如何得到*佳鑄件內(nèi)在質(zhì)量
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
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，*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?，F(xiàn)以表示之。
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.控制化學成分的波動范圍，獲得準確的化學成分；
4.鐵水熔煉溫度的控制；
5.*佳熔煉方法的選擇和相應(yīng)的設(shè)備系統(tǒng)。
（一）鐵水的控制
1.元素燒損及氧化物夾雜
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。眾所周知：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?0％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，只有在先進的熱風水冷沖天爐熔煉條件下，才能滿足上述條件。在熱風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，當鐵水在1500～1550oC，平均1530 oC，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)爐煉高級鋼的需要。
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
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；同時在熔煉過程中須保證獲得各種基體組織的成分要求，也就是化學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 oC，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 oC以上，*高不超過1550 oC，以1530 oC為*佳。
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?；剞D(zhuǎn)爐居中。二汽陳勉已總工在九華山鑄造學會年會上介紹：要得到好的汽車鑄件，采用沖天爐熔煉鐵水*佳。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，相對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.化學成分波動范圍的控制
在一般有爐襯冷風沖天爐中，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*佳熔煉溫度控制
綜上所述，保證鐵水的內(nèi)在質(zhì)量熔煉溫度應(yīng)在15000C，在該溫度鐵水氧化物夾雜、氣孔*低抑止增硫，消除石墨遺傳性，穩(wěn)定化學成分波動范圍均能得到保證。如果超過15500C，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1500～15500C，*佳溫度15300C.
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1500～15500C，穩(wěn)定15300C*佳。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14500C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1400～14400C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14500C.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15000C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15000C.
b.要得到好的延伸率和強度性能，須使晶粒邊界上氧化物夾雜、熔煉性氣孔*少。據(jù)前所述相應(yīng)的熔煉溫度應(yīng)在15000C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15000C，溫度愈高，控制效果愈好，在15300C*佳。 如果采用高科技的熱風水冷沖天爐，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％*佳值范圍內(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15000C，穩(wěn)定在15300C左右*佳，不超過15500C.
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際、國內(nèi)均在14000C，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15000C以上，以15300C左右*佳。
四。鑄鐵熔煉設(shè)備的*佳選擇
終上所述，在各種熔煉設(shè)備中，以熱風水冷沖天爐為*佳?，F(xiàn)分別介紹如下：
（一）熱風水冷沖天爐的綜合優(yōu)勢
1.鐵水熔煉質(zhì)量高：以典型鑄件發(fā)動機缸蓋為例，可穩(wěn)定控制廢品率在5％以下。國外為2－3％
2.生產(chǎn)效率高：一次點火開爐，可連續(xù)熔煉3個月以上。適應(yīng)現(xiàn)代化大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的需要。國外100～120T/h的熱風水冷沖天爐正在發(fā)展。
3.高節(jié)能：由于一次點火可連續(xù)工作3個月，與普通沖天爐相比節(jié)省大量的底焦；以及采用了自熱、外熱式熱風，回收了大量的熱能。故可綜合節(jié)能50％。
4.低成本：據(jù)上所述，不僅回收大量的熱能，節(jié)省焦炭，還節(jié)約了大量的耐火材料。減少鐵合金的燒損。不計廢品率的降低，一臺15T/h爐，每天工作兩班，以上四項每月至少可節(jié)省30萬元以上，年計共360萬元。
5.高標準的環(huán)保措施：整個除塵系統(tǒng)式封閉的無泄漏，采用布袋除塵器可控制煙塵含量<50mg/m3，熱風裝置已燃盡所以的一氧化碳徹底消除了一氧化碳對大氣的污染，其煙囪可很低，看不見黑色煙囪。其潔凈度已打打豪語現(xiàn)在的環(huán)保要求。
6.高的設(shè)備投資回收率，目前我們生產(chǎn)的全自動控制的IOTh熱風水冷沖天爐交鑰匙工程，從國外引進相圖的設(shè)備系統(tǒng)需要4500萬元人民幣和要求90％以上的固定碳的鑄造焦，故我們生產(chǎn)的設(shè)備一般不到一年即可收回全部投資。
（二）熱風水冷沖天爐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點：
1.沖天爐本體，為高爐爐形，干式爐底，電動或氣動爐底啟閉機構(gòu)，前爐組成。
2.水冷系統(tǒng)：插入式銅質(zhì)，循環(huán)水冷風嘴，雨淋式循環(huán)水冷爐殼，水冷卻塔，水泵組、水池組成。
3.熱風系統(tǒng)：由霧化水冷裝置控溫的燃燒室，換熱器、熱風管道等組成。
4.爐氣冷卻塔，有自然風冷、強制風冷，多管水冷等任選。其中以自然風冷*好。
5.除塵系統(tǒng)：由料塞、抽氣室、爐氣管道、電控野風閥、除塵器。引風機煙囪組成的封閉除塵系統(tǒng)。排入大氣的煙塵不含一氧化碳，煙塵含量可控制在<50mg/m3，一般在30～40mg/m3.
6.加料系統(tǒng)：由輔料組合斗，金屬爐料斗，振動給料組合裝置，加料小車，加料桶。電動提升機組成。
7.爐渣?；到y(tǒng)，由爐渣溜槽、水池、撈渣機、可控爐渣儲存卸料斗等組成。
8.電控系統(tǒng)：完成從加料到出鐵水全過程的自動化操作調(diào)控系統(tǒng)，只需一人在中控室設(shè)定、調(diào)整工藝參數(shù)操作即可。 以上系統(tǒng)，使用80％以上固定碳的焦炭，出鐵溫度穩(wěn)定控制在1500～15500C.而國外要求固定碳為90％以上的鑄造焦，價格相差一倍以上，而且購買困難。系統(tǒng)示意圖附后，使用壽命在十年以上。
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