灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法的研究進(jìn)展

李 鵬 志

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 石家莊 050081)

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灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法的研究進(jìn)展

李 鵬 志

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 石家莊 050081)

對(duì)灰鑄鐵鑄件澆注前抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型研究的必要性進(jìn)行了論述，分析了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的現(xiàn)狀及需要進(jìn)一步解決的問題：研究者所建立的抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型只針對(duì)所研究企業(yè)的相對(duì)固定生產(chǎn)情況，而不能適用于其他冶金因素不同的灰鑄鐵生產(chǎn)企業(yè).為此，提出了根據(jù)共晶度和成熟度預(yù)測(cè)抗拉強(qiáng)度的新思路.

灰鑄鐵；抗拉強(qiáng)度；成熟度；預(yù)測(cè)模型

灰鑄鐵鑄件澆注前抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型的探討和深入研究，除用于優(yōu)化金屬爐料配置，降低原材料成本外，還能有效減少鑄件的次品率及廢品率，對(duì)穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量有很好的指導(dǎo)作用.目前，我國(guó)多采用沖天爐生產(chǎn)灰鑄鐵，爐前檢驗(yàn)通常采用以測(cè)定現(xiàn)澆注的三角試片(如圖1所示)的白口寬度來估計(jì)鑄件抗拉強(qiáng)度的方法，該方法憑鑄造車間技術(shù)人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來估算結(jié)果，易造成估計(jì)抗拉強(qiáng)度與實(shí)際抗拉強(qiáng)度之間產(chǎn)生較大的誤差.多數(shù)灰鑄鐵生產(chǎn)企業(yè)的檢驗(yàn)室配置了光譜分析儀或熱分析儀，雖然可以在2～3 min內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)出金屬液的化學(xué)成分，然而卻無法準(zhǔn)確預(yù)知所澆注試棒的抗拉強(qiáng)度，往往出現(xiàn)用合金元素含量較高的鐵水澆注“低牌號(hào)”鑄件的現(xiàn)象，造成硅、錳等合金添加物的浪費(fèi)，甚至生產(chǎn)出不合格的產(chǎn)品.

圖1 三角試塊形狀示意

基于上述情況，灰鑄鐵爐前檢驗(yàn)中抗拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)已成為鑄造技術(shù)人員不斷探索的課題之一.

1 灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外一些科技人員開展了灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型建立的研究工作.灰鑄鐵中的碳有碳化物和石墨兩種存在形式，即使都以石墨形式存在，其形貌的差異也很大，相應(yīng)地，其力學(xué)性能也存在很大的差異.因此，對(duì)灰鑄鐵的力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)有很大的困難.雖然根據(jù)試驗(yàn)和生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析，可以建立起鑄鐵的抗拉強(qiáng)度或硬度與化學(xué)成分之間的線性關(guān)系，但因?qū)鋮s速度和冶金因素考慮程度不同，結(jié)果差異較大.

文獻(xiàn)[1]論述了在企業(yè)生產(chǎn)相對(duì)穩(wěn)定的情況下，灰鑄鐵的碳當(dāng)量和抗拉強(qiáng)度之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的回歸分析，建立了灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度與碳當(dāng)量之間的數(shù)學(xué)模型，通過爐前熱分析儀快速測(cè)定碳當(dāng)量，達(dá)到了控制鑄件抗拉強(qiáng)度的目的.該模型雖然建立了碳當(dāng)量CE與抗拉強(qiáng)度σb之間的數(shù)量關(guān)系，卻忽視了錳、硫、磷等雜質(zhì)元素及實(shí)際生產(chǎn)情況對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響.因此，其實(shí)際應(yīng)用有一定的局限性.

文獻(xiàn)[2]利用支持向量回歸機(jī)的方法建立了灰鑄鐵強(qiáng)度的預(yù)測(cè)模型.文獻(xiàn)[3-4]通過“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和自適應(yīng)模糊推理建模功能”的研究思路，建立了灰鑄鐵主要元素與強(qiáng)度之間的自適應(yīng)模糊預(yù)測(cè)模型.這些預(yù)測(cè)模型包括主要元素含量、石墨片長(zhǎng)度、石墨分布形狀、平均顯微硬度、枝晶數(shù)量以及共晶團(tuán)數(shù)等化學(xué)成分和顯微組織的表征參量，但因這些自變量都需要配合定量顯微分析和成分分析才能獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，其在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用受到了很大的限制.

文獻(xiàn)[5]將顯微分析和熱分析相結(jié)合，建立了鑄鐵強(qiáng)度、石墨數(shù)量以及鐵素體含量與化學(xué)成分和熱分析信息之間的二次定量關(guān)系，但是這一預(yù)測(cè)模型需要熱分析曲線的特征值，應(yīng)用也不方便.

某泵業(yè)集團(tuán)高級(jí)工程師趙建輝曾探討采用觀察鐵液花紋和打火時(shí)所噴出的火花的形狀來進(jìn)行爐前檢驗(yàn)的方法.例如，所打鐵液的牌號(hào)是HT100，打火時(shí)噴出的火花為掃帚形；所打鐵液的牌號(hào)是HT300以上的，打火時(shí)噴出像梨花狀火花，并且有這樣一個(gè)規(guī)律，鐵液牌號(hào)從HT100，HT150，HT200，HT250到HT300，鐵液噴出掃帚形火花的數(shù)量逐漸減少，梨花狀火花數(shù)量逐漸增加.該方法有一定的參考價(jià)值，但要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，其局限性也是可想而知的.

文獻(xiàn)[6]建立的強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型除考慮化學(xué)成分外，還將三角試片的白口寬度作為自變量，僅根據(jù)成分分析和三角試片檢驗(yàn)結(jié)果來預(yù)測(cè)鑄鐵的強(qiáng)度.但白口寬度的測(cè)量不確定性較大，預(yù)測(cè)精度只有90%左右.

2 灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型研究需要解決的問題

從國(guó)內(nèi)外對(duì)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)的研究情況看，有的研究者僅憑經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度，有的研究者忽略了灰鑄鐵中錳、硫、磷等雜質(zhì)元素的影響，有的研究者忽略了由冶金元素造成的石墨片長(zhǎng)度、石墨分布形狀、基體組織等的影響，有的研究者所建立的模型過于復(fù)雜，無法真正被企業(yè)采用.但是所有研究者共同存在的問題是，其所建立的抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型只針對(duì)所研究企業(yè)的相對(duì)固定生產(chǎn)情況，而不能適用于其他冶金因素不同的灰鑄鐵生產(chǎn)企業(yè).研究者所在企業(yè)或其所研究企業(yè)的生產(chǎn)狀況發(fā)生變化時(shí)，其所建立的灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型就不再適用.

可以看出，開發(fā)研究一種既能在不同灰鑄鐵生產(chǎn)企業(yè)通用，又方便、實(shí)用的灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，就顯得尤為迫切和必要.

3 灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型研究方向及進(jìn)展

鑄鐵的機(jī)械性能由其顯微組織所決定，而其顯微組織由化學(xué)成分、冷卻速度及鐵水的冶金質(zhì)量決定.根據(jù)這一原理建立起鑄鐵的機(jī)械性能與化學(xué)成分、冷卻速度及冶金質(zhì)量之間的定量關(guān)系，一直是鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)人員感興趣的研究課題之一[7-9].

筆者在研究中，提出了一種根據(jù)共晶度和成熟度預(yù)測(cè)抗拉強(qiáng)度的新模型，并通過反復(fù)計(jì)算和比對(duì)，探討了該預(yù)測(cè)模型的可行性及通用性.在不同的企業(yè)生產(chǎn)中，冶金因素不同，但在同一個(gè)企業(yè)，其原材料、熔煉設(shè)備與工藝、鐵水處理工藝、耐火材料和爐內(nèi)氣氛等冶金因素是已知和基本穩(wěn)定的，也就是說，其生產(chǎn)的鑄鐵的成熟度應(yīng)當(dāng)是基本穩(wěn)定的.因此，可以通過實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)獲得其成熟度.如果已知一個(gè)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)鑄鐵的成熟度和共晶度，則鑄鐵的實(shí)際抗拉強(qiáng)度就可以進(jìn)行定量預(yù)測(cè).筆者選取了四個(gè)有代表性的灰鑄鐵生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行研究，首先，通過企業(yè)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定該企業(yè)灰鑄鐵生產(chǎn)的成熟度，再根據(jù)成熟度預(yù)測(cè)灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度.其次，為檢驗(yàn)成熟度預(yù)測(cè)法的可行性，計(jì)算了不同灰鑄鐵生產(chǎn)企業(yè)成熟度的樣本方差，并對(duì)比得出與其他研究者所建立的數(shù)學(xué)模型和成熟度預(yù)測(cè)抗拉強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型的標(biāo)準(zhǔn)偏差.最后，通過大量數(shù)據(jù)計(jì)算得出結(jié)論：對(duì)于特定的企業(yè)，在一個(gè)時(shí)期內(nèi)其生產(chǎn)的灰鑄鐵的成熟度在一個(gè)不大的范圍內(nèi)波動(dòng)；從成熟度預(yù)測(cè)出的灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的精度來看，完全符合灰鑄鐵生產(chǎn)企業(yè)的精度要求.

成熟度預(yù)測(cè)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度的方法簡(jiǎn)單、易懂，實(shí)用性強(qiáng)，適合國(guó)內(nèi)企業(yè)的實(shí)際需求.這一預(yù)測(cè)模型有望在企業(yè)生產(chǎn)中推廣使用，使灰鑄鐵生產(chǎn)抗拉強(qiáng)度預(yù)測(cè)有據(jù)可依，從而解決灰鑄鐵的爐前快速檢驗(yàn)及配料等相關(guān)問題.

[1] 楊貴成.感應(yīng)電爐熔煉灰鑄鐵的碳當(dāng)量與抗拉強(qiáng)度和硬度的關(guān)系 [J].鑄造設(shè)備研究,2002(4):37-38.

[2] 龔艷冰,陳森發(fā).基于支持向量機(jī)的灰鑄鐵強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型 [J].鑄造,2006,55(7):711-713.

[3] 夏伯才,汪根法,李明進(jìn),等.灰鑄鐵強(qiáng)度自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè) [J].鑄造,2000,49(6):349-351.

[4] 夏伯才,錢翰城.碳當(dāng)量灰鑄鐵成分的遺傳優(yōu)化[J].鑄造,2003,52(12):1153-1156.

[5] LUOVO A，ALKHAJNEN D，EKLUND P.Prediction of High-strength Iron Casting Properties [J].Litejnoe Proizvodstvo,1992(12):4-6.

[6] 李鵬志.灰鑄鐵主要元素變量三角試片白口寬度與抗拉強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型的研究 [J].鑄造,2008,57(5):515-517.

[8] SVENSSON I,SJ?GREN T.On Modeling and Simulation of Mechanical Properties of Cast Irons with Different Morphologies of Graphite [J].International Journal of Metalcasting,2009,3(4):67-77.

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責(zé)任編輯：金 欣

On the prediction method of tensile strength of gray cast iron

LI Peng-zhi

(Department of Mechanics and Electrics,Shijiazhuang Vocational Technology Institute,Shijiazhuang,Hebei 050081,China)

This paper discusses the necessity of tensile strength prediction before gray iron casting,and claims that the prediction model has been established only for a relatively fixed production of enterprises,but not for gray cast iron production enterprises of different metallurgical factors.Therefore,new ideas are given.

gray cast iron; tensile strength; maturity; prediction model

2015-03-13

李鵬志(1971-)，男，河北行唐人，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：工程材料與材料成形工藝的教學(xué)與研究.

1009-4873(2015)02-0042-03

TG143.2

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