如何得到最佳铸件

中显创琛

如何得到最佳铸件内在质量  

一．概述
（一）解析铸造生产全过程，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，是保证铸件的使用性能，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关键环节。
（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，除严格控制进料外，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。
, m$ H# k5 ]  x7 t（三）随着社会的发展和进步，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。
# t  \3 {6 I6 I% X5 \: Q& n" o1 J（四）在生产过程中，如何充分利用能源，节约能源。也是当前我们的重要任务之一。
二．铸件内在质量的控制技术参数分析
铸造生产是一个古老而新兴的行业，也是机械行业重要基础件行业。决定着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。
1 X: _. P5 _0 i4 V& r( k9 d6 g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：如何获得好的石墨形态；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；并研究采用什么熔炼方法达到目的。现以表示之。
铁水熔炼质量控制
3 H3 I9 E: f0 |铁水纯净度的控制：
1．元素氧化烧损产生的氧化物夹杂物；
2．熔解氧产生的熔炼性气孔；
3．硫含量的控制，防止硫共晶的产生；
- X2 q9 ?) X  N4．磷含量的控制，防止磷共晶的产生；
3 X! m- O& f1 E( p, [1 Z5．限制微量元素含量在干扰量以下。
铁水熔炼过程控制：
+ R- N( ~$ Z3 Z; h' {1．铁水氧化的控制；
3 L! O' b' g, K; b$ F# E" J8 M2．消除石墨遗传性，获得良好的石墨形态；
9 G+ E( l2 [" @% C3．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）
( {4 `4 |3 U* d; Q) i1 _$ c1．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铁原子，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。
* W* f4 o; H2 e1 I: e5 v) _  ]众所周知：铁水的氧化只要产生在熔化带。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．铁水氧化行气孔的产生与控制
- n: C, }5 Q- W9 M6 r$ _; _冲天炉铁水中的熔解氧，一部分如上所述，与铁水中硅、锰反应生成氧化物夹杂。
, r4 V7 q! W! V6 Z( n4 Ga．一部分溶解氧在石墨表面吸附，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中的碳接触时，碳还原氧化亚铁，也是生成一氧化碳气孔。
1 D& y3 E* i, x0 ]* V（FeO）+（C）＝{CO}↑+（Fe）
2 G( t, _5 g* O& W高温铁水有利于气泡上浮去除。这种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断面。
. U: P' V& {( ]" A' G- K3．铁水含硫含量的控制
% |) g: Z  D/ H+ ]在冲天炉熔炼过程中，焦炭中的硫将有60％进入铁水中。如何控制硫进入铁水，是冲天炉熔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。
1 w( I  W9 C5 U0 o6 X焦炭在风口区燃烧达到高温时，焦炭中的硫呈气体状态逸出，在风口区与氧反应生成二氧化硫（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洁净金属炉料表面或铁滴表面吸附对，产生增硫反应：
- o; ^6 {! E9 J5 X! E3[Fe+SO2]=(FeS)+2(FeO)+△F2……（1）
, Q. T9 X1 j: H; ~% cb．对于已氧化的金属炉料表面，有如下反应：
10（FeO）+SO2=(FeS)+3Fe3O4+△F……（2）
式中的氧化亚铁包括上式反应生成的和炉渣中的。
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。
4 Z3 \# T6 y+ S在冲天炉熔炼过程中能否创造条件脱硫呢？据脱硫的三大条件，即高温、高碱度、低氧化性。这在一般冲天炉中时无法满足的，只有在先进的热风水冷冲天炉熔炼条件下，才能满足上述条件。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1500～1550oC，平均1530 oC，炉渣碱度控制在1.7～2.3时，可稳定地将铁水含硫量降到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炼高级钢的需要。
4．铁水中磷的控制
) [, p* F2 D* P& \' K; v% K3 l) }一般在冲天炉熔炼过程中磷基本上无大变化。磷量的控制主要是从金属炉料控制。
* B& }' R1 c6 D" c; [5．微量干扰元素，微量干扰元素应控制其含量在作用量以下。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。在冲天炉熔炼过程中。
7 Z4 H1 a/ G/ J（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，也就是化学成分的波动范围的控制；也需要保证在满足机械性能的前提下，获得良好的加工性能等等。
1．石墨形态的控制
. ^1 y  @  L; {; Y/ u- ^; g+ V不同的石墨形态，可以得到不同性能的铸铁，各种不同自的铸铁均有一个共同的要求，即石墨应是细小的、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，石墨应该是园整的，我国铸铁生产的原材料有新生铁（铸造生铁）、回炉料、废钢等，新生铁有大量的粗大过晶石墨干和共晶石墨，回炉料以共晶石墨为主，也存在少量的过共晶石墨。因此，在熔炼过程中，要保证得到上述要求的：石墨形态，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。
根据我们以及世界各国的研究，粗大的过共晶石墨在铁水温度达到1500 oC，并保持6～9妙钟可以溶化到结晶临界半径以下，只有在这样的熔炼条件下，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、球墨铸铁对铁水的熔炼温度是有要求的，其铁水熔炼温度应控制在1500 oC以上，最高不超过1550 oC，以1530 oC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Gopat V.Panchathan V在1978年曾经做过冲天炉、回转炉、电炉熔炼的铁水性能对比试验，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。而电炉熔炼铁水的相对强度低，使用性能较差，相对硬度较高，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。
为什么冲天炉铁水优于电炉呢？冲天炉熔炼过程是熔化带熔化的铁滴在焦炭表面滚动中下落的，造成了铁水微观增碳的不均匀性，故其结晶过冷度较小，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的均匀化，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
在一般有炉衬冷风冲天炉中，随着熔炼时间的延长，炉衬的烧损，炉径将不断地扩大，如补焦不及时，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％是困难的。如采用热风水冷无炉衬冲天炉，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。从而保证各种铸件铁牌号的准确稳定生产。
4．铁水的最佳熔炼温度控制
2 Y( F* ]! S+ g0 v2 e综上所述，保证铁水的内在质量熔炼温度应在15000C，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15500C，将增加铁水的结晶过冷度，对使用性能不利。
5 f/ }5 W( S9 J; ]( X' J- D) O故从铁水嫩内在的质量分析，铁水的熔炼温度范围应是1500～15500C，最佳温度15300C。
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三．铸铁的生产工艺过程参数
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：
2 Q. z7 P  M" \5 H$ R（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、短而均匀的、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。其生产工艺的参数要求如下：
1．铁水熔炼温度1500～15500C，稳定15300C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，使孕育剂迅速溶解于铁水中，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14500C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1400～14400C范围内。
# d2 o) P  J: Z" l综上所述，为保证孕育处理温度，前炉出铁温度不得低于14500C。如以5t/冲天炉为例，前炉出铁三包后，铁水前炉降温一般稳定在500C左右，则铁水过桥温度应在15000C以上，才能保证随后的处理参数。这与熔炼控制温度是一致的。
. B5 J; P& G/ f+ Z# x: b: x% E4．典型证例分析
现以德国奔驰汽车厂气缸缸盖检验项目及性能表分析说明：在14项项目中，从第8项到14项共6项是属熔炼过程应控制参数。而从1到7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项的结果的。原理前面已说明，在此不再重复。
由此可知，铸铁熔炼过程参数的严格控制，是保证铸件内在质量的关键。
& r" k% p) j' ]8 g8 M# r（二）球墨铸铁生产工艺过程参数要求
6 p) G/ H* q4 P$ Q8 G  X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。具体要求分述如下：
1．铁水的熔炼温度：
  h- U* \; Y5 j$ ^: i- D1 |a．要得到细小的、圆整的、均匀的球状石墨形态，首先就得将过共晶石墨溶解到结晶临界半径以下，熔炼温度高于15000C。
b．要得到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15000C以上。
0 l4 y% G2 _% Z; ]; x% Xc．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15000C，温度愈高，控制效果愈好，在15300C最佳。
如果采用高科技的热风水冷冲天炉，有高的熔炼温度：低的氧化性气氧，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，只需在炉前加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0.02～0.038％最佳值范围内，可节约球化剂、稳定球铁生产，得到高质量的球墨铸铁。
3 L; M. m* ]) k8 I2 z终上所述，球铁铁水的熔炼温度应高于15000C，稳定在15300C左右最佳，不超过15500C。
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，比重比铁轻的氧化物，夹杂和气体能充分上浮渣中，其适合的处理温度国际、国内均在14000C，过高球化剂损失过大，过低不利于氧化物夹渣和气体上浮。
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合。采用瞬时孕育方法较好。
终上所述，球墨铸铁铁水过桥温度应控制在15000C以上，以15300C左右最佳。

四．铸铁熔炼设备的最佳选择
终上所述，在各种熔炼设备中，以热风水冷冲天炉为最佳。现分别介绍如下：
（一）热风水冷冲天炉的综合优势
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。国外为2－3％
7 M9 z, ?1 f! U  N2．生产效率高：一次点火开炉，可连续熔炼3个月以上。适应现代化大规模连续生产的需要。国外100～120T/h的热风水冷冲天炉正在发展。
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；以及采用了自热、外热式热风，回收了大量的热能。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。不计废品率的降低，一台15T/h炉，每天工作两班，以上四项每月至少可节省30万元以上，年计共360万元。
+ ]/ L# F+ m" u+ ~* F5．高标准的环保措施：整个除尘系统式封闭的无泄漏，采用布袋除尘器可控制烟尘含量<50mg/m3，热风装置已燃尽所以的一氧化碳彻底消除了一氧化碳对大气的污染，其烟囱可很低，看不见黑色烟囱。其洁净度已打打豪语现在的环保要求。
6．高的设备投资回收率，目前我们生产的全自动控制的IOTh热风水冷冲天炉交钥匙工程，从国外引进相图的设备系统需要4500万元人民币和要求90％以上的固定碳的铸造焦，故我们生产的设备一般不到一年即可收回全部投资。
（二）热风水冷冲天炉系统的结构特点：
1．冲天炉本体，为高炉炉形，干式炉底，电动或气动炉底启闭机构，前炉组成。
2．水冷系统：插入式铜质，循环水冷风嘴，雨淋式循环水冷炉壳，水冷却塔，水泵组、水池组成。
- H7 z" P4 j1 k6 J3．热风系统：由雾化水冷装置控温的燃烧室，换热器、热风管道等组成。
0 U: Y( q0 l: ]. S) T; `4．炉气冷却塔，有自然风冷、强制风冷，多管水冷等任选。其中以自然风冷最好。
& ^3 E1 `2 |2 A( j5．除尘系统：由料塞、抽气室、炉气管道、电控野风阀、除尘器。引风机烟囱组成的封闭除尘系统。排入大气的烟尘不含一氧化碳，烟尘含量可控制在<50mg/m3，一般在30～40mg/m3。
6．加料系统：由辅料组合斗，金属炉料斗，振动给料组合装置，加料小车，加料桶。电动提升机组成。
7．炉渣粒化系统，由炉渣溜槽、水池、捞渣机、可控炉渣储存卸料斗等组成。
- @7 q: W; a3 |# Z8．电控系统：完成从加料到出铁水全过程的自动化操作调控系统，只需一人在中控室设定、调整工艺参数操作即可。
以上系统，使用80％以上固定碳的焦炭，出铁温度稳定控制在1500～15500C。而国外要求固定碳为90％以上的铸造焦，价格相差一倍以上，而且购买困难。系统示意图附后，使用寿命在十年以上。

xiayaxi

谢谢楼主   看看学习

zhaoyangyang

为什么冷风水冷冲天炉不能做成碱性炉？能不能给予分析？谢谢

范恋雪

回复那样炉衬就保不住了啊

zenghi123

学习...            

铸冶艺人

总的来讲，文章很好！但是对热风和环保谈得太少。对冲天炉冶金质量的肯定非常认可，对灰口铸铁冶金质量的举例都很实际。谢谢。

windak

铁水熔炼质量控制方面有关氢气孔及氮气孔方面没有论及，盼望看到这方面的知识。