CN105785882B - 一种球墨铸铁球化孕育处理动态调控方法及系统 - Google Patents

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Abstract

一种球墨铸铁球化孕育处理动态调控方法及系统，用于在球墨铸铁铸造生产过程中基于原铁水实际冶金状态实施动态球化孕育处理的工艺优化控制与调节。本发明所涉及的方法是选取有效特征参数表征原铁水冶金状态，并建立一个综合评价模型用于实际生产过程中合格冶金状态确定和球化剂精确添加量计算。在球化、孕育处理和最终浇注环节，都有相应的球化孕育效果测评与调控方法，从而实现生产过程的闭环控制。本发明所涉及的动态调控系统组成主要包括：（1）原铁水冶金状态调控子系统；（2）球化处理与效果调控子系统；（3）孕育处理与效果调控子系统；（4）铁水球化孕育最终微调子系统。本发明还可用于蠕墨铸铁蠕化处理在线动态调节与控制。

Description

一种球墨铸铁球化孕育处理动态调控方法及系统
技术领域
本发明属于冶金和铸造领域的发明创造，具体的是提出一种球墨铸铁球化孕育处理动态调控方法及系统。
背景技术
原铁水熔炼、球化处理和孕育处理是球墨铸铁制造过程中的三个关键环节。铁水的球化孕育效果最终决定了石墨析出形态、共晶凝固特性及凝固铸件质量。目前，铸造厂大都根据实际生产条件采用过量球化法确保铸件中石墨的球化效果。然而，不按原铁水的实际冶金状态进行球化、孕育处理，带来的问题不仅仅是球化剂和孕育剂过量使用引起的生产成本增加，而且会因合金凝固过程发生变化而导致铸件性能恶化，最终影响球墨铸铁件优良性能的充分发挥。诸如白口、反白口、夹渣、缩孔缩松等球墨铸铁件中常见组织缺陷都与球化孕育处理剂的不正当使用和过量处理有关。已有的球化孕育调控方法是根据铁水球化孕育处理后的效果检测进行球化孕育剂的补加或铁水静置（球化过量时，活性Mg溢出铁水表面而自燃消耗，亦可补加原铁水稀释球化元素）而达到目的的，而根据原铁水的实际冶金状态动态实施球化孕育处理未见有报道。
事实上，原铁水的冶金特性，如基本化学成分（活性碳当量CEL、硅当量SiE、C和Si含量）、石墨形核能力、铁水氧化程度及S含量等，是影响原铁水质量状态的重要因素，它们综合决定了铁水球化孕育处理的难易程度及所需球化孕育剂的实际添加量。而这些冶金特性大都是某一成分铁水某一时刻所具有的状态参量，不同熔炼过程的不同时刻原铁水的冶金状态参量会发生变化，所以，原铁水冶金质量状态也是以铁水成分为基础条件随时间而动态变化的。原铁水冶金状态特性的无规律波动与最大定值球化处理之间的矛盾是导致球化过度的根本原因。因此，研究原铁水冶金状态特性对球化孕育效果的影响程度，并建立一个综合质量状态评价模型，并基于评价模型精确控制球化孕育剂的加入量，对于提高铸件质量和降低生产成本具有非常重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种球墨铸铁球化孕育处理动态调控方法及系统，通过建立原铁水冶金状态综合质量评价模型，解决原铁水冶金状态波动造成球化孕育处理剂无法精确定量的难题。同时为球化、孕育处理和最终铁水浇注环节分别设计了球化孕育效果检测与动态调节方法，确保球化孕育处理剂的优化加入并提高球墨铸铁件综合质量。本发明的另一个目的是提供一个动态调控系统完成本发明的球墨铸铁铸造生产在线测控的系列功能。
为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种球墨铸铁球化孕育处理动态调控方法及系统，其特征是：建立原铁水冶金状态综合评价灰色关联模型，根据灰色关联度值确定合格冶金状态和球化剂精确加入量。
所述的一种球墨铸铁球化孕育处理动态调控方法及系统，其特征是：根据铁水球化、孕育处理和最终浇注环节的球化孕育效果在线测评结果，动态调节球墨铸铁铁水制备过程的关键环节。
所述的一种球墨铸铁球化孕育处理动态调控方法及系统，其特征是：对应调控方法的每个环节构建包括（1）原铁水冶金状态调控子系统；（2）球化处理与效果调控子系统；（3）孕育处理与效果调控子系统；（4）铁水球化孕育最终微调子系统的动态调控系统。
本发明的有益效果：
1.本发明采用基于原铁水冶金状态综合评价的动态球化孕育处理方法可以实现球化孕育剂加入量的精确计算，避免处理剂的大量浪费，降低由于白口、反白口、缩孔缩松和夹渣等缺陷引起的废品率，提高球墨铸铁件综合质量；
2.本发明在铁水球化、孕育处理和最终浇注三个关键环节，均有相应的球化孕育效果测评与调控方法，有利于实现生产过程的闭环控制；
3.本发明提供了一种基于原铁水冶金状态综合评价的球铁球化孕育效果动态调控系统，有助于与智能化铸造生产线和生产车间相融合。
附图说明：
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明，但不是对本发明的限定，其它任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。
附图1是球墨铸铁球化孕育处理动态调控方法总体构成图。
附图2是球墨铸铁孕育效果评价冷却曲线特性状态图。
附图3是球墨铸铁球化孕育处理动态调控系统硬件结构图。
具体实施方式：
本发明所设计的球铁球化孕育处理动态调控方法总体构成如图1所示，主要包括球墨铸铁原铁水冶金状态调控、球化处理与效果调控、孕育处理与效果调控以及铁水球化孕育最终微调四个调控环节。
实施例1
建立基于原铁水冶金状态综合评价的球化剂添加量计算模型。以灰色关联模型对原铁水基本化学成分、石墨形核能力、氧化程度及S含量等冶金状态特性进行综合评价，评价体系由热分析曲线上的特征参数和炉前快速光谱成分分析结果组成，反应原铁水对球化孕育效果的影响。在评价之前，首先确定在生产条件下各冶金状态参数的阀值，并以各参数阀值的中值序列组成统计最优参比状态。在评价过程中，对待测铁水状态参数序列与统计最优状态参数序列进行关联性分析，根据灰色关联度综合评价值（平均灰色关联系数）与球化剂添加量W FeSiMg的相关性，建立考虑球化剂中Mg和稀土RE元素的收得率以及孕育“促球”作用的球化剂添加量W FeSiMg计算公式。下式为一个特例形式，
式中，W FeSiMg为镁合金的加入量，kg；W 原铁水为原铁水的质量，kg；γ G为灰色关联度值，γ G必须保证大于一定值才能球化处理，否则应根据检测项目进行调整，以保证球化成功；%Mg f为球化处理后残留Mg的百分数，应该考虑浇注过程中衰退烧损而给出一个宽裕值；η RE为孕育剂（富Ce）中RE的收得率；W FeSi为孕育剂的添加量， kg；t为从球化处理开始到浇注的时间，min；η Mg为球化剂中Mg的收得率；%Mg FeSiMg为球化剂中Mg的百分数；%RE为球化剂中RE的百分数。
实施例2
球化孕育效果的测评与二次调控。为了实现球化孕育处理工艺过程的闭环控制，本发明还设计了球化孕育效果快速检测及球化孕育处理剂二次补加环节。针对球化效果的炉前检测采用热分析-共晶膨胀双参数联合评价法（装置及检测方法见ZL201510562418.6），其双参数球化率D S回归公式为D S=-40.487-1.101(T L-T EU)-0.076T EU-0.919R+39.558ε+0.101t Grexp，式中T L为初晶温度，T EU为最低共晶温度，R为共晶回升温度，ε为石墨共晶膨胀率，t Grexp为石墨共晶膨胀时间。(T L-T EU)、T EU和R为表征碳当量和石墨形核及生长形态控制的温度特征参数，ε和t Grexp为代表石墨球化效果和析出量的共晶膨胀特征参数。回归方程的相关系数为R 2=0.9423，经假设检验后，得五个特征参数对D S在α=0.01水平下具有显著地线性相关性。初步试验证明，双参数模型的判定精度较高，准确性可达90%以上。通过精确球化效果检测，并与目标值比较计算二次修正球化剂加入量。采用喂线精确补加方法，并对铁水实施低功率加热保温，补偿热量损失和提高有效元素的吸收率和均匀化程度。
针对孕育效果的炉前检测采用了灰口冷却曲线热分析法，定义某种孕育剂添加量对铁水最低共晶温度的提升程度ΔT EU与该孕育剂所能达到的最大提升程度(ΔT EU)max的比值为孕育度I R，用于指示球化铁水的孕育石墨形核能力。在铁水饱和孕育范围内，I R随着孕育效果单调上升，I R大小代表了该状态下铁水的孕育程度。当孕育过量时，I R突然降低，由于过量孕育导致石墨共晶提前析出，从而凝固后期的补缩不足，这时参考凝固点温度T S、冷速dT S/dt和夹角α S不难区分。与球化剂二次补加方法相类似，如果检测到孕育效果欠佳，孕育度I R小于1较多，通过与目标值对比找出孕育剂的补加量。同样采用喂线精确补加并对铁水实施低功率加热保温，补偿热量损失和促进有效元素的吸收和均匀化。
铁水最终状态微调。铁水最终状态微调过程涉及到球化孕育效果的综合评价、浇注温度调整及微量球化剂和微量孕育剂添加和高效吸收等关键问题。从Mg含量和孕育指数两个方面进行评价。Mg含量检测由添加FeS或Fe2O3/Te特性样杯测试冷却曲线上的特征参数分析获得（另见专利：一测定种球铁铁水中Mg含量的样杯和方法），只要Mg含量在控制范围，即能够保证最终石墨的球化状态。球墨铸铁孕育效果应该从石墨形核、石墨化以及对共晶凝固特性的改善等方面综合考虑。由图2可见，设共晶回升温度T ER水平线与冷却曲线之间的面积A为过冷度面积；共晶最低温度T EU水平线与冷却曲线之间的面积B为共晶凝固面积，其中共晶凝固前半阶段的共晶凝固面积为B1，共晶凝固后半阶段的共晶凝固面积为B2。定义孕育指数I Q=A:B1:B2，用于在球墨铸铁浇注的最后时刻监控铁水的综合孕育效果。对于相同成分和工艺状态的铁水，当孕育效果较好时，T EU较高而R较低，共晶石墨较稳定的析出和长大，凝固后期也有较多量的石墨膨胀补缩，A、B1和B2三部分面积较均衡的搭配。而当孕育效果较差时，T EU降低而R相应有所升高，此时过冷度面积A，B1和B2都相对增大，但三部分面积失去均衡搭配。孕育特性变差导致即使球化效果影响不大的情况下，缩孔缩松倾向增大。在实验条件下，通过对大量球墨铸铁冷却曲线分析，发现A:B1:B2在[19.00, 25.50]:[20.00,25.00]:[16.00, 20.00]范围内，铁水的孕育效果是合格的，从而确定出I Q控制的阀值用于指导实际生产。为了保证合格浇注温度和促进微量球化孕育元素的有效吸收和均匀化，在铁水最终状态微调过程中对铁水实施低功率加热保温。
实施例3
球化孕育处理动态调控系统的构建。系统主要分为测试评价单元和调控单元，包括实施铁水熔炼、质量检测、专项功能实现及辅助设备在内的总体执行机构。每个子系统分别由硬件和软件（或软件固化模块）两部分组成。它们分别与主机的输入输出通道相连，并由其指令控制完成相应操作。各硬件单元之间关系如图3所示，在计算机系统管理软件的控制下，可实现各冶金质量状态项目的检测与评价、铁水称量、球化孕育剂喂线补加以及炉体温度调整等功能。其中原铁水和球化孕育效果测控和调控单元安放在感应熔炼炉台附近，铁水最终微调单元可作为球化孕育调控的配套单元，如果条件允许，球化孕育效果的调整都可在铁水最终状态微调阶段完成。系统软件主要包括初始化、数据采集、数据处理、文件处理及数据库模块，主体控制程序汇聚各参数并进行计算分析完成多种功能显示与动作控制。球化、孕育喂线补加过程采用PID“数字增量”精确调节算法进行控制，即可简化计算过程，提高控制可靠性，又可对日常球化孕育处理的一次处理剂添加量进行调节，实现球化孕育工艺的优化。

Claims (3)

1.一种球墨铸铁球化孕育处理动态调控方法，其特征是：建立原铁水冶金状态综合评价灰色关联模型，根据灰色关联度值确定合格冶金状态和球化剂精确添加量，具体步骤如下：（1）以灰色关联模型对原铁水基本化学成分、石墨形核能力、氧化程度及S含量冶金状态特性进行综合评价，评价体系由热分析曲线上的特征参数和炉前快速光谱成分分析结果组成，反应原铁水对球化孕育效果的影响；（2）在评价之前，首先确定在生产条件下各冶金状态参数的阀值，并以各参数阀值的中值序列组成统计最优参比状态；（3）在评价过程中，对待测铁水状态参数序列与统计最优状态参数序列进行关联性分析，根据灰色关联度综合评价值与球化剂添加量WFeSiMg的相关性，建立考虑球化剂中Mg和稀土RE元素的收得率以及孕育促球作用的球化剂添加量WFeSiMg计算公式，式中，WFeSiMg为镁合金加入量，kg；W原铁水为原铁水的质量，kg；γG为灰色关联度值；%Mgf为球化处理后残留Mg的百分数；ηRE为孕育剂中RE收得率；WFeSi为孕育剂添加量，kg；t为从球化处理开始到浇注的时间；ηMg为球化剂中Mg收得率；%MgFeSiMg为球化剂中Mg的百分数；%RE为球化剂中RE的百分数。
2.根据权利要求1所述的一种球墨铸铁球化孕育处理动态调控方法，其特征是：根据铁水球化、孕育处理和最终浇注环节球化孕育效果在线测评结果，动态调节球墨铸铁铁水制备过程的关键环节，具体调控步骤为：（1）采用热分析-共晶膨胀双参数联合评价法，建立双参数球化率DS回归公式DS=-40.487-1.101(TL-TEU)-0.076TEU-0.919R+39.558ε+0.101tGrexp，式中TL为初晶温度，TEU为最低共晶温度，R为共晶回升温度，ε为石墨共晶膨胀率，tGrexp为石墨共晶膨胀时间，通过精确球化效果检测，并与目标值比较计算二次修正球化剂加入量，采用喂线精确补加方法，并对铁水实施低功率加热保温，补偿热量损失和提高有效元素的吸收率和均匀化程度；（2）采用灰口冷却曲线热分析法，定义某种孕育剂添加量对铁水最低共晶温度的提升程度ΔTEU与该孕育剂所能达到的最大提升程度(ΔTEU)max的比值为孕育度IR；在铁水饱和孕育范围内，IR随着孕育效果单调上升，当孕育过量时，IR突然降低，这时参考凝固点温度TS、冷速dTS/dt和夹角αS进行区分；如果孕育效果欠佳，孕育度IR小于1较多，通过与目标值对比找出孕育剂的补加量，采用喂线精确补加并对铁水实施低功率加热保温，补偿热量损失和促进有效元素的吸收和均匀化；（3）铁水最终状态微调从Mg含量和孕育指数两个方面进行评价，Mg含量检测由添加FeS或Fe2O3/Te特性样杯测试冷却曲线上的特征参数分析获得；球墨铸铁孕育效果从石墨形核、石墨化以及对共晶凝固特性的改善等方面综合考虑，定义孕育指数IQ=A:B1:B2，热分析曲线上共晶回升温度TER水平线与冷却曲线之间的面积为过冷度面积A；共晶最低温度TEU水平线与冷却曲线之间的面积为共晶凝固面积B，其中共晶凝固前半阶段的共晶凝固面积为B1，共晶凝固后半阶段的共晶凝固面积为B2，确定实验条件下A:B1:B2合格范围，即IQ控制的阀值，用于指导实际生产，为了保证合格浇注温度和促进微量球化孕育元素的有效吸收和均匀化，在铁水最终状态微调过程中对铁水实施低功率加热保温。
3.一种基于权利要求2所述的球墨铸铁球化孕育处理方法的动态调控系统，其特征是：对应动态调控方法的每个环节构建包括（1）原铁水冶金状态调控子系统；（2）球化处理与效果调控子系统；（3）孕育处理与效果调控子系统；（4）铁水球化孕育最终微调子系统的动态调控系统。
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