CN106498265A

CN106498265A - 一种球墨铸铁炉前精确调C调Si方法

Info

Publication number: CN106498265A
Application number: CN201510562419.0A
Authority: CN
Inventors: 徐振宇; 李大勇; 石德全; 王利华; 王言峰
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2035-09-07
Also published as: CN106498265B

Abstract

为了实现球墨铸铁C、Si含量优化控制，本文公开了一种球墨铸铁炉前精确调C调Si方法，其步骤包括：1）按终C含量，Si含量需减去球化孕育处理的增Si量配料并熔炼原铁水，熔好后浇注一热分析空样杯和一白口样杯；2）根据灰口冷却曲线的液相温度T _L确定铁水的活性炭当量ACEL，根据白口冷却曲线的共晶温度T _E确定活性硅当量ASiE，并反推得到活性炭含量AC；3）由AC和ASiE计算Si-O-C脱氧反应的平衡温度T _eq，并由与铁水温度T _a的差判断碳硅损失状态；4）再次浇注一空样杯，根据此时铁水的ACEL进行调C调Si；5）验证最终球化铁水的ACEL并可在下一炉重新调整。本发明用于铸造检测和冶金领域。

Description

一种球墨铸铁炉前精确调C调Si方法

技术领域

本发明属于冶金和铸造领域的发明创造，具体涉及一种球墨铸铁炉前精确调C调Si方法。

背景技术

球墨铸铁的缩陷风险性高于灰铸铁，而球形石墨的体积膨胀效应大于片状石墨，所以为了减小不完整铸件和石墨漂浮的废品率，提高其铸造性能，球墨铸铁最终浇注铁水的碳当量CE应该处于微亚共晶或共晶状态。铁水的石墨化程度与铸件的模数相关，厚大球铁件，冷却速度慢，石墨析出充分，为了防止石墨漂浮，碳当量值应该低点；而薄壁汽车球铁件，冷却速度快，石墨析出不充分，此时碳当量值应该高点，以提高石墨化程度；而中间壁厚球铁件居中。在工业生产中，原铁水需要球化孕育处理，其变质效果是一个动态非平衡状态函数。根据有关文献报道，球墨铸铁的真实共晶点碳当量CEP可达4.5-4.7，甚至4.8，此范围远高于常规灰铸铁的共晶碳当量4.3。铁水球化之后，应该立即浇注以防止球化孕育效果的衰退。此时增碳很困难，已经失去调C机会，由于受浇注温度的影响，调Si的机会也很小。所以，球墨铸铁的调C调Si应该在原铁水的熔炼阶段进行。

然而，光谱或化学分析定碳定硅法只能给出元素原子的比重（总含量），不能够区分有效元素含量（活性含量）和无效元素含量，而且测试时间长，成本高。热分析法是一种基于当量成分的测试方法，它可以借助初晶奥氏体和共晶石墨释放出的结晶潜热（热效应）来推测活性炭当量值ACEL和活性炭含量值AC。例如瑞典NovaCast公司的ATAS自适应热分析系统，它是利用灰口冷却曲线上的初晶奥氏体温度T _L推出ACEL值，再由T _L和最低共晶温度TE _low推出AC值，最终根据碳当量计算式推出Si含量。但是，ATAS系统使用的是模数为0.65cm的350g标准方杯（Quick cup），其凝固时间超过3min，才能给出ACEL、AC和Si的预测值，以及增碳剂或硅铁合金补加建议。另外，铁水的石墨化程度受浇注温度和浇注量的影响，由于人为浇注变化使得AC测试范围波动较大（误差可达30%）。除此之外，降低热分析测试过程中一次性测试样杯的成本也是实际应用中追求的主要目标。

正常灰口冷却曲线的液相线碳当量ACEL=C%+1/4·Si%+1/2·P%，与其初晶奥氏体温度T _L直接相关，符合关系式ACEL=A+B·T _L（常数A和B与测试样杯有关，由实验确定），推测误差为0.05%，代表着铁水中溶解的碳在发生石墨共晶反应之前抑制奥氏体析出的能力，称为活性炭当量ACEL。目前，灰口冷却曲线热分析法给出的ACEL是最准确评判铁水共晶度的方法。而白口冷却曲线上的初晶奥氏体析出温度是铁水中的共晶碳以碳化物形式析出的结果，并没有实际反应共晶石墨碳的析出状态对铁水真实碳当量的影响，为非活性炭当量，当铁水灰口凝固时，偏离白口曲线的测试结果比较大。热分析法定碳并没有实际的物理意义，灰口曲线推算法将C含量看作T _L和TE _low的统计函数，虽然给出的是活性炭含量值，但是受人为浇注样杯的因素影响较大；白口曲线推算法给出的只能是总碳含量值（碳含量原子重量比），本身精度受到限制。热分析法定硅，灰口曲线法是利用测得的ACEL和 AC反推得到；而白口曲线法则是利用Si含量与白口T _L和T _E的统计函数进行计算，仍没有具体物理意义。众所周知，硅Si具有活化碳元素的作用，一方面降低铁水达到共晶成分时所需的碳含量，抑制初晶奥氏体析出，使初晶反应温度下降。另一方面，由Fe-C二元相图可知，灰口共晶反应区间ΔT=1154-1148=6℃，硅具有拓宽石墨共晶反应温度区间的作用，使白口共晶温度显著降低，而且其降低程度主要是由Si含量决定。因为热分析法测定的共晶温度包含了铁水中其它元素的综合影响，所以推算得出的Si含量称为活性硅当量ASiE，可以通过ASiE=C+D·T _E数学模型计算，常数C和D由实验确定。根据相关文献，T _E与冷却速度无关（与样杯尺寸和浇注铁水量无关），所以可以避免人为浇注因素的影响，而且还可以通过减小样杯尺寸，更快得出T _E，从而加快测试过程。

原铁水中主要的氧化还原反应方程为<SiO₂> + 2[C] ↔ [Si] + 2{CO}，由热力学理论可知，化学反应产物的自由能越低越稳定。由此，原铁水保温温度超于平衡温度T _eq点时，反应向右进行，铁水将脱碳；而当铁水温度低于T _eq点时，反应向左进行生产硅化物，铁水将失硅。反应的平衡温度理论计算方程为：

[in ℃] （1）

由此，可在原铁水刚熔炼好时即取样检测铁水的C和Si含量，代入方程式（1）即可计算出铁水脱氧反应的理论平衡温度值T _eq，根据铁水实际的保温温度T _a与平衡温度值T _eq的差值ΔT，即可确定铁水处于失碳或是失硅状态，这样在出铁之前，再次浇注一正常灰口样杯，根据此时铁水的ACEL值即可确定由于铁水保温烧损C或Si需补加的增碳剂或是硅铁合金的量，据此将碳含量和硅含量调整到合适范围；

基于以上分析，本发明提出了一种利用自制圆柱形干型砂样杯通过原铁水测试来调C调Si的方法，在原铁水熔炼好以后，取铁水同时浇注一空样杯和一加适量Te样杯获取正常灰口冷却曲线和白口冷却曲线，根据ACEL、ASiE值及反推得到的AC值可判断出初始铁水的C、Si含量水平并计算铁水平衡脱氧温度T _eq，判断铁水实际保温过程的失C或失Si状态，并根据再次ACEL值的检测结果，最终确定需补加的增碳剂或是硅铁合金或是两者的量（考虑C、Si含量初始偏差及保温烧损量），将C和Si含量调整到合适范围。在铁水成分优化过程中，可再次通过最终球化铁水的正常灰口冷却曲线判定铁水是否处于微亚共晶或共晶状态，并可在下一炉熔炼中进行校正直至达到最优CE、C和Si含量及其比值。

发明内容

本发明的目的是提供一种测试快速、成本低廉为主要特征的球墨铸铁炉前精确调C调Si方法。

上述发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种球墨铸铁炉前精确调C调Si方法，其步骤包括：(1)原铁水按照最终C含量要求，Si含量需减去球化孕育处理的增Si量配料并熔炼，保证最终浇注铁水处于微亚共晶或共晶状态，取刚熔炼好的原铁水浇注两个自制Φ30×50mm圆柱形干型砂样杯1（外套钢管2），第一个样杯为空杯（不添加任何添加剂），用于测试铁水的正常灰口冷却曲线；第二个样杯加入适量碲3，用于测试铁水的白口冷却曲线，另外，还可以使用Φ25×50mm小尺寸样杯加快试样冷却速度，以缩短白口曲线的测试时间；(2)根据灰口冷却曲线的初晶奥氏体温度T _L确定铁水的液相线活性炭当量值ACEL，根据白口冷却曲线的共晶温度T _E确定共晶活性硅当量值ASiE，将得到的ACEL和ASiE值代入液相线碳当量ACEL计算式：ACEL=AC%+1/4ASiE%+1/2P%，P%为当前批次炉料配料的P含量水平值（设为定值），反推得到活性炭含量值AC，至此可判断出初始铁水的C、Si含量水平；(3)将确定好的AC和ASiE值代入Si-O-C反应平衡温度计算方程，从而确定铁水的脱氧反应平衡温度T _eq。根据铁水实际的保温温度T _a与平衡温度值T _eq的差值ΔT，即可确定铁水处于失碳或是失硅状态；(4)再次浇注一正常灰口样杯，根据此时铁水的ACEL值即可最终确定需补加的增碳剂或是硅铁合金或是两者的量（考虑C、Si含量初始偏差及保温烧损量）并进行调C调Si；(5)取最终球化铁水浇注一空样杯，如果铁水处于微亚共晶或共晶状态，原铁水的调C调Si是合格的，如果碳当量值偏差太大，应该在下一炉熔炼时，调整配料，再次使用步骤1-5进行调试，直到合适为止。

所述的一种球墨铸铁炉前精确调C调Si方法，其特征是：通过调整原铁水的C含量和Si含量，保证最终浇注铁水处于微亚共晶或共晶状态。

所述的一种球墨铸铁炉前精确调C调Si方法，其特征是：由灰口曲线的液相线活性炭当量ACEL和白口曲线的共晶活性硅当量值ASiE计算得出活性炭含量值AC，将确定好的AC和ASiE代入Si-O-C反应平衡温度计算方程，从而确定铁水的脱氧反应平衡温度值T _eq。根据铁水实际的保温温度T _a与平衡温度值T _eq的差值ΔT，即可确定铁水处于失碳或是失硅状态。在出铁之前，再次浇注一正常灰口样杯，根据此时铁水的ACEL值即可确定需补加的增碳剂或是硅铁合金或是两者的量（考虑C、Si含量初始偏差及保温烧损量），将C和Si含量调整到合适范围。

所述的一种球墨铸铁炉前精确调C调Si方法，其特征是：再次取最终球化铁水检测共晶度S_C，如若不合适，应该在下一炉熔炼过程中通过调整配料和重复1-5的检测与调试步骤直至达到最优CE、C和Si含量及其比值。

本发明的有益效果：

1.本发明以获取最终微亚共晶或共晶的球化铁水为目标，按照最终C含量要求，Si含量需减去球化孕育处理的增Si量配料并熔炼原铁水，首先检测刚熔炼好原铁水的ACEL、C和Si含量水平并判断铁水保温时的脱碳或失硅状态，再通过保温后铁水的ACEL值判断C或Si的烧损量，最终确定需补加的总的增碳剂或是硅铁合金或是两者的量（考虑C、Si含量初始偏差及保温烧损量）并进行调C调Si。可核实最终球化铁水的共晶度S_C，在下一炉熔炼过程中通过调整配料实现CE、C和Si含量的优化与控制。

2. 本发明由灰口曲线的液相线活性炭当量ACEL和白口曲线的共晶活性硅当量ASiE反推得出活性炭含量值AC，至此可判断出初始铁水的C、Si含量水平（C、Si含量初始偏差）；将确定好的AC和ASiE代入Si-O-C反应平衡温度计算方程，从而确定铁水的脱氧反应平衡温度T _eq。根据铁水实际的保温温度T _a与平衡温度T _eq的差值ΔT确定铁水处于脱碳或是失硅状态，并在出铁之前，再次浇注一正常灰口样杯，根据此时铁水的ACEL值判断出C、Si含量的烧损量，最终确定需补加的增碳剂或是硅铁合金或是两者的量（包括C、Si含量初始偏差及保温烧损量），此时将碳含量和硅含量调整到合适范围。

附图说明：

图1是本发明的测试样杯结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。

通过调整原铁水的C含量和Si含量，保证最终浇注铁水处于微亚共晶或共晶状态。自制Φ30×50mm圆柱形干型砂取样器样杯。杯体材料中不含煤粉等与铁水反应的物质，热偶点由氧化铝等耐火材料涂覆保护。将适量强制白口化物质Te和缓冲剂通过粘结剂混合置于杯底，干型砂样杯可以减少外界因素的影响，测试结果可以很稳定，另外，在该类型样杯使用过程中，外套一壁厚为3mm的钢套起增加强度的作用，防止浇入铁水时样杯溃散。在原铁水刚熔炼好后，取铁水浇注一空样杯和一加Te样杯，获取正常灰口冷却曲线和白口曲线。由灰口曲线的液相线活性炭当量ACEL和白口曲线的共晶活性硅当量值ASiE反推得出活性炭含量值AC，至此可判断出初始铁水的C、Si含量水平（C、Si含量初始偏差）。将确定好的AC和ASiE代入Si-O-C反应平衡温度计算方程，从而确定铁水的脱氧反应平衡温度值T _eq。根据铁水随后的实际保温温度T _a与平衡温度值T _eq的差值ΔT确定铁水处于失碳或是失硅状态。在出铁之前，再次浇注一正常灰口样杯，根据此时铁水的ACEL值判断出C、Si含量的烧损量，最终确定需补加的增碳剂或是硅铁合金或是两者的量（包括C、Si含量初始偏差及保温烧损量），此时将碳含量和硅含量调整到合适范围。

再次取最终球化铁水检测共晶度S_C水平，如若不合适，应该在下一炉熔炼过程中通过调整配料和重复所述检测与调试步骤直至达到最优碳硅含量及其比值。

Claims

1.一种球墨铸铁炉前精确调 C 调 Si 方法，其步骤包括：

(1)原铁水按照最终C含量要求，Si含量需减去球化孕育处理的增Si量配料并熔炼，保证最终浇注铁水处于共晶或近共晶状态，取刚熔炼好的原铁水浇注两个自制Φ30×50mm圆柱形干型砂样杯1（外套钢管2），第一个样杯为空杯（不添加任何添加剂），用于测试铁水的正常灰口冷却曲线；第二个样杯加入适量碲3，用于测试铁水的白口冷却曲线，另外，还可以使用Φ25×50mm小尺寸样杯加快试样冷却速度，以缩短白口曲线的测试时间；

(2)根据灰口冷却曲线的初晶奥氏体温度T _L确定铁水的液相线活性炭当量值ACEL，根据白口冷却曲线的共晶温度T _E确定共晶活性硅当量值ASiE，将得到的ACEL和ASiE值代入液相线碳当量ACEL计算式：ACEL=AC%+1/4ASiE%+1/2P%，P%为当前批次炉料配料的P含量水平值（设为定值），反推得到活性炭含量值AC，至此可判断出初始铁水的C、Si含量水平；

(3)将确定好的AC和ASiE值代入Si-O-C反应平衡温度计算方程，从而确定铁水的脱氧反应平衡温度T _eq，根据铁水实际的保温温度T _a与平衡温度值T _eq的差值ΔT，即可确定铁水处于失碳或是失硅状态；

(4)再次浇注一正常灰口样杯，根据此时铁水的ACEL值即可最终确定需补加的增碳剂或是硅铁合金或是两者的量（考虑C、Si含量初始偏差及保温烧损量）并进行调C调Si；

(5)取最终球化铁水浇注一空样杯，如果铁水处于微亚共晶或共晶状态，原铁水的调C调Si是合格的，如果碳当量值偏差太大，应该在下一炉熔炼时，调整配料，再次使用步骤1-5进行调试，直到合适为止。

2.权利要求1所述的一种球墨铸铁炉前精确调 C 调 Si 方法，其特征是：通过调整原铁水的C含量和Si含量，保证最终浇注铁水处于微亚共晶或共晶状态。

3.根据权利要求1所述的一种球墨铸铁炉前精确调 C 调 Si 方法，其特征是：由灰口曲线的液相线活性炭当量ACEL和白口曲线的共晶活性硅当量值ASiE计算得出活性炭含量值AC，将确定好的AC和ASiE代入Si-O-C反应平衡温度计算方程，从而确定铁水的脱氧反应平衡温度值T _eq，根据铁水实际的保温温度T _a与平衡温度值T _eq的差值ΔT，即可确定铁水处于失碳或是失硅状态，在出铁之前，再次浇注一正常灰口样杯，根据此时铁水的ACEL值即可确定需补加的增碳剂或是硅铁合金或是两者的量（考虑C、Si含量初始偏差及保温烧损量），将C和Si含量调整到合适范围。

4.根据权利要求1所述的一种球墨铸铁炉前精确调 C 调 Si 方法，其特征是：再次取最终球化铁水检测共晶度S_C，如若不合适，应该在下一炉熔炼过程中通过调整配料和重复1-5的检测与调试步骤直至达到最优碳硅含量及其比值。