CN104049069A - 一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了钢铁铸造和计算机信号处理技术领域的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，用以解决铸造过程中灰铸铁组织和性能炉前快速综合测评研究中存在的问题。该方法的主要思想是通过炉前采集灰铸铁在固定尺寸的热分析样杯中的冷却曲线，然后提取冷却曲线的有效凝固段，并以冷却曲线的有效凝固段的整体形状来表征灰铸铁熔体状态的评测方法。本发明有效实现了一种新的灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，该方法具有较强的自适应性，可避免人为因素；并且该方法建立数据库并随时添加新的标样，具有较强的灵活性；有利于提高铸件成品率。

Description

一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法

技术领域

本发明涉及钢铁铸造和计算机信号处理技术领域，特别涉及一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法。

背景技术

铸铁熔体状态主要是指温度、化学成分含量及组分元素在液态金属中存在的状态。在温度、化学成分及其含量固定的前提下，组分元素在熔体中的存在状态主要受熔炼所用原材料、熔体处理所用中间合金的成分及组织、熔炼方法、熔炼历程等因素的影响。铸铁熔体状态是以铁液成份和温度为基础条件随时间而动态变化的，熔体状态的不同必然会对铸件性能产生影响。在平衡状态下，上述影响因素所起作用都会大大减弱或消失；但通常液态金属本身及凝固过程都是偏离平衡态的，这就导致具有相同温度、相同化学成分的铁液具有不同的熔体状态。如铸铁的熔炼过程中都包括高熔点相(如石墨)的溶解，因受熔炼温度、原材料等因素的影响，对于相同温度、相同化学成分的合金，固液转变前碳及其它合金元素在熔体的溶解及均匀程度往往存在差异，而该差别会在凝固过程中形核、固相长大等环节上得到体现，进而影响凝固组织。许多研究表明同一炉铁液在不同的状态下其浇注后的组织性能各不相同，说明铁液质量并不是只与成份有关，要获得高质量的铁液需进行多种因素综合控制。因此如何表征、评估及控制铁液熔体状态是研究凝固过程、控制凝固组织的关键环节之一，也是目前凝固过程研究和控制的难点之一。

铸铁的凝固过程都是偏离平衡态的。由于铸造行业的性质决定，铸铁熔体状态的测评应具有快速的特点，热分析方法因其快速、准确的特点而得到广泛的应用，是一种在不直接观察凝固组织的条件下探测分析铁液熔体状态变化的炉前快速检测方法。

在铸铁行业，热分析法作为一种铸铁铁液熔体状态检测和控制手段，早期主要用于铁液成分的检测。1960年BCIRA的研究人员(Humphreys J G，Effect of Composition on the Liquidus and EutecticTemperatures and on the Eutectic Point of Cast Irons.BCIRA Journal,1961,9(5):609-621)通过测量冷却曲线液相线温度确定亚共晶原铁液的碳当量。随后Moore等人(Donald W,Fuller A G,Moore A.NewDevelopments in Thermal Analysis Techniques Enable Determination ofCarbon and Silicon Contents.AFS Transaction,1975,83:325-328)发现铁液白口凝固的冷却曲线的液相线温度T_L和共晶温度T_E与铁液碳当量及C、Si含量之间存在良好的线性关系，采用加碲白口化样杯实现了铁液C、Si含量的单独测定。二十世纪七十年代中期，根据冷却曲线测定铁液化学成分的技术已实现了广泛应用。

二十世纪七十年代中期以后，受热分析法预测原铁液化学成分的启发，铸造工作者为了实现铁液熔体状态的综合评估，进一步研究了利用冷却曲线的更多信息，如冷却曲线及其一次、二次微分曲线特征值，并将其拓展应用到过冷倾向、氧化程度、孕育效果、球/蠕化效果、石墨形态、机械性能和缺陷形成倾向等反映铁液状态的多方面指标的预测。如D.M.Stefanescu等人(Stefanescu D.M.,Voigt R.C.,ChenI.G.,et al.Cooling Curve Structure Analysis of Compacted/VermicularGraphite Cast Irons Produced by Different Melt Treatments.AFSTransactions,1982,90:333-348)研究表明，T_ER-T_EU(其中T_ER表示共晶再辉温度，T_EU表示共晶过冷温度)的差ΔT(即过冷度)与石墨形态存在一定的关系：当ΔT<临界值时获得片状石墨或者是不规则状石墨，而当ΔT>临界值时则获得蠕虫状石墨。由此可以通过ΔT来预测石墨形态。借助于微分冷却曲线，可确定冷却曲线上各微分特征点，并能了解凝固过程中各阶段的温度变化情况，使冷却曲线及其微分曲线与铸铁结晶过程相对应。如铸铁的微分曲线可以分为共晶转变部分以及共析转变的部分，共晶转变的曲线部分可以用来确定石墨化进程和共晶结晶动力学，还可确定共晶过冷度和一次结晶放出的总热量，而共析转变部分可以评价铸铁机械性能。

在一阶微分基础上发展起来的二阶微分曲线，能进一步揭示铁液的凝固过程特征。一般说来，一阶微分曲线反映结晶潜热释放速率，反映瞬时晶核数和晶体长大速度；二阶微分曲线表征生核动力学和晶体生长动力学，反映形核速率和晶体长大加速度。基于以上两点，可以借助于微分曲线特征点，对样杯中铁液的凝固过程定性地划分各个阶段。

因此传统热分析法用于铸铁熔体状态测评时，通常首先积累一定的试验数据，通过热分析特征值回归建立冷却曲线及其微分曲线上的特征值或形状与熔体状态参数之间的关系模型，在炉前快速采集铁液的冷却曲线，提取其特征值或识别冷却曲线的形状，根据建立的关系模型实现熔体状态的快速测评。但越来越多的研究证实这种特征值法具有很大的局限。首先以化学成分为例，铁水中的C、Si、Mn、P和S等元素以及冷却条件对铁水的冷却、凝固过程(冷却曲线)都有影响，这种影响将体现在冷却曲线的各个部位上。除原铁液成分外，冷却曲线及其微分曲线的特征值与铁液状态其他指标之间的关系也非常复杂，微量元素、熔炼工艺、孕育剂、球/蠕化剂种类、热分析样杯类型和热电偶位置等因素均有不同程度的影响，且各因素的影响存在交互作用。而多数回归关系模型都是在特定的试验或生产条件下建立的，如原铁水成分、熔炼工艺、孕育剂、球/蠕化剂种类、热分析样杯类型固定的情况下，不具有普遍意义。当试验或生产条件改变时，所建立的关系模型也可能发生变化；而当条件波动较大时，各因素的影响在冷却曲线上的体现相互作用，可能导致关系模型发散性增大，测评的精度降低。其次，热分析特征值与预报量之间如果线性关系不好，用线性模型来回归，必然带来误差。再次，在回归数学模型时，作为参考基准的回归变量的检验值本身就有检验误差(对于机械性能，还受试棒浇注方式的影响)，影响数学模型的精度。另外，用于回归的数据个数是有限的，因而，回归数学模型存在着局限性。而且，回归关系的适用范围也有所限制，如针对含有一定量合金元素的铁水建立的数学模型用于没有合金元素或含有其它合金元素的铁水，有可能降低测试精度。

由此可见，回归关系往往是在某种特定的试验或生产条件下得出的，因而传统的热分析方法对不同的铸造生产条件适应性不强。即使增加一阶微分和二阶微分，考虑对结晶潜热的分析，其特征值的选取仍是基于现有经验及主观因素之上的。而且对微分曲线和冷却曲线进行分析需要非常专业的知识，更加增加了分析带来的难度和主观因素的作用。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，用以解决目前灰铸铁组织性能测评研究存在的问题。

为实现上述目的，本发明提出了一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：采用铸铁热分析样杯，采集铁液凝固的冷却曲线，同时炉前浇铸化学分析试样以及力学性能试棒；

步骤2：对冷却曲线进行处理，提取冷却曲线上从凝固开始点到凝固结束点之间的曲线，即提取冷却曲线有效凝固段，通过冷却曲线有效凝固段直接反映热分析试样凝固过程；

步骤3：对浇铸的灰铸铁化学分析试样进行化学成分分析，对浇铸的力学性能试棒进行力学性能测试，对浇铸试样进行金相分析；

步骤4：建立可用于评判的灰铸铁铁液熔体状态计算机数据库，将步骤2和步骤3中获得的采集和分析数据作为一组有效数据，存贮于数据库中作为标样；

步骤5：若数据库中的标样个数大于规定的样本个数N，则执行步骤6；否则重复步骤1到步骤5；

步骤6：对于待测的灰铸铁，采用铸铁热分析样杯，采集铁液凝固的冷却曲线；

步骤7：执行步骤2，提取灰铸铁的冷却曲线有效凝固段，并通过模式识别的方法逐一比较其与数据库中所有已有冷却曲线有效凝固段的差别，即综合偏差值Cd，找出数据库中与待测曲线的综合偏差值Cd最小的那条曲线，将其确定为对比曲线，

其中综合偏差值Cd的计算公式为：

Cd＝|∑ΔT_i|/n+S    (1)

公式(1)中，n是采样总点数，ΔT_i、S按以下公式求出：

ΔT_i＝T_1i-T_2i     (2)

S＝[∑(ΔT_i-ΔT)²/(n-1)]^1/2     (3)

ΔT＝(∑ΔT_i)/n      (4)

其中，i表示第i个采样点，T_1i表示步骤2提取的冷却曲线1有效凝固段上，第i个取样点对应的温度值，T_2i表示数据库中已有冷却曲线2有效凝固段上，第i个取样点对应的温度值，n表示采样总点数，ΔT_i表示冷却曲线1与2有效凝固段上，第i个取样点对应的温度差值，ΔT表示温度差值ΔT_i的平均值，S表示温度差值ΔT_i的方差；

步骤8：若步骤7中的综合偏差值Cd小于等于3℃，则采用数据库中对比冷却曲线所对应的熔体的组织性能特征参数来表征新浇铸合金的相应特征参数；

步骤9：若步骤7中的综合偏差值Cd大于3℃，则立即炉前浇铸化学分析试样和力学性能试棒，并对浇铸的灰铸铁化学分析试样进行化学成分分析，对浇铸的力学性能试棒进行力学性能测试，对浇铸试样进行金相分析，将该曲线和它的组织性能特征参数添加到数据库中，作为新的标样。

所述冷却曲线有效凝固段是指通过数据理论分析冷却曲线上初晶奥氏体析出温度T_AL和共晶凝固结束温度T_EE之间的冷却曲线段。

所述冷却曲线上凝固开始点T_AL的选取方法为：设T_i为第i个取样点的温度值，ΔT_i为第i个取样点和第i-1个取样点的温度差，由浇铸温度开始直到T_i小于1250℃，分别计算ΔT_i-1和ΔT_i，如果ΔT_i-1<0，而且0≤ΔT_i≤0.5，则计算ΔT_i+1和ΔT_i+2，当|ΔT_i+1|<0.2且|ΔT_i+2|<0.2且|ΔT_i+1|+|ΔT_i+2|<0.3时，T_i就被确定为T_AL；若不满足条件，则认为浇铸过程出错，重新采集冷却曲线。

所述冷却曲线上凝固结束点T_EE的选取方法为：设dT_i为微分值，T_i为第i个取样点的温度值，t为相邻两次温度点之间的时间间隔，dT_i＝(T_i+4－T_i－4)/8t，如果T_i<T_AL，则开始计算dT_i的值，在150次的循环计算结果中，dT_i最大时所对应的T_i值即为T_EE；若不满足条件，则认为浇铸过程出错，重新采集冷却曲线。

所述组织性能特征参数包括灰铸铁冷却曲线有效凝固段、化学成分参数、力学性能参数、金相组织照片及相应金相分析参数。

所述力学性能包括抗拉强度、屈服强度、硬度、冲击韧度、弹性模量。

所述金相分析参数包括A型石墨面积百分数、A型石墨长度、D型石墨面积百分数。

本发明提出了一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其有益效果如下：

1)传统热分析方法所得关系的自适应能力差，主要是因为用于测评铁液熔体状态的特征值的选取受人为因素的影响，同时特征值具有较强的条件依赖性。而本发明方法具有较强的自适应性：取代了传统热分析测评方法以建立特征值与表征凝固组织指标的关系，本发明的方法以相同熔体状态的铸铁铁液在一定的凝固条件下具有相同凝固组织为判断依据测评铁液熔体状态。免于提取条件依赖性较强的冷却曲线特征值，避免了人为因素，具有针对不同生产条件自适应强的特点。

2)传统热分析方法目前难以综合测评铁液熔体状态，主要原因是难以在冷却曲线或其微分曲线上提取特征值，从而不能建立特征值与上述指标间的关系。本发明能够以冷却曲线间的相似性测评铁液熔体状态，预测铸件组织及性能：利用已知熔体的凝固组织测评具有相同熔体状态的铸铁铁液，充分利用冷却曲线上所表现出来的熔体状态信息，能够同时实现多指标的综合定量测评。在测评过程中能够直接预测被测熔体的化学成分、凝固组织以及最终的力学性能。

3)传统热分析方法由于需要人为选取特征值并进行数学回归以确定相应化学成分、力学性能的计算公式，一旦使用条件有变化，相应的数学回归公式也必然发生变化，需要进行修正；而本发明的方法只需要在数据库中添加相应熔体的冷却曲线有效段作为标样，当数据积累到一定程度，即可作为新的评判标准，因而具有自学习功能，使测评具有更强的灵活性。

4)本发明用数据库代替传统热分析方法的回归方程。

5)通过综合测评铸铁熔体的炉前组织性能特征参数，对其中不合格的熔体直接采取补救措施，可达到提高铸铁成功率的效果。

附图说明

图1是灰铸铁熔体状态测评的流程图。

图2是寻取冷却曲线凝固开始点T_AL的判断逻辑。

图3是寻取冷却曲线凝固结束点T_EE的判断逻辑。

图4实施例1中两条较为相似的灰铸铁冷却曲线凝固段，其综合偏差值Cd为2.17℃。

图5是实施例1中综合偏差值Cd为2.17℃的两条灰铸铁冷却曲线所对应的金相组织。

图6是实施例2中两条差别较大的灰铸铁冷却曲线凝固段，分别为孕育良好和孕育不良所对应的冷却曲线。

图7是实施例2中孕育良好(A)和孕育不良(B)所对应的冷却曲线对应的金相组织。

图8是实施例3中综合偏差值Cd与A型石墨百分比差的关系。

图9是实施例3中综合偏差值Cd与抗拉强度差的关系。

图10是实施例3中综合偏差值Cd与灰铸铁弹性模量差的关系。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明解决问题的思路是：固定凝固条件下任何影响铁液熔体状态的因素都会在热分析冷却曲线特别是其凝固段上得到反映，因此一定形状有效凝固段的冷却曲线对应一定熔体状态的铁液，即固定凝固条件下的热分析冷却曲线有效凝固段的整体形状可作为铁液熔体状态的标识，通过识别冷却曲线有效凝固段整体形状便能辨别不同熔体状态的铁液，达到综合测评的目的。

一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于，通过炉前采集灰铸铁冷却曲线然后提取冷却曲线的有效凝固段，并以冷却曲线的有效凝固段的整体形状来表征灰铸铁熔体状态的评测方法。

图1是灰铸铁熔体状态测评的流程图。

一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤1：采用铸铁热分析样杯，采集铁液凝固的冷却曲线，同时炉前浇铸化学分析试样以及力学性能试棒。

步骤2：对冷却曲线进行处理，提取冷却曲线上从凝固开始点到凝固结束点之间的曲线，即提取冷却曲线有效凝固段，通过冷却曲线有效凝固段直接反映热分析试样凝固过程。

铸件的性能主要是决定于铁水在凝固过程中的表现，也就是说铁水的凝固结晶过程决定了铸件的性能，凝固过程的温度曲线变化是导致性能变化的主要因素。同时冷却曲线的形状与凝固过程中的事件息息相关，石墨形态、碳化物的形成等均可由凝固段的特征点来得到印证。因此本发明通过计算机程序对冷却曲线进行处理，提取冷却曲线上从凝固开始点初晶奥氏体析出温度T_AL(Temperature of primaryaustenite solidification in hypoeutectic and eutectic irons)到凝固结束点共晶凝固结束温度T_EE(Temperature of the end of eutectic solidification)之间的冷却曲线作为“有效凝固段”，用冷却曲线“有效凝固段”直接反映热分析试样凝固过程。

图2是寻取冷却曲线凝固开始点T_AL的判断逻辑。

图3是寻取冷却曲线凝固结束点T_EE的判断逻辑。

本发明采用图2所示的判断逻辑来选取冷却曲线上的T_AL点，而不采用常用的对冷却曲线求一阶微分，找到微分曲线上的零点，再返回冷却曲线上找到对应的T_AL温度的做法，以避免由于热分析仪器测出的温度在达到T_AL点的前后范围内可能的一些小波动而导致微分曲线的零点寻取得不够准确，从而影响T_AL寻取的准确性。

所述冷却曲线上凝固开始点T_AL的选取方法为：设T_i为第i个取样点的温度值，ΔT_i为第i个取样点和第i-1个取样点的温度差，由浇铸温度开始直到T_i小于1250℃，分别计算ΔT_i-1和ΔT_i，如果ΔT_i-1<0，而且0≤ΔT_i≤0.5，则计算ΔT_i+1和ΔT_i+2，当|ΔT_i+1|<0.2且|ΔT_i+2|<0.2且|ΔT_i+1|+|ΔT_i+2|<0.3时，T_i就被确定为T_AL；若不满足条件，则认为铸铁过程出错，重新进行铸造。

所述冷却曲线上凝固结束点T_EE的选取方法为：设dT_i为微分值，T_i为第i个取样点的温度值，t为相邻两次温度点之间的时间间隔，dT_i＝(T_i+4－T_i－4)/8t，如果T_i<T_AL，则开始计算dT_i的值，在150次的循环计算结果中，dT_i最大时所对应的T_i值即为T_EE；若不满足条件，则认为铸铁过程出错，重新进行铸造。

本发明用来计算冷却曲线凝固结束点T_EE的方法的特征是，采用2秒步长，并运用中心差商法，以减小由于热电偶的微小波动和热电偶连接到热分析仪器的导线的屏蔽性的好坏都对测量精度的影响。

步骤3：对浇铸的灰铸铁化学分析试样进行化学成分分析，对浇铸的力学性能试棒进行力学性能测试，对浇铸试样进行金相分析。

对浇铸的灰铸铁化学分析试样进行化学成分分析，化学成分既可由光谱分析仪直接输入，也可用化学分析后人工输入；对力学性能试棒进行力学性能测试，力学性能包括抗拉强度、屈服强度、硬度、弹性模量。力学性能既可以由热分析测试对应的铁水浇铸的试样上测得，也可以采用相应铸件特定部位的测试结果；对所浇铸试样进行金相分析，获得该试样的A型石墨面积百分数、A型石墨长度等定量金相数据；金相组织既可以由热分析测试对应的铁水浇铸的试样上测得，也可以采用相应铸件特定部位的测试结果。

步骤4：建立可用于评判的灰铸铁铁液熔体状态计算机数据库，将步骤2和步骤3中获得的采集和分析数据作为一组有效数据，存贮于数据库中作为标样。

所述组织性能特征参数包括灰铸铁冷却曲线有效凝固段、化学成分参数、力学性能参数、金相组织照片及相应金相分析参数。

所述力学性能包括抗拉强度、屈服强度、硬度、冲击韧度、弹性模量。

所述金相分析参数包括A型石墨面积百分数、A型石墨长度、D型石墨面积百分数。

步骤5：若数据库中的标样个数大于规定的样本个数N，则执行步骤6；否则重复步骤1到步骤5；

数据库中的标准样本个数达到一定量时，通常大于30条，即可用于预测灰铸铁铁液熔体状态，且可以包括实际工业生产中灰铸铁的绝大多数熔体状态，一般我们取样本数为50条。

步骤6：对于待测的灰铸铁，采用铸铁热分析样杯，采集铁液凝固的冷却曲线。

步骤7：执行步骤2，提取灰铸铁的冷却曲线有效凝固段，并通过模式识别的方法根据公式(1)逐一比较其与数据库中所有已有冷却曲线有效凝固段的差别，即综合偏差值Cd(ComprehensiveDeviation)，找出数据库中与待测曲线综合偏差值Cd最小的曲线，将其作为对比曲线，其中综合偏差值Cd的计算公式为：

Cd＝|∑ΔT_i|/n+S    (1)

公式(1)中，n是采样总点数，ΔT_i、S按以下公式求出：

ΔT_i＝T_1i-T_2i     (2)

S＝[∑(ΔT_i-ΔT)²/(n-1)]^1/2    (3)

ΔT＝(∑ΔT_i)/n     (4)

其中，i表示第i个采样点，T_1i表示步骤2提取的冷却曲线1有效凝固段上，第i个取样点对应的温度值，T_2i表示数据库中已有冷却曲线2有效凝固段上，第i个取样点对应的温度值，n表示采样总点数，ΔT_i表示冷却曲线1与2有效凝固段上，第i个取样点对应的温度差值，ΔT表示温度差值ΔT_i的平均值，S表示温度差值ΔT_i的方差。

步骤8：若步骤7中的综合偏差值Cd小于等于3℃，则采用数据库中对比冷却曲线所对应的熔体的组织性能特征参数来表征新浇铸合金的相应特征参数。

若新采集的冷却曲线有效凝固段与数据库中某条已有冷却曲线有效凝固段的差别足够小(基本重合或Cd小于3℃)，即认为Cd足够小，这两种铁液熔体状态的差别也必然足够小，它们在相同冷却条件下获得的凝固组织差别也必然足够小，那么可以采用数据库中此条冷却曲线所对应的熔体的状态参数来表征和测评新浇铸的合金的熔体状态。也就是说，当两条冷却曲线的凝固段的差别足够小，就可以用数据库中此条冷却曲线所对应的熔体的化学成分、力学性能、金相组织照片及其定量金相分析结果等来表征新浇铸合金的相应参数。

步骤9：若步骤7中的综合偏差值Cd大于3℃，则立即炉前浇铸化学分析试样和力学性能试棒，并对浇铸的灰铸铁化学分析试样进行化学成分分析，对浇铸的力学性能试棒进行力学性能测试，对浇铸试样进行金相分析，并将这些特征参数与冷却曲线有效凝固段一起添加到数据库中，作为新的标准冷却曲线。

下面以具体的工业生产为例，体现本发明提出的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法的测评效果。

实施例1

采用工频感应电炉熔炼灰铸铁铁液，铸铁的牌号为HT250。配料采用铸造生铁、废钢、回炉料、中间合金；出炉处理温度为1460～1480℃，加入0.25％的SiFe合金出铁槽随流孕育，浇注温度的波动范围控制在60℃。采用热分析样杯采集灰铸铁凝固时的冷却曲线，同时浇铸光谱仪所用成分试块、检测机械性能用的圆棒试样以及显微组织分析试样。

图4实施例1中两条较为相似的灰铸铁冷却曲线凝固段，其综合偏差值Cd为2.17℃。

图5是实施例1中综合偏差值Cd为2.17℃的两条灰铸铁冷却曲线所对应的金相组织。

采用本发明的灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，对所采集的冷却曲线进行测评，在数据库中找到一条与待测曲线接近的一条样本曲线，采用公式1计算，两条曲线的综合偏差值Cd为2.5℃(图4，其中A为待测曲线，B为数据库中的样本曲线)。经过金相分析，两条曲线所对应的凝固组织相同(图5)；经过化学成分分析，两条曲线所对应的基本相同，其中待测曲线A对应的化学成分为C：3.34％，Si：1.74％，Mn：0.87％，P：0.056％，S：0.073％，数据库中的样本曲线B对应的化学成分为C：3.32％，Si：1.72％，Mn：0.86％，P：0.057％，S：0.071％。两条曲线所对应的组织和化学成分一致，可以采用数据库中的样本曲线所对应的化学成分、金相组织以及力学性能来预测待测评曲线。

实施例2

采用工频感应电炉熔炼灰铸铁铁液，铸铁的牌号为HT250。配料采用铸造生铁、废钢、回炉料、中间合金；出炉处理温度为1460～1480℃，加入0.25％的SiFe合金出铁槽随流孕育，浇注温度的波动范围控制在60℃。采用热分析样杯分别采集孕育处理钢结束的包头和孕育处理较长时间后的包尾的铁液凝固时的冷却曲线，同时浇铸显微组织分析试样。

图6是实施例2中两条差别较大的灰铸铁冷却曲线凝固段，分别为孕育良好和孕育不良所对应的冷却曲线。

图7是实施例2中孕育良好(A)和孕育不良(B)所对应的冷却曲线对应的金相组织。

采用本发明的灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，对所采集的冷却曲线进行测评，采用公式1计算两条曲线的综合偏差值Cd为19℃(图6，其中A为包头铁液冷却曲线，B为包尾铁液冷却曲线)。经过金相分析，两条曲线所对应的凝固组织差别巨大，包头曲线凝固时间长，其组织中大多为A型石墨(图7A)，孕育效果良好，而包尾曲线凝固时间短，其孕育组织中大部分为D型石墨(图7B)，孕育衰退。采用本发明的灰铸铁组织性能炉前快速测评方法可以预测待测评熔体的凝固组织，并预测熔体的孕育处理结果，如果发现孕育不良或者孕育衰退，可以采取一定的补救措施。

实施例3

采用工频感应电炉熔炼灰铸铁铁液，铸铁的牌号为HT250。配料采用铸造生铁、废钢、回炉料、中间合金；出炉处理温度为1460～1480℃，加入0.25％的SiFe合金出铁槽随流孕育，浇注温度的波动范围控制在60℃。采用热分析样杯采集30条灰铸铁凝固时的冷却曲线，同时浇铸检测机械性能用的圆棒试样以及显微组织分析试样。

图8是实施例3中综合偏差值Cd与A型石墨百分比差的关系。

图9是实施例3中综合偏差值Cd与抗拉强度差的关系。

图10是实施例3中综合偏差值Cd与灰铸铁弹性模量差的关系。

采用本发明的灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，对所采集的冷却曲线进行测评，分析任意两条冷却曲线的综合偏差值Cd。经过定量金相，分析任意两条冷却曲线所对应的凝固组织的A型石墨所占百分比的差；经过力学性能测试，分析任意两条冷却曲线所对应的试棒的抗拉强度的差和弹性模量的差。从图8可以得出，当Cd趋近于0时，A型石墨所占百分比的差也向0收敛；当Cd<3℃时，A型石墨所占百分比的差在10％以内。从图9可以得出，当Cd趋近于0时，抗拉强度的差也向0收敛；当Cd<3℃时，抗拉强度差在15MPa以内。美国MAGNAFLUX QUASAR SYSTEMS公司生产的超声共振谱仪测量铸铁的弹性模量。从图10可以得出，当Cd趋近于0时，虽然两者之间，弹性模量的差也向0收敛；当Cd<3℃时，弹性模量的差在15MPa以内。

采用本发明的灰铸铁组织性能炉前快速测评方法可以预测待测评熔体的凝固组织和力学性能，只要从数据库中识别出与待测曲线最相似的曲线，并且求得的Cd在3℃的范围内，则数据库曲线的显微组织、抗拉强度和弹性模量可以作为待测曲线显微组织、抗拉强度和弹性模量的参照，且抗拉强度的预测精度<15MPa，弹性模量的预测精度<3GPa。

由以上实施例可以得知，本发明提出的综合测评方法是有效的，而且这种综合测评方法可以在钢铁铸造还未成型时检测铸铁的组织性能特性参数，并在检测出不良组织性能特性参数的铸铁时，及时采取措施，提高成功率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：采用铸铁热分析样杯，采集铁液凝固的冷却曲线，同时炉前浇铸化学分析试样以及力学性能试棒；

步骤2：对冷却曲线进行处理，提取冷却曲线上从凝固开始点到凝固结束点之间的曲线，即提取冷却曲线有效凝固段，通过冷却曲线有效凝固段直接反映热分析试样凝固过程；

步骤3：对浇铸的灰铸铁化学分析试样进行化学成分分析，对浇铸的力学性能试棒进行力学性能测试，对浇铸试样进行金相分析；

步骤4：建立可用于评判的灰铸铁铁液熔体状态计算机数据库，将步骤2和步骤3中获得的采集和分析数据作为一组有效数据，存贮于数据库中作为标样；

步骤5：若数据库中的标样个数大于规定的样本个数N，则执行步骤6；否则重复步骤1到步骤5；

步骤6：对于待测的灰铸铁，采用铸铁热分析样杯，采集铁液凝固的冷却曲线；

步骤7：执行步骤2，提取灰铸铁的冷却曲线有效凝固段，并通过模式识别的方法根据公式(1)逐一比较其与数据库中所有已有冷却曲线有效凝固段的差别，即综合偏差值Cd，找出数据库中与待测曲线综合偏差值Cd最小的那条曲线，将其确定为对比曲线，

其中综合偏差值Cd的计算公式为：

Cd＝|∑ΔT_i|/n+S    (1)

公式(1)中，n是采样总点数，ΔT_i、S按以下公式求出：

ΔT_i＝T_1i-T_2i       (2)

S＝[∑(ΔT_i-ΔT)²/(n-1)]^1/2     (3)

ΔT＝(∑ΔT_i)/n      (4)

其中，i表示第i个采样点，T_1i表示步骤2提取的冷却曲线1有效凝固段上，第i个取样点对应的温度值，T_2i表示数据库中已有冷却曲线2有效凝固段上，第i个取样点对应的温度值，n表示采样总点数，ΔT_i表示冷却曲线1与2有效凝固段上，第i个取样点的温度差值，ΔT表示温度差值ΔT_i的平均值，S表示温度差值ΔT_i的方差；

步骤8：若步骤7中的综合偏差值Cd小于等于3℃，则采用数据库中对应的对比曲线的熔体的组织性能特征参数来表征新浇铸合金的相应特征参数；

步骤9：若步骤7中的综合偏差值Cd大于3℃，则立即炉前浇铸化学分析试样和力学性能试棒，并对浇铸的灰铸铁化学分析试样进行化学成分分析，对浇铸的力学性能试棒进行力学性能测试，对浇铸试样进行金相分析，将该曲线和它的组织性能特征参数添加到数据库中，作为新的标样。

2.根据权利要求1所述的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于所述冷却曲线有效凝固段是指通过数据理论分析冷却曲线上初晶奥氏体析出温度T_AL和共晶凝固结束温度T_EE之间的冷却曲线段。

3.根据权利要求2所述的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于所述冷却曲线上凝固开始点T_AL的选取方法为：设T_i为第i个取样点的温度值，ΔT_i为第i个取样点和第i-1个取样点的温度差，由浇铸温度开始直到T_i小于1250℃，分别计算ΔT_i-1和ΔT_i，如果ΔT_i-1<0，而且0≤ΔT_i≤0.5，则计算ΔT_i+1和ΔT_i+2，当|ΔT_i+1|<0.2且|ΔT_i+2|<0.2且|ΔT_i+1|+|ΔT_i+2|<0.3时，T_i就被确定为T_AL；若不满足条件，则认为浇铸过程出错，重新采集冷却曲线。

4.根据权利要求2所述的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于所述冷却曲线上凝固结束点T_EE的选取方法为：设dT_i为微分值，T_i为第i个取样点的温度值，t为相邻两次温度点之间的时间间隔，dT_i＝(T_i+4－T_i－4)/8t，如果T_i<T_AL，则开始计算dT_i的值，在150次的循环计算结果中，dT_i最大时所对应的T_i值即为T_EE；若不满足条件，则认为浇铸过程出错，重新采集冷却曲线。

5.根据权利要求1所述的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于所述组织性能特征参数包括灰铸铁冷却曲线有效凝固段、化学成分参数、力学性能参数、金相组织照片及相应金相分析参数。

6.根据权利要求5所述的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于所述力学性能包括抗拉强度、屈服强度、硬度、冲击韧度、弹性模量。

7.根据权利要求5所述的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于所述金相分析参数包括A型石墨面积百分数、A型石墨长度、D型石墨面积百分数。