高炉-中频炉双联熔炼对铁液状态和凝固组织的影响

高炉一中频炉双联熔炼对铁液状态和凝固组织的影响 Effect on Melt Iron Quality and Solidified Structure of Duplex Melting of Blast and Medium-Frequency Induction Furnaces 孙兴见，李言祥，王晓颖 (清华大学机械工程系，北京 100084) 摘要：分别研究了中频炉熔炼和高炉一中频炉双联短熔炼时铁液的状态和凝固组织。研究发现。两 种熔炼工艺得到的铁液状态和凝固组织存在明显区别。高炉一中频炉双联短流程熔炼铁液过冷倾向大，共晶 石墨形核能力低；凝固组织石墨片数量多且细小，出现过冷石墨的几率增加；生产的铸件强度和硬度均增 加 ，且硬度的增幅大于强度 。 关键词：铸铁；铁液质量；高炉一电炉双联熔炼 中图分类号：TG250 2；文献标识码：A；文章编号：1006～9658(2005)02—03 Abstract：The melt quality and solidification structure of gray irons made by two melting pmcesses．medium-fre— queney induction furnace and duplex melting with blast and medium-frequency induction furnaces，have been stud— ied，showing that there were distinct differences with the molten iron quality．When the short-cut duplex melting process was used，the degree of super—cooling increased and the eutectic nucleation ability of graphite decreased；As for the solidified structure，the graphite flakes were finer，the number was greater and the proportion of super—cooled graphite was larger；Correspondingly，the tensile strength and hardness of castings made by the short—cut duplex melting process were higher． Keywords：Cast iron；Melt iron quality；Blast—induction duplex melting 1 前言 直接将高炉铁液用于炼钢或在电炉中熔配后 生产铸件 ，省去冷却成生铁锭后再次重熔的环节， 能充分利用其潜热 ，减少电能或焦炭的消耗量 ，同 时大量降低污染物的排放 ，具有显著的能源效益、 经济效益和环境效益，有助于铸造业的节能和环 保，实现可持续发展，这种新工艺简称短流程工艺。 目前，短流程熔炼工艺主要用于炼钢，研究和 应用已较为成熟。相比之下，在铸铁件的生产中应 用较少 ，且主要集中在钢锭模 、铸铁管等普通零件 的生产中【l’ ，针对短流程用于高质量铸件(如发动 机缸体、缸盖)的研究和应用则少见报道。尽管人们 很早就认识到高炉铁液直接用于高质量铸铁件生 产的优越性 ，在生产中一直没有大量应用，这既有 产业结构方面的原因，也有质量控制方面的原因。 从产业结构来讲 ，铸造厂产量远小于炼铁厂产量 ， 消耗铁液量有限，而且毗邻炼铁厂的铸造厂不多， 限制了短流程熔炼在铸铁件生产中的应用。从质量 控制的角度来讲，高炉铁液成分 、温度及其状态的 波动范围大 ，代替生铁锭作为炉料时，炉料的波动 收稿日期 ：2004—11-10 文章编号：2004—187 4 必然导致熔炼原铁液的状态发生较大的波动。传统 的铁液质量手段只适用于炉料稳定情况下铁 液质量的测评 ，不能适应铁液状态波动大时质量的 测评和控制要求。更为重要的是高炉铁液代替生铁 锭会造成生铁锭有利的组织遗传性“缺失”【3】，而针 对这种情况下铁液状态的调整或控制的研究 尚未见报道。 近年来，为了充分利用自身原材料优势 ，提高 产品的附加值 ，一些炼铁厂附近新建了铸造厂，为 高炉铁液直接用于铸铁件的生产提供了条件，同时 也对短流程熔炼工艺在铸铁件生产中的应用研究 提出了需求。本文初步研究了中频炉和高炉一中频 炉双联两种熔炼工艺铁液状态和凝固组织的差别， 了形成原因，为调整和控制短流程铁液状态并 直接用于生产高质量铸件提供了参考。 2 试验方法 在冶金行业 ，常用一定凝固条件下所得的凝固 组织来表征液态金属状态，相同凝固条件下凝固组 织的差别反映了液态金属状态的变化。研究发现 ， 铁液的某些状态信息并不能在特定条件下的凝 固 组织上充分反映出来。而且由于磨制试样周期长， 维普资讯 http://www.cqvip.com 专题论述 凝固组织定量表征困难，组织观察方法无法适应实 际生产的需要。 将热电偶置于标准热分析样杯中测得的冷却 曲线，反映了铸铁熔体在样杯中的凝固过程。所有 影响液态金属质量因素(如铸铁的常规化学成分和 不常分析或难以分析的微量元素 ，熔炼方法、原材 料及其热历程 、孕育处理，球化处理等)都会影响凝 固过程，进而在热分析曲线上反应出来 ，因此热分 析曲线的凝固段(初晶开始至共晶结束)是凝固过 程的记录，比特定凝固条件下的凝固组织(试样组 织或铸件组织)反映了更多的液态金属状态的信 息，代替特定条件下的凝固组织用于铁液质量的表 征更为合理。通过识别和比较热分析曲线凝固段的 整体形状能够辨别液态金属的质量 ，达到综合测评 的目的 。 由于热分析曲线不具有直观性 ，单纯的一条曲 线意义不明确。研究中通过比较热分析曲线的差别 Q(包括形状偏差和位置偏差)来分析和推测铁液状 态的差~ljt,l；并根据已知铁液状态(如碳当量 、过冷 倾向，石墨化能力等)来推测未知铁液的状态，进行 定性的分析。进一步研究发现，当两种铁液对应的 热分析曲线综合偏差 Q趋向于0时，表征铁液质量 的指标(成分 、白口宽度、石墨含量 、强度 、铸件合格 率等)差别也向 0收敛 ，在曲线差别足够小(Q≤ 阈值)时 ，能够用已知铁液的状态参数来表征待测 铁液的状态。基于此原理，开发了液态金属质量测 评系统 ，系统中预先存储了大量的热分析曲线和对 应的铁液状态数据，利用模式识别和数据库技术， 计算机 自动将待测铁液热分析曲线凝固段和库中 所有曲线比较，快速找到最相似曲线(Q最小)及其 对应的铁液状态参数 ，用于表征待测铁液的状态 ， 实现快速定量测评。 试验直接在生产用 5t中频炉中进行，短流程熔 炼工艺和控制要求与常规流程相同，其区别仅在于 用高炉铁液取代生铁锭，且短流程高炉铁液的加入 量和常规流程生铁锭的加入量相同。熔炼完成后， 浇注试样，并用液态金属质量测评系统采集原铁液 热分析曲线 ，而后出炉浇注试棒和实际铸件 ，铸件 牌号为 HrI12oo。 3 试验结果 3．1 原铁液状态的差别 铁液的状态受成分、炉料状况 、熔炼处理工艺 等多种因素的影响。为了避免熔炼处理工艺的影 响，试验时两种流程的熔炼工艺和控制要求相同； 为了排除成分波动的影响，在处理数据时，挑选了 碳当量及各元素含量基本相同的炉次原铁液的热分 析曲线进行比较。分析发现，它们都具有如图 1所示 的规律，两类热分析曲线分别取自同一炉次的不同 时刻。表 1为图中两炉铁液的成分，表 2为两类曲线 之间综合偏差 Q计算结果。 l080 0 60 l20 l80 t／s 图 1 短流程和常规流程原铁液典型热分析曲线 表 1 铁液成分分析结果 ％ 元素 C Si Mn P S Cr Cu Ti CE 短流程 3．40 1．96 O．7O O．O68 0．057 0．14 O_42 4．Ol 常规流程 3．48 1．95 O．69 O．O54 O．O65 O．2O 0．47 0．046 4．O8 注：CE=C+0．3(Si+P)+O．4S一0．03Mn 表 2 常规流程(C1一C3)与短流程(S1～S4)热分析曲线 间的综合偏差 n Cl C2 C3 Sl 5．27 5．7l 10．73 S2 lO．85 l1．18 l5．47 S3 9．99 10．69 l5．O3 s4 9．68 lO．22 l5．0o 计算结果显示 ，两类热分析曲线之间的综合偏 差最小值为5．27。由上述图表可以看出，尽管碳当量 和各元素含量都在正常的波动范围内，短流程和常 规流程原铁液热分析曲线之间的综合偏差 Q均较 大，表明短流程对于原铁液状态影响相当大。短流程 原铁液的热分析曲线相对于常规流程原铁液的热分 析曲线 ，均向左下方移动，最大过冷温度偏低，最高 再辉温度偏低，表明高炉铁液的使用有增大过冷，降 低共晶形核能力的倾向 。 3．2 凝固组织的差别 铸铁件的性能取决于金属基体、石墨和非金属 夹杂物等，对于灰铸铁来说则主要取决于石墨的类 型、数量、大小和分布等。在比较碳当量和成分基本 相同的两种流程铁液热分析曲线的同时，相应地比 较了对应的试棒和铸件本体(缸体)的石墨组织 ，它 5 维普资讯 http://www.cqvip.com 们同样存在着共性的差别。 对应的试棒典型金相组织。 图2为图 1中两类曲线 4 结果分析 (a)常规流程 (b)短流程 图 2 短流程和常规流程铁液的试棒组织 常规流程铁液的凝固组织中A型石墨为主，石 墨片长而粗，出现过冷石墨的几率小。短流程铁液 的凝固组织除 A型石墨外 ，还有少量 D、E型石墨， 石墨片细小而弯曲 ，石墨量少 ，且出现过冷石墨的 几率大。 3．3 力学性能的差别 高炉铁液的直接使用对力学性能也产生 了一 定程度的影响，部分性能数据如表 3。 表 3 常规流程和短流程熔炼生产的试棒性能 常规流程 短流程 炉号 JMPa HB 炉号 l／MPa HB 4l108 235 l94 7l233 228 2l2 4lll3 220 l98 7l24O 240 2l6 4lll5 220 195 72225 240 214 4lll9 240 l97 7l234 245 2l2 4ll2O 220 l98 7l244 240 2l6 4ll3l 225 l95 7l246 225 2o8 42ll6 225 202 7l247 230 2l3 4ll22 220 l89 4ll29 245 l96 平均值 227．8 196 平均值 236．3 2l3 由力学性能的平均值来看，短流程熔炼工艺相 对于常规流程工艺，强度增加约 4％；硬度增加约 9％，硬度的增幅大于强度。强度的增加主要是石墨 细化对基体的切割作用降低的结果；而硬度的增加 则源 自两方面的原因：共晶过冷倾向增加，石墨量 降低，珠光体量增加 ；珠光体含碳量增加，基体硬度 提高I Ol。 6 从表征铁液状态的热分析曲线和所得到的试 棒、本体组织来看，高炉铁液的直接使用使熔炼铁液 状态和凝固组织发生了较大的变化。出现上述变化 的原因分析如下： (1)异质晶核数减少。高炉铁液处于碳过饱和状 态，在凝固成生铁锭时，游离石墨不断析出，形成粗 大的石墨块和非金属化合物。当生铁锭再次熔化时， 由于动力学原因，这些粗大的石墨块和非金属化合 物可能以未熔石墨颗粒、石墨结、石墨团聚体和化合 物等【31形式存在于铁液中，在凝固过程中起到异质 核心的作用，即生铁锭的组织遗传性。而短流程熔炼 时，生铁锭有利的组织遗传作用的“缺失”，使原铁液 中自身异质核心减少，经过相同的孕育处理后，总体 异质核心数目减少，石墨结晶变得困难，出现较大的 过冷倾向。如图 3所示为试样共晶团典型照片，短流 程与常规流程相比，共晶团尺寸有所增大，说明原铁 液自身异质核心数 目减少。 (a)常规流程 (b)短 流程 图3 常规流程和短流程原铁液凝固组织中的共晶团 (2)碳 、硅元素分布均匀。高炉铁液凝固成生铁 锭时形成大块状石墨，当生铁锭再次熔化时，块状石 墨扩散不充分，在熔液中以石墨团簇的形式存在 ，形 成碳的局部高浓度区域，为石墨的形核提供成分起 伏和能量起伏，同时为石墨的生长提供了扩散条件。 短流程熔炼，生铁锭的有利的成分遗传作用的 “缺 失”，且由于高炉铁液部分较长时间处于熔点以上温 度状态，扩散熔解进行得较为充分，改善碳硅元素的 分布状况，碳元素扩散析出困难 ，阻碍石墨的长大， 因此组织中的石墨片细小。 此外，表 1的数据表明，高炉铁液的直接使用有 增加强度和硬度的趋势，且硬度的增幅大于强度。对 于普通铸铁来说，强度的增加是有利的，而硬度的增 加则是不希望的。对于低牌号灰铸铁，高炉铁液直接 使用带来的影响在要求的范围内，适当加强孕育后 即可直接使用。而对于高牌号灰铸铁的影响是否仍 然在要求的范围内，随着牌号的提高，这种影响趋势 是放大还是缩小；若超出要求的范围，采取什么措施 进行调整等问题。需要进行进一步的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com CO2固化纳米Si02／甲阶碱性酚醛树脂的研究 Research on CO2 Cured Nano-SiO2／Phenol-formaldehyde Resin 石晓娟，黄仁和 (山东科技大学化工学院，济南 250031) 摘要：考察用聚乙二醇修饰的纳米 SiO 在树脂溶液中分散性；利用透射电镜、红外光谱研究了聚乙二醇 (PEG)修饰的纳米SiO 表面性能及分散性的改进效果；并通过砂芯抗压强度来研究纳米SiO 的用量对CO 固化酚醛树脂粘结剂抗压强度的影响，结果表明：4％聚乙二醇修饰的纳米 SiO 粒子在树脂溶液中分散性较 好；纳米 SiO2粒子表面羟基减少；添加量在 0-3％时，粘结剂的抗压强度可以提高30％。 关键词 ：酚醛树脂 ；C02固化 ；纳米 SiO2；抗压强度 中图分类号：TG221；文献标识码：A；文章编号：1006-9658(2005)02-03 Abstract：The dispersibility of nano—SiO2 modified with polyethylene glycol in phenol—formaldehyde resin has been analyzed by means of IR and TEM．The strength of CO2 cured nano SiO2 phenolic resin has also been studied by the measurement of sand—core compression strength．Th e results showed that nano—SiO，modified with 4％ PEG had better dispersibility in phenol一~rm aldehyde resin；the quantity of hydroxy groups on nano—SiO2 particles decreased； and when the content of modified nano—SiO2 was 0．3％，the sand—core compression strength increased by 30％． Keywords：Phenol~rmaldehyde resin；CO2一cured；Nano—SiO2；Compression strength CO 固化的碱性甲阶酚醛树脂冷芯盒工艺是英 国 Foseco公司在 1989年推出的一种新型造型、制 芯工艺。这种酚醛树脂被称为面向21世纪的造型 材料。与酸固化呋喃树脂及碱性酚醛树脂粘结剂相 收稿日期 ：2005-01—17 文章编号：2005--008 作者简介：黄晓娟，女，硕士研究生，从事铸造材料合成的研究 比，该粘结剂具有有毒成分含量低，硬化速度快，抗 吸湿性能好，发气量低，铸件尺寸精度高和表面光 洁等许多优点fl】，但其粘结强度不如酸固化呋喃树 脂和碱性酚醛树脂。提高该粘结剂的粘结强度是一 个重要的研究方向。由于甲阶酚醛树脂的脆性较 大，固化后易引起粘结桥的断裂 ，导致粘结强度下 降。对酚醛树脂进行改性，提高其粘结强度是一种 有效方法[21。近年来，采用纳米技术提高聚合物的韧 5 结论 (1)在成分基本相同时，高炉一中频炉双联短流 程熔炼和常规流程熔炼原铁液热分析曲线之间的 综合偏差均较大，铁液状态存在明显区别，短流程 熔炼铁液过冷倾向较大，共晶石墨形核能力降低。 (2)短流程熔炼铁液的凝固组织石墨片数量多 且细小 ，出现过冷石墨的几率增加。 (3)短流程熔炼生产的铸件强度、硬度增加 ，且 硬度增幅大于强度。 (4)对于低牌号铸铁来说，高炉一中频炉双联短 流程熔炼对铁液状态和凝固组织的影响不大，可直 接使用。 参 考 文 献 l 姚锡凡，赵志强，张城生 ，等．高炉一工频炉双联熔炼生产离心铸铁 管．特种铸造及有色合金．1998(1) 2 张金山，苏芝仁．高炉工频炉双联熔炼生产马氏体抗磨球墨铸铁 + 一+ --+---+-一+ 一+ · 磨球的研究．中国铸机，1994(3)：42-45 3 杨 华，孙国雄．原料生铁与铸件组织遗传性研究fJ1．钢铁研究学 报，1999(6)：53-56 4 李言祥，胡 晓．冷却曲线人工智能识别与新一代铸造合金熔体 质量评估技术．铸造，1999(7)：5～7 5 Yanxiang Li，Xiao Hu，Xuerong Xu．Pattern recognition of thermal analysis cooling curve and quality evaluation of melt east alloys． Mater．Sci．Technol，2001(1)：73-75 6 Y．X．Li，Q．Wang．Intelligent evaluation of melt iron quality by pattern recogn ition of therm al an alysis cooling curves．Proc．0f l China—K0- lean Conf．on Advanced Manufacturing Technology，Beijing，2001．52 7 Y．x．Li．x．R．Xu．Q．Wang and B．C．Liu．Evaluating Melt Iron Features by Computer Aided Recognition of Therm al Analysis Coo ling Curves． Inter．J．Cast Metals Research，Vo1．16，No．1-3(20o3)：41 I5 8 王 强．液态金属质量的表征与测评：『清华大学博士后研究报 告1．北京：清华大学，2002 9 D．Sparkman ．Understanding therm al an alysis of iron，AFS Transac- tions，1994，6：229-233 lO 陆文华．铸铁及其熔炼．北京：机械工业出版社．198l 7 维普资讯 http://www.cqvip.com