高質(zhì)量的鑄鐵件的生產(chǎn)流程
一.概述
(一)解析鑄造生產(chǎn)全過程,其核心環(huán)節(jié)是熔煉合格的鐵水,注到合格的鑄型中成形,合格的鑄型主要保證鑄件的形狀和尺寸精度。合格的鐵水內(nèi)在質(zhì)量,是保證鑄件的使用性能,保證使用壽命,使用的可靠性。故鐵水的熔煉質(zhì)量是鑄造生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
(二)鑄造行業(yè),是一個跨冶金和機械,涉及專業(yè)面非常廣泛的行業(yè),影響因素非常多,生產(chǎn)過程控制難度非常大。穩(wěn)定生產(chǎn)質(zhì)量,除嚴格控制進料外,實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化,zui大限度排除人為因素的干擾,用設(shè)備系統(tǒng)保證工藝過程的質(zhì)量和穩(wěn)定性,已是我國當(dāng)前提高生產(chǎn)質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低成本的有效措施。
(三)隨著社會的發(fā)展和進步,人們環(huán)保意識的提高,對環(huán)保的要求也愈來愈高,應(yīng)有相應(yīng)的環(huán)保措施。以達到相應(yīng)的環(huán)保要求。
(四)在生產(chǎn)過程中,如何充分利用能源,節(jié)約能源。也是當(dāng)前我們的重要任務(wù)之一。
二.鑄件內(nèi)在質(zhì)量的控制技術(shù)參數(shù)分析
鑄造生產(chǎn)是一個古老而新興的行業(yè),也是機械行業(yè)重要基礎(chǔ)件行業(yè)。決定著機械設(shè)備的使用壽命和使用可靠性。通過數(shù)千年的生產(chǎn)實踐積累,科學(xué)研究,從宏觀認識深入到微觀理論,有了巨大的發(fā)展,不斷揭示鑄件生產(chǎn)過程中、穩(wěn)定完成技術(shù)參數(shù)的控制,就可保證鑄件的使用性能,從而保證機械設(shè)備的使用壽命、使用的可靠性。
要生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄件,首先就需要研究影響鑄鐵性能的因素,也就是如何提高熔煉鐵水的純凈度:如何獲得好的石墨形態(tài);化學(xué)成分波動范圍的控制等,研究解決上述問題的技術(shù)控制參數(shù);并研究采用什么熔煉方法達到目的。
鐵水熔煉質(zhì)量控制
鐵水純凈度的控制:
1.元素氧化燒損產(chǎn)生的氧化物夾雜物;
2.熔解氧產(chǎn)生的熔煉性氣孔;
3.硫含量的控制,防止硫共晶的產(chǎn)生;
4.磷含量的控制,防止磷共晶的產(chǎn)生;
5.限制微量元素含量在干擾量以下。
鐵水熔煉過程控制:
1.鐵水氧化的控制;
2.消除石墨遺傳性,獲得良好的石墨形態(tài);
3.控制化學(xué)成分的波動范圍,獲得準確的化學(xué)成分;
4.鐵水熔煉溫度的控制;
5.*熔煉方法的選擇和相應(yīng)的設(shè)備系統(tǒng)。
(一)
1.元素?zé)龘p及氧化物夾雜
鐵水中的硅、錳元素的氧化燒損,是通過爐氣中的氧和二氧化碳吸附于鐵滴表面后熔入鐵水中。此時熔解氧為原子態(tài)。首先與鐵原子反應(yīng)生成氧化亞鐵,由于硅、錳與氧的親和力大于鐵原子,硅、錳原子將生鐵原子從氧化七亞鐵中還原出來,自身被氧化形成硅、錳氧化物夾雜。
*:鐵水的氧化只要產(chǎn)生在熔化帶。由于空氣中的氧在氧化帶已基本燃燒光。形成二氧化碳;故鐵水在熔化帶被氧化的氧原子主要由二氧化碳提供,減少熔化帶的二氧化碳量就能控制鐵水在熔化帶被氧化,由于二氧化碳遇紅熱焦炭被還原,是吸熱反應(yīng),故提高還原帶的爐氣溫度可減少爐氣中二氧化碳的含量,減少硅、錳燒損。故熱風(fēng)沖天爐能有效控制元素氧化燒損。
2.鐵水氧化行氣孔的產(chǎn)生與控制
沖天爐鐵水中的熔解氧,一部分如上所述,與鐵水中硅、錳反應(yīng)生成氧化物夾雜。
a.一部分溶解氧在石墨表面吸附,氧化石墨生成一氧化碳氣。
即:(C)石墨+[O]={CO}↑
b.當(dāng)生成的氧化亞鐵于鐵水中的碳接觸時,碳還原氧化亞鐵,也是生成一氧化碳氣孔。
(FeO)+(C)={CO}↑+(Fe)
高溫鐵水有利于氣泡上浮去除。這種熔煉過程中鐵水氧化生成的氣孔叫熔煉性氣孔,其特點時呈細小均勻的分布于鑄件斷面。
3.鐵水含硫含量的控制
在沖天爐熔煉過程中,焦炭中的硫?qū)⒂?/span>60%進入鐵水中。如何控制硫進入鐵水,是沖天爐熔煉質(zhì)量控制的重要任務(wù)之一。首先了解硫進入鐵水的過程,才能找到控制鐵水增硫的途徑。
焦炭在風(fēng)口區(qū)燃燒達到高溫時,焦炭中的硫呈氣體狀態(tài)逸出,在風(fēng)口區(qū)與氧反應(yīng)生成二氧化硫(SO2)氣體。隨著爐氣上升,與鐵料產(chǎn)生增硫途徑有二:
a.當(dāng)二氧化硫與尚沒氧化的潔凈金屬爐料表面或鐵滴表面吸附對,產(chǎn)生增硫反應(yīng):
3[Fe+SO2]=(FeS)+2(FeO)+△F2……(1)
b.對于已氧化的金屬爐料表面,有如下反應(yīng):
10(FeO)+SO2=(FeS)+3Fe3O4+△F……(2)
式中的氧化亞鐵包括上式反應(yīng)生成的和爐渣中的。
以上兩個放熱反應(yīng)在沖天爐條件下都可以進行,但反應(yīng)式(2)順向性比(1)大,故在金屬表面氧化嚴重時,增硫劇烈。試驗表明,金屬爐料的滲硫深度可達1~3mm。當(dāng)鐵料原始含硫量為0.082%時,增層內(nèi)硫量可達0.45%之多。由此可知,清除金屬爐料的鐵銹,可減少增硫。
在沖天爐熔煉過程中能否創(chuàng)造條件脫硫呢?據(jù)脫硫的三大條件,即高溫、高堿度、低氧化性。這在一般沖天爐中時無法滿足的,只有在先進的熱風(fēng)水冷沖天爐熔煉條件下,才能滿足上述條件。在熱風(fēng)水冷沖天爐熔煉過程中,由于高溫、鐵水氧化性低,無爐襯,可造堿性渣,當(dāng)鐵水在1500~1550℃,平均1530 ℃,爐渣堿度控制在1.7~2.3時,可穩(wěn)定地將鐵水含硫量降到0.04%,在包中輔以脫硫措施或采用爐前連續(xù)脫硫,就可將硫控制在0.02~0.03%,充分滿足球鐵生產(chǎn)和轉(zhuǎn)爐煉鋼的需要。
4.鐵水中磷的控制
一般在沖天爐熔煉過程中磷基本上無大變化。磷量的控制主要是從金屬爐料控制。
5.微量干擾元素,微量干擾元素應(yīng)控制其含量在作用量以下。在熔煉過程中,高溫有利于低熔點干擾元素的氧化、燒損。其含量相應(yīng)的減少。但控制主要從金屬爐料的選擇解決之一。在沖天爐熔煉過程中。
(二)鐵水熔煉過程因素的控制
鑄鐵與鋼之所以不同,是因為有了石墨的存在,對石墨形態(tài)的控制,就是鑄鐵熔煉過程控制關(guān)鍵之一;同時在熔煉過程中必須保證獲得各種基體組織的成分要求,也就是化學(xué)成分的波動范圍的控制;也需要保證在滿足機械性能的前提下,獲得良好的加工性能等等。
1.石墨形態(tài)的控制
不同的石墨形態(tài),可以得到不同性能的鑄鐵,各種不同自的鑄鐵均有一個共同的要求,即石墨應(yīng)是細小的、均勻的,對孕育鑄鐵的石墨則應(yīng)是短而鈍頭的,對球墨鑄鐵來說,石墨應(yīng)該是園整的,我國鑄鐵生產(chǎn)的原材料有新生鐵(鑄造生鐵)、回爐料、廢鋼等,新生鐵有大量的粗大過晶石墨干和共晶石墨,回爐料以共晶石墨為主,也存在少量的過共晶石墨。因此,在熔煉過程中,要保證得到上述要求的:石墨形態(tài),首先就必須將粗大的過共晶石墨和共晶溶解到結(jié)晶臨界半徑以下,在重新結(jié)晶的條件下,才能得到上述要求的石墨形態(tài)。這就是消除石墨遺傳性。只要存在原始石墨,在隨后的重新結(jié)晶時,碳原子就會在原始石墨上生長造成石墨的大小不均勻及尖頭石墨。石墨尖頭會造成虛力集中,在應(yīng)力作用下裂口延伸以致斷裂,降低另件使用的可靠性和性。
根據(jù)我們以及世界各國的研究,粗大的過共晶石墨在鐵水溫度達到1500 ℃,并保持6~9妙鐘可以溶化到結(jié)晶臨界半徑以下,只有在這樣的熔煉條件下,生產(chǎn)的高牌號孕育鑄鐵或球墨鑄鐵的質(zhì)量是可靠的。故生產(chǎn)孕育鑄鐵、球墨鑄鐵對鐵水的熔煉溫度是有要求的,其鐵水熔煉溫度應(yīng)控制在1500 ℃以上,zui高不超過1550 ℃,以1530 ℃為*。
2.鑄鐵熔煉方法的選擇
不同的鑄鐵熔煉方法,具有不同的熔煉條件。其熔煉的鐵水澆出的鑄件性能也差異。德國人Gopat V.Panchathan V在1978年曾經(jīng)做過沖天爐、回轉(zhuǎn)爐、電爐熔煉的鐵水性能對比試驗,發(fā)現(xiàn)沖天爐熔煉的鐵水鑄件相對強度高,使用性能好,相對硬度低,加工性能好。而電爐熔煉鐵水的相對強度低,使用性能較差,相對硬度較高,加工性能較差。回轉(zhuǎn)爐居中。二汽陳勉已總工在九華山鑄造學(xué)會年會上介紹:要得到好的汽車鑄件,采用沖天爐熔煉鐵水*。大家都知道,二汽是采用電爐熔煉的。
為什么沖天爐鐵水優(yōu)于電爐呢?沖天爐熔煉過程是熔化帶熔化的鐵滴在焦炭表面滾動中下落的,造成了鐵水微觀增碳的不均勻性,故其結(jié)晶過冷度較小,結(jié)晶晶粒細化,不易產(chǎn)生白口,而電爐熔煉鐵水是在隔絕碳的情況下進行的,同時造成碳原子分布的均勻化,使其結(jié)晶過冷度增大,使鑄件表面白口傾向增加。據(jù)國外統(tǒng)計,對于沖天爐鑄件其加工刀具磨損率增加35%,加工時增加45%。增加了機械成本。
3.化學(xué)成分波動范圍的控制
在一般有爐襯冷風(fēng)沖天爐中,隨著熔煉時間的延長,爐襯的燒損,爐徑將不斷地擴大,如補焦不及時,量不準確,將造成低焦頂面波動增大,不僅溫度降低,鐵水氧化燒損增加,同時增大了化學(xué)成分的波動范圍,要控制碳的波動在±0.10%是困難的。如采用熱風(fēng)水冷無爐襯沖天爐,熔化過程中爐襯穩(wěn)定不變,消除了上述問題,化學(xué)成分波動范圍能得到穩(wěn)定的控制。從而保證各種鑄件鐵牌號的準確穩(wěn)定生產(chǎn)。
4.鐵水的*熔煉溫度控制
綜上所述,保證鐵水的內(nèi)在質(zhì)量熔煉溫度應(yīng)在1500℃,在該溫度鐵水氧化物夾雜、氣孔zui低抑止增硫,消除石墨遺傳性,穩(wěn)定化學(xué)成分波動范圍均能得到保證。如果超過1550℃,將增加鐵水的結(jié)晶過冷度,對使用性能不利。故從鐵水嫩內(nèi)在的質(zhì)量分析,鐵水的熔煉溫度范圍應(yīng)是1500~1550℃,*溫度1530℃。
三.鑄鐵的生產(chǎn)工藝過程參數(shù)
在鑄鐵生產(chǎn)過程中,各種不同的鑄鐵都有不同的工藝參數(shù)要求?,F(xiàn)分述如下:
(一)孕育鑄鐵的生產(chǎn)工藝過程參數(shù)要求
孕育鑄鐵要求得到細小的、短而均勻的、鈍頭的石墨,保證其同一斷面的性能齊一性和不同斷面性能均勻性。其生產(chǎn)工藝的參數(shù)要求如下:
1.鐵水熔煉溫度1500~1550℃,穩(wěn)定1530℃*。以保證獲得鐵水的高純度,消除石墨的遺傳性,經(jīng)孕育處理得到細小的,均勻的,短而鈍頭的石墨形態(tài)。
2.孕育處理溫度,應(yīng)保證在孕育處理過程中,使孕育劑迅速溶解于鐵水中,并在微觀中存在濃度差,保證在隨后的冷卻凝固的結(jié)晶過程中形成足夠多的結(jié)晶核心,一般處理應(yīng)控制在14500℃左右為佳。
3.澆注溫度,一般據(jù)鑄件壁厚確定以汽車鑄件為例,據(jù)鑄件壁厚形狀不同,一般在1400~1440℃范圍內(nèi)。
綜上所述,為保證孕育處理溫度,前爐出鐵溫度不得低于1450℃。如以5t/沖天爐為例,前爐出鐵三包后,鐵水前爐降溫一般穩(wěn)定在500C左右,則鐵水過橋溫度應(yīng)在1500℃以上,才能保證隨后的處理參數(shù)。這與熔煉控制溫度是一致的。
4.典型證例分析
現(xiàn)以德國奔馳汽車廠氣缸缸蓋檢驗項目及性能表分析說明:在14項項目中,從第8項到14項共6項是屬熔煉過程應(yīng)控制參數(shù)。而從1到7和11項,主要是成分配比確定,但熔煉過程有相當(dāng)大的影響作用。如果熔煉過程控制不能滿足8到14項相應(yīng)要求是不可能得到1到7項的結(jié)果的。原理前面已說明,在此不再重復(fù)。
由此可知,鑄鐵熔煉過程參數(shù)的嚴格控制,是保證鑄件內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵。
(二)球墨鑄鐵生產(chǎn)工藝過程參數(shù)要求
球墨鑄鐵的生產(chǎn),目的是要求得到細小的、圓整的、均勻的球狀石墨。具體要求分述如下:
1.鐵水的熔煉溫度:
a.要得到細小的、圓整的、均勻的球狀石墨形態(tài),首先就得將過共晶石墨溶解到結(jié)晶臨界半徑以下,熔煉溫度高于1500℃。
b.要得到好的延伸率和強度性能,必須使晶粒邊界上氧化物夾雜、熔煉性氣孔zui少。據(jù)前所述相應(yīng)的熔煉溫度應(yīng)在1500℃以上。
c.控制硫含量在0.03~0.02%,控制焦炭加入量,控制氧化帶以上的二氧化碳量,以減少焦炭中硫進入量,其熔煉溫度應(yīng)大于1500℃,溫度愈高,控制效果愈好,在1530℃*。
如果采用高科技的熱風(fēng)水冷沖天爐,有高的熔煉溫度:低的氧化性氣氧,無爐襯操作,同時將爐渣的堿度控制到1.7~2.3,可爐內(nèi)脫硫,使硫量降到0.04%左右,此時,只需在爐前加簡單的連續(xù)脫硫裝置或采用包內(nèi)脫硫方法即可穩(wěn)定地控制硫含量在0.02~0.038%*值范圍內(nèi),可節(jié)約球化劑、穩(wěn)定球鐵生產(chǎn),得到高質(zhì)量的球墨鑄鐵。
終上所述,球鐵鐵水的熔煉溫度應(yīng)高于1500℃,穩(wěn)定在1530℃左右*,不超過1550℃。
2.球化處理溫度
合適的球化處理溫度,應(yīng)保證球化劑充分作用,比重比鐵輕的氧化物,夾雜和氣體能充分上浮渣中,其適合的處理溫度、國內(nèi)均在1400℃,過高球化劑損失過大,過低不利于氧化物夾渣和氣體上浮。
3.孕育劑加入溫度,一般結(jié)合具體鑄件的澆注溫度確定。但必須控制孕育劑粒度和澆注溫度的配合。采用瞬時孕育方法較好。
終上所述,球墨鑄鐵鐵水過橋溫度應(yīng)控制在1500℃以上,以1530℃左右*。
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