高性能试验平台生产时关于铸铁气体含量控制的要求
2018年07月12日
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过去提高试验平台铸铁铁液的冶金质量时，一般只关注铁液的出炉的温度和化学成分的控制，大多没有把铸铁铁液的气体含量作为控制指标，究其原因，其一，是对气体含量对铸铁质量的影响认识不足，其二是气体含量的分析比较困难。
我们在试验平台灰铸铁的生产实践中，常常会遇到这种情况，同样的生产工艺，同样的化学成分，生产出来的灰铸铁，其机械性能相差很多，关于这种现象，至今也没有做出明晰的解释，但可以认为，这是凝固过程中，由于石墨成长的大小形状及分布，和基本组织的不同而引起了这种差异，值得关心的是，工艺相同，成分相近，而引起这些石墨和基体出现差异的原因又是什么？现在多数的研究者认为或者怀疑，它是铸铁中的气体引起的，或者是微量元素引起的，以及还可能有其他的不明原因。
由此，对气体在铸铁中的行为引起了大家的注意，并进行了研究，尤其是铸件的生产，高强度高碳当量试验平台的生产，都需要有所生产铸件的高度稳定性和一致性，所以对需要对影响铸件强度的气体含量加以控制。
试验平台铸铁中的气体主要有氧、氮、氢它们在铸铁中都有一定的溶解度，现在研究表明，这些气体对铸铁的组织和性能都有巨大的影响，它们以下列三种状态存在于铸铁中，1.溶于液态或固态铸铁中，2.与铸铁中的其他元素形成化合物，3.凝固时呈气相析出，可能使铸件产生气孔缺陷。
氧
人们提出了很多铸铁中含氧量的分析资料，万谷提出，Fe-C系为22-32ppm，Fe-Si/c系为14-19ppm，佐藤测得为27-49ppm，Turkdogam提出30-40ppm，由于熔化方法的不同，铸铁内的含氧量会有很大的变化，很多的测定资料数据表明，试验平台冲天炉熔化的铸铁中含氧量30-60ppm，而感应电炉熔化铸铁，仅10-20ppm，这是由熔化机理不同引起的，而球铁加镁处理后的氧含量 低，只有5-10ppm。说明镁有强烈的脱氧效果。氧对铸铁的各种性能， 别是对石墨形状有很大影响，它又为大家所熟知，本间和郝石坚提出了下图所示关系：说明了亚共晶铸铁含氧量与抗拉强度的关系，当含氧量从3-5ppm增加到200ppm时，铸铁的组织按如下顺序逐渐变化。含3-5溶解氧时为白口组织—无石墨---反白口组织---点状石墨-----E型共晶石墨---B型石墨----A型石墨（20-40ppm溶解氧）----B型石墨----E型石墨----反白口组织----白口组织（100-200ppm）
可见含氧量过高或过低都将导致白口组织和反白口组织，以生成A型石墨（20-40ppm）为，当含氧量增加或减少时，都会石墨形态恶化。
从这里我们可以知道，冲天炉除了底焦过低，风量过大，而硅锰氧化严重，炉渣黑色，铁水发白，而表明铸铁铁液严重氧化，流动性差，铸件产生白口以外，在正常熔化情况下，其含氧量都在30-60ppm范围内，因此，适合A型石墨的析出，而感应电炉在铁水含氧量只有10-20ppm之间，因此，常常出现D型过冷石墨的原因。而由此得出，冲天炉的冶金质量好的结论。
很多人认为，试验平台冲天炉是熔炼设备，而中频电炉只是熔化设备，认为冲天炉内有很多的冶金反应，而感应电炉没有。而实际上，在感应炉内存在下列的两个化学反应，正是它影响着铸铁内含氧量，即Si+2O-----SiO2 SiO2+2[C]-----[Si]2CO↑
低温时硅和锰等优先氧化生成二氧化硅，氧化锰，和氧化铁等氧化物，而高温时二氧化硅等氧化物被碳还原，两个反应的交叉点，即平衡点的温度， 是平衡温度。它依铸铁液中的碳硅浓度可以计算出来。一般我们可以根据炉内铁液的表面状态来判断，当铁液温度低于平衡温度时，铁液表面总是覆盖着一层炉渣，当温度超过平衡温度时，这些渣膜慢慢消失并有火花冒出，这是一氧化碳燃烧产生的火焰，温度越高，时间越长，碳烧损越厉害。二氧化硅等晶核损失越多，这也 是感应炉铁水如果孕育不好，出现收缩缺陷大，激冷倾向大的原因。
在美国有星期一铁水一说， 是保温感应电炉内的铁水，经过休息日的保温到周一生产时很难以孕育称为“死铁水”。
因此可以发现，感应炉与冲天炉两种熔炼方法对氧含量的影响不同，试验平台（铸铁平台）冲天炉从炉料开始熔化以液滴形式从上向下通过1700摄氏度左右的氧化带高温层然后通过1500摄氏度左右的还原带，整个熔化时间只有十来分钟，很快可去浇注，而感应炉属于间隙式生产，铁液在炉内熔化时间需40-60分钟，而由于造型与熔化不配套，或电炉容量大，一炉铁水在炉内保留时间长，而含溶氧量高，SiO2氧化低，当炉前不加控制 会出现金相组织的变化，而机械性能的波动。
氧对石墨的影响是双方面的 ，溶解氧多，激冷倾向大，白口shendu层或宽度大，而氧化物成为二氧化硅后，它可作为异质晶核而cujin石墨化，激冷倾向，和收缩倾向 减少，其原因 是溶解氧和化合氧的变化，知道了这些，现在 可以采取下面的措施。
1. 要快速熔化，在高温下不要过多停留，温度不能过高，灰铸铁石墨核心是什么？铃木和中江都认为，在感应电炉中，锰和硫不能成为核心，因为在他们的实验中，白口是随着硫量的升高而增加的，只有加入了增碳剂或孕育剂，白口才急剧下降，冲天炉熔化速度快，铁液又穿过焦炭层下落，自然会有大量的未溶石墨。而感应炉 算加了生铁錠，加了增碳剂，只要炉料慢慢熔化，其未溶石墨也会消失，亦即石墨结晶核心消失了，白口都很大，而在快速熔化下，或在熔化后期加点增碳剂，或碳化硅预处理剂，石墨形态才会好，快速熔化，保温时间不长即出炉， 保证含氧量合适，波动范围小。
2. 在炉料中加入30以下的铁屑，有助于含氧量的增加。
3. 在确认铸铁中的氧含量过低的情况下， 应适当地增加氧,含量方便的办法是，利用氧硫孕育剂，BCIRA与埃肯合作 成的Superseed 属于这种孕育剂，可用于灰铸铁或球铁氧，硫过低（氧低于0.001，硫小于0.006）时可用。
4. 采用废钢+增碳剂工艺，增加成核能力。
5. 采用预处理剂，用碳化硅代替硅铁，由于碳化硅fenjie慢等于changxiao孕育剂，另有资料显示，冶金碳化硅含有5左右的二氧化硅微粒，可弥补感应电炉高温及保持下的晶核损失，可 gaishan石墨形态，使灰铸铁A型石墨增多，减少过冷和激冷倾向，对球铁能增加石墨球数增加球化率。加强炉前三角试片检验，根据白口宽度来调整孕育剂加入量。
