蠕化鐵水質(zhì)量的在線檢測(cè)

馬建華

(天津匯豐探測(cè)裝備有限公司,天津 300402)

1 蠕鐵生產(chǎn)的條件和瓶頸

蠕墨鑄鐵的石墨形態(tài)呈蠕蟲(chóng)狀，其強(qiáng)度性能介于灰鐵和球鐵之間。蠕墨鑄鐵以其鑄造性能、減振性能優(yōu)于球鐵；強(qiáng)度、韌性、導(dǎo)熱能力、熱疲勞性能優(yōu)于灰鑄鐵；引起人們的普遍重視和廣泛應(yīng)用。

蠕鐵生產(chǎn)有兩種不同的生產(chǎn)方法：工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家依仗著他們先進(jìn)的在線檢測(cè)手段采用欠球化法生產(chǎn)蠕鐵，蠕化率穩(wěn)定在80%以上。國(guó)內(nèi)由于缺乏先進(jìn)的在線檢測(cè)手段，大多采用反球化法生產(chǎn)蠕鐵，蠕化率僅達(dá)50%以上。為抑制球狀石墨的生成向鐵水中添加反球化成分,不僅造成了資源的浪費(fèi)，反球化成分還會(huì)生成碳化物影響鑄件的加工性能，其回爐鐵還會(huì)帶來(lái)污染其他材質(zhì)的后患。因此走欠球化法生產(chǎn)蠕鐵的工藝路線，才是我國(guó)蠕鐵生產(chǎn)發(fā)展的健康之路。

國(guó)內(nèi)外專家總結(jié)了蠕鐵的欠球化法生產(chǎn)條件：

1.1 蠕化鐵水的共晶度控制

當(dāng)蠕化鐵水在過(guò)共晶狀態(tài)時(shí)，首先凝固出來(lái)的是石墨。先析石墨的形態(tài)是不可控的，因此必然會(huì)影響凝固組織中蠕蟲(chóng)狀石墨的比例。

蠕化鐵水的共晶度控制在共晶點(diǎn)時(shí)，蠕化鐵水的液相溫度最低、流動(dòng)性最好。比亞共晶狀態(tài)生成的蠕蟲(chóng)狀石墨多，有利于提高蠕鐵的減振性和熱疲勞性能。

1.2 澆注時(shí)刻蠕化鐵水的活性鎂含量應(yīng)控制在0.008%-0.016%

鐵水吸收鎂蒸汽獲得的活性鎂，首先與鐵水中的S、O、N反應(yīng)生成MgS、MgO、MgN。剩余的活性鎂對(duì)石墨的生長(zhǎng)方向起引導(dǎo)作用。

雖然定量加入蠕化劑的Mg量一定，當(dāng)逃逸的鎂蒸氣不確定時(shí)，鐵水吸收的活性鎂量也不確定。當(dāng)原鐵水中的S、O、N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不穩(wěn)定時(shí)，反應(yīng)后剩余的活性鎂量也不穩(wěn)定。

扒渣、向澆注場(chǎng)地轉(zhuǎn)運(yùn)鐵水和澆注過(guò)程中，蠕化鐵水表面會(huì)吸收大氣中的氧，蠕化鐵水中的活性鎂會(huì)隨著時(shí)間以(0.001%/5min)的速度氧化。因此澆注前活性鎂含量的控制，要考慮到上述動(dòng)態(tài)因素對(duì)活性鎂含量的影響。

由上圖可見(jiàn)：澆注時(shí)刻蠕鐵穩(wěn)定區(qū)的活性鎂含量范圍在(0.008%-0.016%)?；钚枣V含量不足0.008%時(shí)，只產(chǎn)生大量的片狀石墨。活性鎂含量超過(guò)了0.016%時(shí)，會(huì)使球狀石墨的比例迅速增加。因此澆注時(shí)刻活性鎂含量的控制，是滿足高質(zhì)量蠕鐵穩(wěn)定生產(chǎn)的必備手段。

1.3 蠕化鐵水凝固時(shí)刻溫度控制

蠕化鐵水在凝固時(shí)刻的核心數(shù)量，影響著蠕狀石墨和球狀石墨的生成比例。當(dāng)共晶再輝溫度超過(guò)12℃時(shí)球狀石墨的生成比例迅速提高，當(dāng)共晶再輝溫度低于8℃時(shí)凝固組織中會(huì)產(chǎn)生游離滲碳體。

鐵水中的型核物質(zhì)來(lái)源于組織遺傳和孕育處理兩個(gè)方面。由爐料遺傳來(lái)的型核物質(zhì)，隨著原鐵水過(guò)熱溫度的提高和過(guò)熱時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐漸消融。長(zhǎng)時(shí)間的高溫熔解會(huì)使鐵水中氧的平衡濃度降低，影響鐵水的受孕能力。孕育處理引入鐵水中的型核物質(zhì)也會(huì)隨著澆注時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸衰退。

因此在蠕化鐵水的核心量控制時(shí)，需考慮上述動(dòng)態(tài)因素對(duì)核心量的影響。針對(duì)具體的工藝路線布局和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，鐵水輸送時(shí)間、澆注時(shí)間、澆注溫度等因素來(lái)確定孕育劑的加入量。以保證蠕化鐵水在凝固時(shí)刻的核心量在8℃-12℃共晶再輝溫度范圍。

蠕鐵生產(chǎn)的瓶頸在于對(duì)蠕化鐵水的共晶度、澆注時(shí)刻的活性鎂含量、凝固時(shí)刻的核心數(shù)量，這三大要素在窄小范圍的精確控制。以往灰鐵和球鐵生產(chǎn)中采用的那些粗略控制手段，已不能滿足高蠕化率鑄件的穩(wěn)定生產(chǎn)條件。因此要精確命中三大要素的窄小范圍，首先要解決三大要素的測(cè)量和精確補(bǔ)加手段問(wèn)題。

2 蠕鐵測(cè)量方法三要素

2.1 蠕化鐵水共晶度的測(cè)量

間接用光譜儀測(cè)量的鐵水成分、含量計(jì)算共晶度的方法，存在以下的不確定度：(1)光譜儀受測(cè)量通道和標(biāo)樣的限制,不能完全測(cè)量鐵水中全部成分的含量。(2)到目前為止鐵水中每個(gè)成分對(duì)共晶度的作用方向、每個(gè)成分的含量對(duì)共晶度作用的系數(shù)還沒(méi)完全搞清楚。因此用光譜儀測(cè)量的鐵水成分、含量間接計(jì)算共晶度的方法，在自變量不全、系數(shù)未全部確定的條件下,不可能得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。不準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果,也必然會(huì)誤導(dǎo)對(duì)共晶度控制的準(zhǔn)確性。

使用熱分析儀測(cè)量凝固鐵水的初晶、共晶溫度差，是直接測(cè)量鐵水共晶度唯一準(zhǔn)確的方法。當(dāng)凝固過(guò)程中沒(méi)有初晶組織析出、凝固溫度曲線上只有共晶溫度平臺(tái)時(shí)，說(shuō)明該鐵水是共晶度Sc=1的共晶鐵水。當(dāng)凝固溫度曲線上的初晶、共晶溫度差越小，說(shuō)明該鐵水是越接近共晶點(diǎn)的亞共晶鐵水。由于過(guò)共晶鐵水首先析出石墨，所以凝固溫度曲線上的特征是：既沒(méi)有初晶平臺(tái)，還存在著共晶再輝。

熱分析法通過(guò)測(cè)量次生奧氏體與初生奧氏體+次生奧氏體的比例，計(jì)算出被測(cè)鐵水的共晶度。

2.2 蠕化鐵水活性鎂含量的測(cè)量

目前還沒(méi)有直接測(cè)量鐵水中活性鎂含量的方法，光譜儀還不能識(shí)別樣品中的活性鎂。用光譜儀測(cè)量的鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，是包含了Mg、MgO、MgS、MgN等在內(nèi)的總鎂量。用化學(xué)分析方法分析鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的過(guò)程時(shí)間太長(zhǎng)，遠(yuǎn)不適應(yīng)爐前在線檢測(cè)的要求。

在線快速測(cè)量鐵水中活性鎂含量的方法，是根據(jù)“氧高鎂低”的鎂-氧平衡原理，用間接測(cè)量鐵水中活性氧含量的方法導(dǎo)出活性鎂含量。煉鋼生產(chǎn)中使用的低氧定氧探頭,可用于測(cè)量蠕化鐵水中的活性氧含量。但由于低氧定氧探頭的價(jià)格昂貴，在蠕鐵生產(chǎn)的活性鎂含量測(cè)量中未能采用。

在碳當(dāng)量不變的前提下，鐵水中的O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響鐵水的液相線溫度。[1]據(jù)此我們研發(fā)了脫氧比對(duì)樣杯：

蠕化后的被測(cè)鐵水澆入同一澆口的兩只樣杯，其中一只樣杯定量添加脫氧劑。熱分析儀同時(shí)測(cè)量?jī)芍粯颖哪虦囟惹€。通過(guò)脫氧與不脫氧樣杯中鐵水的液相線溫度差,間接導(dǎo)出蠕化鐵水中的活性鎂相對(duì)量。

以變質(zhì)率這個(gè)無(wú)量綱的項(xiàng)目名稱，報(bào)告出活性鎂的相對(duì)量。

3 蠕化鐵水的共晶再輝溫度測(cè)量

在鐵水凝固溫度曲線上，從共晶過(guò)冷點(diǎn)開(kāi)始的共晶再輝溫度，量化的反映被測(cè)鐵水中的核心量。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)被廣泛的用于高端鑄鐵生產(chǎn)孕育效果的檢測(cè)。在我國(guó)由于高端鑄鐵的生產(chǎn)少，沒(méi)有引起業(yè)界的廣泛重視。因此也沒(méi)有享受到熱分析檢測(cè)手段，給高端鑄鐵生產(chǎn)帶來(lái)的紅利。蠕鐵苛刻的生產(chǎn)條件將倒逼著我們采用熱分析手段檢測(cè)鐵水中的核心量。

從不添加脫氧劑樣杯中獲取的凝固溫度曲線上，以0.1℃分辨力識(shí)別出共晶過(guò)冷點(diǎn)溫度值和共晶再輝點(diǎn)溫度值，即可計(jì)算出被測(cè)鐵水的共晶再輝溫度。以形核率這個(gè)無(wú)量綱的項(xiàng)目名稱，報(bào)告出鐵水中型核物質(zhì)的核心量。

4 蠕鐵欠球化法生產(chǎn)流程

欠球化法生產(chǎn)蠕鐵的工藝流程要點(diǎn)是：

(1)配料時(shí)選擇反球化成分(S、Ti、Al、Pb、Te)含量低的爐料，是穩(wěn)定蠕鐵生產(chǎn)的前提條件。選擇爐料的反球化成分含量越低，使用的蠕化劑量越少。

(2)以蠕化后鐵水的共晶度Sc=1為目標(biāo)，在原鐵水配料時(shí)預(yù)留蠕化處理產(chǎn)生的共晶度提高量。注意：使用不同的蠕化劑、孕育劑，共晶度提高的程度不一樣。

(3)在配料時(shí)配足合金量，不得在出鐵時(shí)使用沖入法作為合金加入方法。以免沖入合金時(shí)的激冷型核，影響蠕化鐵水的核心量控制精度。

(4)原鐵水熔解后取光譜樣片，檢測(cè)反球化成分是否在控制范圍。澆熱分析樣杯檢測(cè)共晶度是否在控制范圍。調(diào)整到控制范圍后，調(diào)整鐵水溫度準(zhǔn)備出鐵。

(5)蠕化預(yù)處理用鐵水包的高徑比要大于1.8，預(yù)處理前不得盛接過(guò)原鐵水或灰鐵鐵水。以防止向蠕化處理后的鐵水陸續(xù)返硫，增加蠕化鐵水的衰變因素。

(6)蠕化劑、孕育劑的掩埋，以蠕化反應(yīng)時(shí)鐵水表面看不到鎂光為準(zhǔn)。蠕化劑的鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高要求掩埋層的厚度越大、要求吸收鎂蒸氣的鐵水高度越高。以防止鎂蒸氣在上浮中不能被鐵水完全吸收，發(fā)生鎂蒸氣逃逸。

(7)蠕化預(yù)處理后，鐵水中的[S]、[O]、[N]及其化合物與[Mg]反應(yīng)后達(dá)到新的平衡濃度。取預(yù)處理后的鐵水澆入脫氧比對(duì)樣杯，可檢測(cè)出剩余的活性鎂含量和鐵水中的型核核心量。

(8)確定檢測(cè)時(shí)刻變質(zhì)率、形核率的目標(biāo)值，應(yīng)包含鐵水在后續(xù)的扒渣時(shí)間、轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間、澆注時(shí)間的衰減因素。以確保收得率的喂絲法精確補(bǔ)足變質(zhì)率、形核率檢測(cè)結(jié)果與變質(zhì)率、形核率目標(biāo)值的差額。

(9)喂絲機(jī)根據(jù)無(wú)線電傳送的熱分析測(cè)量結(jié)果和叉車秤傳送的鐵水重量，計(jì)算活性鎂與型核核心的補(bǔ)加量。根據(jù)無(wú)線電傳送的鐵水溫度值，讀取蠕化絲和孕育絲的收得率。計(jì)算出蠕化絲和孕育絲的補(bǔ)加長(zhǎng)度，驅(qū)動(dòng)喂絲機(jī)精確命中變質(zhì)率、形核率的目標(biāo)值。

以上是天津匯豐探測(cè)裝備有限公司與哈爾濱科德威冶金股份有限公司合作研發(fā)的蠕鐵智能制造系統(tǒng)簡(jiǎn)介，希望能夠?qū)θ滂F生產(chǎn)企業(yè)在選擇工藝路線和質(zhì)量保障裝備方面有所借鑒。