馬建華

(天津匯豐探測裝備有限公司,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)國家依仗著他們先進(jìn)的在線檢測手段采用欠球化法生產(chǎn)蠕鐵，蠕化率穩(wěn)定在80%以上。國內(nèi)由于缺乏先進(jìn)的在線檢測手段，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)，反球化成分還會生成碳化物影響鑄件的加工性能，其回爐鐵還會帶來污染其他材質(zhì)的后患。因此走欠球化法生產(chǎn)蠕鐵的工藝路線，才是我國蠕鐵生產(chǎn)發(fā)展的健康之路。

國內(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)蠕化鐵水在過共晶狀態(tài)時，首先凝固出來的是石墨。先析石墨的形態(tài)是不可控的，因此必然會影響凝固組織中蠕蟲狀石墨的比例。

蠕化鐵水的共晶度控制在共晶點(diǎn)時，蠕化鐵水的液相溫度最低、流動性最好。比亞共晶狀態(tài)生成的蠕蟲狀石墨多，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。剩余的活性鎂對石墨的生長方向起引導(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，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，反應(yīng)后剩余的活性鎂量也不穩(wěn)定。

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

由上圖可見：澆注時刻蠕鐵穩(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，只產(chǎn)生大量的片狀石墨?；钚枣V含量超過了0.016%時，會使球狀石墨的比例迅速增加。因此澆注時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 蠕化鐵水凝固時刻溫度控制

蠕化鐵水在凝固時刻的核心數(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12℃時球狀石墨的生成比例迅速提高，當(dāng)共晶再輝溫度低于8℃時凝固組織中會產(chǎn)生游離滲碳體。

鐵水中的型核物質(zhì)來源于組織遺傳和孕育處理兩個方面。由爐料遺傳來的型核物質(zhì)，隨著原鐵水過熱溫度的提高和過熱時間的延長會逐漸消融。長時間的高溫熔解會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)也會隨著澆注時間的延長逐漸衰退。

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

蠕鐵生產(chǎn)的瓶頸在于對蠕化鐵水的共晶度、澆注時刻的活性鎂含量、凝固時刻的核心數(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量和精確補(bǔ)加手段問題。

2 蠕鐵測量方法三要素

2.1 蠕化鐵水共晶度的測量

間接用光譜儀測量的鐵水成分、含量計算共晶度的方法，存在以下的不確定度：(1)光譜儀受測量通道和標(biāo)樣的限制,不能完全測量鐵水中全部成分的含量。(2)到目前為止鐵水中每個成分對共晶度的作用方向、每個成分的含量對共晶度作用的系數(shù)還沒完全搞清楚。因此用光譜儀測量的鐵水成分、含量間接計算共晶度的方法，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)確的計算結(jié)果。不準(zhǔn)確的計算結(jié)果,也必然會誤導(dǎo)對共晶度控制的準(zhǔn)確性。

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

熱分析法通過測量次生奧氏體與初生奧氏體+次生奧氏體的比例，計算出被測鐵水的共晶度。

2.2 蠕化鐵水活性鎂含量的測量

目前還沒有直接測量鐵水中活性鎂含量的方法，光譜儀還不能識別樣品中的活性鎂。用光譜儀測量的鎂的質(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)的過程時間太長，遠(yuǎn)不適應(yīng)爐前在線檢測的要求。

在線快速測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,可用于測量蠕化鐵水中的活性氧含量。但由于低氧定氧探頭的價格昂貴，在蠕鐵生產(chǎn)的活性鎂含量測量中未能采用。

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)了脫氧比對樣杯：

蠕化后的被測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。熱分析儀同時測量兩只樣杯的凝固溫度曲線。通過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量。

以變質(zhì)率這個無量綱的項(xiàng)目名稱，報告出活性鎂的相對量。

3 蠕化鐵水的共晶再輝溫度測量

在鐵水凝固溫度曲線上，從共晶過冷點(diǎn)開始的共晶再輝溫度，量化的反映被測鐵水中的核心量。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)被廣泛的用于高端鑄鐵生產(chǎn)孕育效果的檢測。在我國由于高端鑄鐵的生產(chǎn)少，沒有引起業(yè)界的廣泛重視。因此也沒有享受到熱分析檢測手段，給高端鑄鐵生產(chǎn)帶來的紅利。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℃分辨力識別出共晶過冷點(diǎn)溫度值和共晶再輝點(diǎn)溫度值，即可計算出被測鐵水的共晶再輝溫度。以形核率這個無量綱的項(xiàng)目名稱，報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)在配料時配足合金量，不得在出鐵時使用沖入法作為合金加入方法。以免沖入合金時的激冷型核，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，檢測反球化成分是否在控制范圍。澆熱分析樣杯檢測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樣杯，可檢測出剩余的活性鎂含量和鐵水中的型核核心量。

(8)確定檢測時刻變質(zhì)率、形核率的目標(biāo)值，應(yīng)包含鐵水在后續(xù)的扒渣時間、轉(zhuǎn)運(yùn)時間、澆注時間的衰減因素。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)無線電傳送的熱分析測量結(jié)果和叉車秤傳送的鐵水重量，計算活性鎂與型核核心的補(bǔ)加量。根據(jù)無線電傳送的鐵水溫度值，讀取蠕化絲和孕育絲的收得率。計算出蠕化絲和孕育絲的補(bǔ)加長度，驅(qū)動喂絲機(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。