时间,使活性镁含量烧损降低、使铁水的型核能力衰退减少。 

   发现活性镁含量或核心量不足时,按炉前铁水分析仪的测量结果计算镁包芯线补充量或孕育剂芯线补充量,启动喂丝机定量补足活性镁和铁水的核心量。 

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