[发明专利]一种球墨铸铁炉前精确调C调Si方法

说明书

技术领域

本发明属于冶金和铸造领域的发明创造，具体涉及一种球墨铸铁炉前精确调C调Si方法。

背景技术

球墨铸铁的缩陷风险性高于灰铸铁，而球形石墨的体积膨胀效应大于片状石墨，所以为了减小不完整铸件和石墨漂浮的废品率，提高其铸造性能，球墨铸铁最终浇注铁水的碳当量CE应该处于微亚共晶或共晶状态。铁水的石墨化程度与铸件的模数相关，厚大球铁件，冷却速度慢，石墨析出充分，为了防止石墨漂浮，碳当量值应该低点；而薄壁汽车球铁件，冷却速度快，石墨析出不充分，此时碳当量值应该高点，以提高石墨化程度；而中间壁厚球铁件居中。在工业生产中，原铁水需要球化孕育处理，其变质效果是一个动态非平衡状态函数。根据有关文献报道，球墨铸铁的真实共晶点碳当量CEP可达4.5-4.7，甚至4.8，此范围远高于常规灰铸铁的共晶碳当量4.3。铁水球化之后，应该立即浇注以防止球化孕育效果的衰退。此时增碳很困难，已经失去调C机会，由于受浇注温度的影响，调Si的机会也很小。所以，球墨铸铁的调C调Si应该在原铁水的熔炼阶段进行。

然而，光谱或化学分析定碳定硅法只能给出元素原子的比重（总含量），不能够区分有效元素含量（活性含量）和无效元素含量，而且测试时间长，成本高。热分析法是一种基于当量成分的测试方法，它可以借助初晶奥氏体和共晶石墨释放出的结晶潜热（热效应）来推测活性碳当量值ACEL和活性碳含量值AC。例如瑞典NovaCast公司的ATAS自适应热分析系统，它是利用灰口冷却曲线上的初晶奥氏体温度T_L推出ACEL值，再由T_L和最低共晶温度TE_low推出AC值，最终根据碳当量计算式推出Si含量。但是，ATAS系统使用的是模数为0.65cm的350g标准方杯（Quick cup），其凝固时间超过3min，才能给出ACEL、AC和Si的预测值，以及增碳剂或硅铁合金补加建议。另外，铁水的石墨化程度受浇注温度和浇注量的影响，由于人为浇注变化使得AC测试范围波动较大（误差可达30%）。除此之外，降低热分析测试过程中一次性测试样杯的成本也是实际应用中追求的主要目标。

正常灰口冷却曲线的液相线碳当量ACEL=C%+1/4·Si%+1/2·P%，与其初晶奥氏体温度T_L直接相关，符合关系式ACEL=A+B·T_L（常数A和B与测试样杯有关，由实验确定），推测误差为0.05%，代表着铁水中溶解的碳在发生石墨共晶反应之前抑制奥氏体析出的能力，称为活性碳当量ACEL。目前，灰口冷却曲线热分析法给出的ACEL是最准确评判铁水共晶度的方法。而白口冷却曲线上的初晶奥氏体析出温度是铁水中的共晶碳以碳化物形式析出的结果，并没有实际反应共晶石墨碳的析出状态对铁水真实碳当量的影响，为非活性碳当量，当铁水灰口凝固时，偏离白口曲线的测试结果比较大。热分析法定碳并没有实际的物理意义，灰口曲线推算法将C含量看作T_L和TE_low的统计函数，虽然给出的是活性碳含量值，但是受人为浇注样杯的因素影响较大；白口曲线推算法给出的只能是总碳含量值（碳含量原子重量比），本身精度受到限制。热分析法定硅，灰口曲线法是利用测得的ACEL和 AC反推得到；而白口曲线法则是利用Si含量与白口T_L和T_E的统计函数进行计算，仍没有具体物理意义。众所周知，硅Si具有活化碳元素的作用，一方面降低铁水达到共晶成分时所需的碳含量，抑制初晶奥氏体析出，使初晶反应温度下降。另一方面，由Fe-C二元相图可知，灰口共晶反应区间ΔT=1154-1148=6℃，硅具有拓宽石墨共晶反应温度区间的作用，使白口共晶温度显著降低，而且其降低程度主要是由Si含量决定。因为热分析法测定的共晶温度包含了铁水中其它元素的综合影响，所以推算得出的Si含量称为活性硅当量ASiE，可以通过ASiE=C+D·T_E数学模型计算，常数C和D由实验确定。根据相关文献，T_E与冷却速度无关（与样杯尺寸和浇注铁水量无关），所以可以避免人为浇注因素的影响，而且还可以通过减小样杯尺寸，更快得出T_E，从而加快测试过程。