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如何得到最佳铸件内在质量


  如何得到最佳铸件内在质量
  一、概述
  (一)、解析铸件生产的全过程,其核心环节是熔炼合格的铁水,注到合格的铸型中成形。合格的铸型主要保证铸件的形状和尺寸精度。合格的铁水内在质量。是保证铸件使用性能保证使用寿命,使用的可靠性。故铁水的熔炼质量是铸造生产过程中的重要环节。
  (二)、铸造行业,是一个跨冶金和机械,涉及专业面非常广泛的行业,影响因素非常多,生产过程控制难度非常大,稳定生产质量,除严禁控制进料外,实现生产过程自动化,最大限度排除人为因素的干扰,用设备系统保证工艺过程的质量和稳定性,已是我国当前提高生产质量,提高生产效率、降低成本的有效措施。
  (三)、随社会的发展和进步。人们环保意识的提高,对环保的要求也愈来愈高,应有相应的环保措施,以达到相应的环保要求。
  (四)、在生产过程中,如何充分利用能源,也是我们当前的重要任务之一。
  二、铸件内在质量的控制技术参数分析
  铸造是一个古老而新兴的行业。也是机械行业重要基础件行业。决定机械设备的使用寿命和使用可靠性。通过数千年的生产实践积累、科学研究。从宏观认识深入到微观理论,有了巨大的发展。不断揭示铸件生产过程中。稳定完成技术参数的控制,就可保证铸件的使用性能。从而保证机械设备的使用寿命。使用的可靠性,要生产高质量的铸件。首先就需要研究影响铸铁性能的因素,也就是如何提高熔炼铁水的纯净度。如何获得好的熔炼石墨状态、化学成分波动范围的控制等。研究解决上述问题的技术控制参数,并研究采用什么方法达到目的,现以表示
  铁水熔炼质量控制:
  铁水纯度的控制:

  1、元素氧化烧损的氧化物夹杂物。
  2、熔解氧产生的熔炼性气孔。
  3、硫含量的控制,防止硫含量的共晶产生。
  4、磷含量的控制,防止磷含量的共晶产生。
  5、限制微量元素含量在干扰量以下

  铁水熔炼过程控制

  1、铁水氧化的控制
  2、消除石墨遗传性,获得良好的石墨状态。
  3、控制化学成分的波动范围,获得准确的化学成分。
  4、铁水熔炼温度的控制。
  5、最佳熔炼方法的选择和相应的设备系统

  (一)铁水的控制
  1、元素烧损及氧化物夹杂
  铁水中的硅、锰元素的氧化烧损,是通过炉气中的氧和二氧化碳吸附于铁滴表面后熔入铁水中。此时熔解氧为原子态。首先与铁原子反应生成氧化亚铁。由于硅、锰与氧的亲和力大于原子。硅、锰原子将生铁原子从氧化七亚铁中还原出来,自身被氧化形成硅、锰氧化物夹杂。众所周知:铁水的氧化只要产生熔化带,由于空气中的氧在氧化带已基本燃烧光,形成二氧化碳。故铁水在熔化带被氧化的氧原子主要由二氧化碳提供,减少熔化带的二氧化碳量就能控制铁水在熔化带被氧化。由于二氧化碳遇红热焦炭被还原,是吸热反应。故提高还原带的炉气温度可减少炉气中二氧化碳的含量。减少硅、锰烧损。故热风冲天炉能有效控制元素氧化烧损。
  2、铁水氧化形成气孔的产生与控制
  冲天炉铁水中的溶解氧。一部分如上述,与铁水中硅、锰反应生产氧化物夹杂。
  a、一部分熔解氧在石墨表面附着,氧化石墨生成一氧化碳气。即(C)石墨+[O]={CO}
  b、当生成的氧化亚铁于铁水的碳接触时,碳还原氧化亚铁,也是生成一氧化碳气孔。(FeO)+(C)={CO}+Fe 高温铁水有利于气泡上浮去除,这样熔炼过程中铁水氧化生成的气孔叫熔炼性气孔,其特点时呈细小、均匀的分布于铸件的断面。
  3、铁水含硫量的控制
  在冲天炉熔的过程中,焦炭中的硫将有60%进入铁水中,如何控制硫进入铁水,是冲天炉炼质量控制的重要任务之一。
  首先了解硫进入铁水的过程,才能找到控制铁水增硫的途径。焦炭在风口区燃烧达到高温时,焦炭中的硫呈气体状逸出,在风口区与氧化反应生成二氧化硫(SO2)气体。随着炉气上升,与铁料产生增硫途径有二;
a:当二氧化硫与尚没氧化的结晶金属炉料表面或铁滴表面吸附对,产生增硫反应:3[Fe+SO2]=(FeS)+2(FeO)+Δ(F2)...(1)
b:对于已氧化的金属的炉料表面,有如下反应:10(FeO)+SO2=(FeS)+3Fe3O4+ΔF...(2)
式中的氧化亚铁包括上式反应生成的炉渣中的。以上两个放热反应在冲天炉条件下都可以进行,但反应式(2)顺向性比(1)大,故在金属表面氧化严重时,增硫剧烈,试验表明。金属炉料的渗硫深度可达1——3mm.当铁料原始含硫量为0.082%时,增层内硫量可达0.45%之多。由此可知,清除金属炉料的铁锈。可减少增硫。在冲天炉熔炼过程中能够创造条件脱磷呢?据脱硫的三大条件,即高温,高碱度,低氧化性。在热风水冷冲天炉熔炼过程中,由于高温,铁水氧化性低、无炉衬、可造碱性渣。当铁水在1500-1550摄氏度。平均1530摄氏度。炉渣碱度控制在1.7——2.3时,可稳定地将铁水的含硫量降到0.04%。在包中辅以脱硫措施或采用炉前连续脱硫。就可将硫控制在0.02——0.03%。充分满足球铁生产和转炉高级钢的需要。
  4、铁水中磷的控制
  一般在冲天炉熔炼过程中磷基本上无大变化,磷量的控制主要从金属的炉料控制
  5、微量干扰元素、
  在熔炼过程中,高温有利于低熔点干扰元素的氧化、烧损。其含量相应的减少。但控制主要从金属炉料的选择解决之一。
  (二)铁水熔炼过程因素的控制
  铸铁与钢之所以不同,是因为有了石墨的存在,对石墨形态的控制,就是铸铁熔炼过程控制关键之一。同时在熔炼过程中必须保证获得各种基体组织的成分要求。也就是化学成分波动范围的控制,也需要保证在满足机械性能的提前下,获得良好的加工性能等等。
  1、石墨形态的控制
  不同的石墨形态。可以得到不同性能的铸铁。各种不同目的铸铁均有一个共同的要求。即石墨应该是细小的、均匀的。对孕育铸铁的石墨则应是短而钝头的。对球墨铸铁来说,石墨应该是圆整的。我国铸铁生产的原料有新生铁(铸造生铁)、回炉料、废钢等,新生铁有大量的粗大过晶石墨和共晶石墨。回炉料以共晶石墨为主,也存在少量的过晶石墨。因此,在熔炼过程中,要保证得到上述要求的。
石墨状态,首先就必须将粗大的过共晶石墨和共晶溶解到结晶临界半径以下,在重新结晶的条件下 ,才能得到上述要求的石墨形态。这就是消除石墨遗传性。只要存在原始石墨。在随后的重新结晶时,碳原子就会在原始石墨上生长造成石墨的大小不均匀及尖头石墨。石墨尖头会造成尖端虚力集中,在应力作用下尖端裂口延伸以致断裂。降低另件使用的可靠性和安全性。
根据世界各国的研究,粗大的过共晶石墨在铁水温度达到1500摄氏度,并保持6——9秒钟可以熔化到结晶临界半径以下。只有这样的熔炼条件下,生产的高牌号孕育铸铁或球墨铸铁的质量是可靠的。故生产孕育铸铁,石墨铸铁对铁水的熔炼温度是有要求的。其铁水的熔炼温度应控制在1500摄氏度以上,最高不超过1500摄氏度,以1500摄氏度为最佳。
  2、铸铁熔炼方法的选择
  不同的铸铁熔炼方法,具有不同的熔炼条件。其熔炼的铁水浇出的铸件性能也差异,德国人Gopatv.Panchathanv在1978年曾经做过冲天炉、回转炉、电炉熔炼的铁水性能对此试验。发现冲天炉熔炼的铁水铸件相对强度高,使用性能好,相对硬度低,加工性能好。而电炉熔炼的铁水相对强度低,使用性能差,相对硬度高,加工性能较差 。回转炉居中。二汽陈勉已总工在九华山铸造学会年会上介绍:要得到好的汽车铸件,采用冲天炉熔炼铁水最佳,大家都知道,二汽是采用电炉熔炼的,为什么冲天炉的铁水优于电炉呢?冲天炉熔炼过程中是熔化带熔化的铁滴是在焦炭表面滚动下落的,造成了铁水微观增碳的不均匀性,故结晶冷度较小,结晶晶粒细化,不易产生白口,而电炉熔炼铁水是在隔绝碳的情况下进行的,同时造成碳原子分布均匀化。使其结晶过冷度增大,使铸件表面白口倾向增加,据国外统计相对冲天炉铸件其加工刀具磨损率增加35%,加工时增加45%,增加了机械成本。
  3、化学成分波动范围的控制
  在一般有炉衬冷冲天炉中,随着熔炼时间的延长,炉衬的烧损,炉径的不断扩大,入补焦不及时,量不准确,将造成低焦顶面波动增大。不仅温度降低,铁水氧化烧损增加,同时增大了化学成分的波动范围 ,要控制碳的波动在+-0.10%是有困难的。如采用热风冷水无衬冲天炉,熔化过程中炉衬稳定不变,消除了上述问题。化学成分波动范围能得到稳定的控制,从而保证各种铸件牌号的准确生产。
  4、铁水的最佳熔炼温度控制
  综上所述,保证铁水的内在质量的熔炼,温度应在1500摄氏度,在该温度铁水氧化物夹杂。气孔最低抑止增硫消除石墨遗传性,稳定化学成分波动范围均能得到保证。如果超过1500摄氏度,将增加铁水的结晶过冷度,对使用性能不利,故从铁水内在质量分析,铁水的熔炼温度范围应是1500——1550摄氏度,最佳温度是1530摄氏度。
  三、铸铁生产工艺过程参数
  在铸铁生产过程中,各种不同的铸铁都有不同的工艺参数要求,现分述如下:
  (一)孕育铸铁的生产工艺过程参数要求
  孕育铸铁要求得到细小的,短而均匀,钝头的石墨,保证其同一断面的性能齐一性和不同断面性能均匀性。其生产工艺的参数如下:
  1、铁水熔炼温度1500——1550摄氏度。稳定1530摄氏度最佳。以保证获得铁水的高纯度,消除石墨的遗传性,经孕育处理得到细小的,均匀的,短而钝头的石墨形态。
  2、孕育处理温度 ,应保证在孕育处理过程中,使孕育剂迅速熔解于铁水中,并在微观中存在浓度差,保证在随后的冷却凝固的结晶过程中形成足够多的结晶核心,一般处理应控制在1450摄氏度左右为佳。
  3、浇注温度,一般据铸件壁厚确定以汽车铸件为例,据铸件壁厚形状不同,一般在1400——1440摄氏度范围内。
  综上所述,为保证孕育处理温度,前炉出铁温度不得低于1450摄氏度,如以5T冲天炉为例,前炉处铁三包后,铁水前炉降温稳定在500摄氏度左右,则铁水过桥温度应在1500摄氏度以上,才能保证随后的处理参数,这与熔炼控制的温度是一致的。
  4、典型证例分析:
  现在德国奔驰汽车汽缸检验项目及性能分析表说明:在14项项目中,从8项到14项共6项是属熔炼过程应控制参数,而从1到7项和11项,主要是成分配比确定。但熔炼过程有相当大的影响作用,如果熔炼过程控制不能满足8到14项相应要求是不可能得到1到7项的结果。原理前面已说明,由此可知,铸铁熔炼过程参数,严格控制,是保证铸件内在质量的关键。
  (二)、球墨铸铁生产工艺过程参数要求
  球墨铸铁的生产,目的是要求得到细小的,圆整的,均匀的球状石墨。
  1、铁水的熔炼温度
  a、要得到细小的、圆整的、均匀的石墨形态。首先得将过共晶石墨溶解到临界半径以下。熔炼温度高于1500摄氏度以上。
  b、要得到更好的延伸率和强度性能。必须使晶粒边界上氧化物夹杂,熔炼性气孔最少,据前所述相应的熔炼温度应在1500摄氏度以上。
  C、控制硫含量在0.03——0.02%,控制焦炭加入量,控制氧化带以上的二氧化碳量以减少焦炭中硫进入量。其熔炼温度应大于1500摄氏度。温度愈高,控制效果愈好。在1530摄氏度最佳。如果采用高科技的热风冷水冲天炉,有高的熔炼温度、低的氧化性气氧,在无炉衬操作,同时将炉渣的碱度控制到1.7——2.3.可炉内脱硫,使硫量降到0.04%左右。此时只需要在炉前简单的连续脱硫装置或采用包内脱硫方法即可稳定地控制硫含量在0.02——0.03%最佳值范围内,节约球化剂稳定球铁生产得到高质量的球墨铸铁。
  综上所述,球铁铁水的熔炼温度应高于1500摄氏度稳定在1530摄氏度左右最佳,不超1550摄氏度。
  2、球化处理温度
  合适的球化处理温度,应保证球化剂充分作用,比重比铁径的氧化物夹杂和气体能充分上浮渣,其适合的处理温度国际国内均在1400摄氏度,过高球化剂损失过大,过高不利于氧化物夹渣和气上浮。
  3、孕育剂加入温度
  一般结合具体铸件的浇注温度确定。但必须控制孕育剂粒度和浇注温度的配采用瞬时孕育的方法最好,综上述,球墨铸铁铁水过桥温度应控制在1500摄氏度以上,以1500摄氏度最佳。
  四、铸件熔炼设备的最佳选择
  综上所述,在各种熔炼设备中,以热风冲天炉为佳,现分别介绍如下:
  (一)、热风冲天炉的综合优势
  1、铁水熔炼质量高:以典型铸件发动机缸盖为例,可稳定控制废品率在5%以下。国内为2——3%
  2、生产效率高:一次点火开炉,可连续熔炼3个月以上。适应现代大规模生产的需要,国外100——120T/h的热风冲天炉正在发展。
  3、高节能:由于一次点火可连续工作3个月,与普通冲天炉相比节省大量的底焦,以及采用了自然外热式热风,回收大量的热能,故可综合节能50%
  4、低成本 :据上所述,不仅回收大量的热能,节省焦炭,还节约了大量的耐火材料,减少铁合金的烧损,不计废品率。

 

 

 


 

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