鑄造工藝分析研究機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)

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1、鑄造生產(chǎn)是一個(gè)古老而新興的行業(yè)，也是機(jī)械行業(yè)重要基礎(chǔ)件行業(yè)。決定著機(jī)械設(shè)備的使用壽命和使用的可靠性。通過(guò)數(shù)千年的生產(chǎn)實(shí)踐積累，科學(xué)研究，從宏觀認(rèn)識(shí)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(guò)程的技術(shù)控制原理、具體的控制參數(shù)，只要在生產(chǎn)過(guò)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(jī)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(xué)成分波動(dòng)范圍的控制等，研究解決上述問(wèn)題的技術(shù)控制參數(shù)：并研究采用什么熔煉方法達(dá)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： l．元素氧化

2、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(guò)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(xué)成分的波動(dòng)范圍，獲得準(zhǔn)確的化學(xué)成分； 4．鐵水熔煉溫度的控制； 5．最佳熔煉方法的選擇和相應(yīng)的設(shè)備系統(tǒng)。 (一)鐵水純凈度技術(shù)參數(shù)的控制 1．元素?zé)龘p及氧化物夾雜   鐵水中的硅、錳元素的氧化燒損，是通過(guò)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(shí)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

3、與鐵原子、硅、錳原子將生鐵原子從氧化七亞鐵中還原出來(lái)，自身被氧化形成硅、錳氧化物夾雜。   眾所周知：鐵水的氧化主要產(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的，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碳被還原，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(fēng)沖天爐能有效控制元素氧化燒損。 2．鐵水氧化性氣孔的產(chǎn)生與控制   沖天爐鐵水中的熔解氧，一部份如上所述，與鐵水中硅、錳反應(yīng)生成氧化物夾雜。 A．一部份溶解氧在石墨表面吸附，氧化石墨生成

4、一氧化碳?xì)狻?即：(C)石墨+[O]={CO}↑ b．當(dāng)生成的氯化亞鐵于鐵水中的碳接觸時(shí)，碳還原氧化亞鐵，也是生成一氧化碳?xì)饪住?FeO)+(C)={CO}↑ +(Fe) 高溫鐵水有利于氣泡上浮去除。這種熔煉過(guò)程中鐵水氧化生成的氣孔叫熔煉性氣孔，其特點(diǎn)是呈細(xì)小均勻的分有于鑄件斷面。 3．鐵水硫含量的控制   在沖天爐熔：煉陳過(guò)程中，焦碳中的硫?qū)⒂?0%進(jìn)入鐵水中。如何控制硫進(jìn)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(jìn)入鐵水的過(guò)程，才能找到控制鐵水增硫的途經(jīng)。 焦碳在風(fēng)口區(qū)燃燒達(dá)到高溫時(shí)，焦碳中的硫呈氣體狀態(tài)逸出，在風(fēng)口區(qū)與氧反應(yīng)生成二氧化琉(SO2氣體。隨著爐氣上升，與

5、鐵料產(chǎn)生增硫途徑有二： a．當(dāng)二氧化硫與尚沒(méi)氧化的潔凈金屬爐料表面或鐵滴表面吸附對(duì)，產(chǎn)生增硫反應(yīng)： 3[Fe+SO2]=(FeS)+2(FeO)+△F2…(1) b．對(duì)于已氧化的金屬爐料表面．有如下反應(yīng)： 10(FeO)+SO2=(FeS)+3 Fe3O4+△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(gè)放熱反應(yīng)在沖天爐條件下都可以進(jìn)行，但反應(yīng)式（2）順向性比(I)大，故在金屬表面氧化嚴(yán)重時(shí)，增硫劇烈。試驗(yàn)表明，金屬爐料的滲硫深度可達(dá)I～3毫米。當(dāng)鐵料原始含硫量為0．082％時(shí)，增層內(nèi)硫量可達(dá)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

6、熔煉過(guò)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。這在一般沖天爐中是無(wú)法滿足的，只有在先進(jìn)的熱風(fēng)水冷沖天爐熔煉條件下，才能滿足上述條件-在熱風(fēng)水冷沖天爐熔煉過(guò)程中，由于高溫、鐵水氧化性低，無(wú)爐襯，可造堿性渣，當(dāng)鐵水在1500～1550℃，平均1530℃，爐渣堿度控制在1.7-2.3時(shí)，可穩(wěn)定地將鐵水硫含量降到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)爐熔煉高級(jí)鋼的需要。 4．鐵水中磷的控制   一般在沖天爐熔煉過(guò)程中磷基本上無(wú)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，微量干擾元素

7、應(yīng)控制其含量在作用量以下。在熔煉過(guò)程中，高溫有利于低熔點(diǎn)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(guò)程中。 (二)鐵水熔煉過(guò)程因素的控制     鑄鐵與鋼之所以不同，是因?yàn)橛辛耸拇嬖?，?duì)石墨形態(tài)的控制，就是鑄鐵熔煉過(guò)程控制關(guān)鍵之一；同時(shí)在熔煉過(guò)程中必須保證獲得各種基體組織的成分要求，也就是化學(xué)成分的波動(dòng)范圍的控制：也需保證在滿足機(jī)械性能的前提下，獲礙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(gè)共同的要求，即石墨應(yīng)是細(xì)小的、均勻的，對(duì)孕育

8、鑄鐵的石墨則應(yīng)是短而鈍頭的，對(duì)球墨鑄鐵來(lái)說(shuō)，石墨應(yīng)是園整的，我國(guó)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(guò)共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(guò)共晶石墨。因此，在熔煉過(guò)程中，要保證得到上述要求的：石墨形態(tài)．首先就必須將粗大的過(guò)共晶石墨和共晶溶解到結(jié)晶臨界半經(jīng)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(shí)，碳原子就會(huì)在原始石墨上生長(zhǎng)造成石墨的大小不均勻及尖頭石墨。石墨尖頭會(huì)造成尖端虛力集中，在應(yīng)力作用下尖端裂口延伸以致斷裂，降低另件使用的可靠性和安全性。   根據(jù)我們以

9、及世界各國(guó)的研究，粗大的過(guò)共晶石墨在鐵水溫度達(dá)到1500C，并保持6～9秒鐘可以熔化到結(jié)晶臨界半經(jīng)以下，只有在這樣的熔煉條件下，生產(chǎn)的高牌號(hào)孕育鑄鐵或球墨鑄鐵的質(zhì)量和性能是可靠的。故生產(chǎn)孕育鑄鐵、球墨鑄鐵對(duì)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℃以上。最高不超過(guò)1550℃。以1530℃為最佳。 鑄鐵熔煉方法的選擇 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(guó)人Gopat V．Panchathan V在1978年曾做過(guò)沖天爐，回轉(zhuǎn)爐、電爐熔煉的鐵水性能對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沖天爐熔煉的鐵水鑄件相對(duì)強(qiáng)度高，使用性能好，相對(duì)硬度低，加工性能好。

10、而電爐熔煉鐵水的相對(duì)強(qiáng)度低。使用性能較差，相對(duì)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(xué)會(huì)年會(huì)上介紹：要得到好的汽車鑄件，采用沖天爐熔煉鐵水最佳。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(guò)程是熔化帶熔化的鐵滴在焦碳表面滾動(dòng)中下落的，造成了鐵水微觀增碳的不均勻性，故其結(jié)晶過(guò)冷度較小，結(jié)晶晶粒細(xì)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(jìn)行的，同時(shí)造成碳原子分布的均勻化，使其結(jié)晶過(guò)冷度增大，使鑄件表面白口傾向增加。據(jù)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)，相對(duì)沖天爐鑄件其加工刀具磨損增加35％，加工工時(shí)增加45％。增加了機(jī)械加工成本。 3．化學(xué)成分波動(dòng)范圍的

11、控制。 在一般有爐襯冷風(fēng)沖天爐中，隨著熔煉時(shí)間的延長(zhǎng)，爐襯的燒損，爐徑將不斷地?cái)U(kuò)大，如補(bǔ)焦不及時(shí)，量不準(zhǔn)確，將造成低焦頂面波動(dòng)增大，不僅溫度降低，鐵水氧化燒損增加，同時(shí)增大了化學(xué)成分的波動(dòng)范圍，要控制碳的波動(dòng)在士0．10％是困難的。如采用熱風(fēng)水冷無(wú)爐襯沖天爐，熔化過(guò)程中爐襯穩(wěn)定不變，消除了上述問(wèn)題，化學(xué)成分波動(dòng)范圍能得穩(wěn)定的控制。從而保證各種鑄鐵牌號(hào)的準(zhǔn)確穩(wěn)定生產(chǎn)。 4．鐵水的最佳熔煉溫度控制 綜上所述，保證鐵水的內(nèi)在質(zhì)量熔煉溫度應(yīng)在1500℃以上，最佳值應(yīng)是1530℃，在該溫度鐵水氧化物夾雜、氣孔最低抑制增硫，消除石墨遺傳性，穩(wěn)定化學(xué)成分波動(dòng)范圍均能得到保證。如果超過(guò)1550℃，將增加

12、鐵水的結(jié)晶過(guò)冷度，對(duì)使用性能不利。 故從鐵水內(nèi)在質(zhì)量分析，鐵水的熔煉溫度范圍應(yīng)是1500～1550℃，最佳溫度1530℃。 三．鑄鐵的生產(chǎn)工藝過(guò)程參數(shù) 在鑄鐵生產(chǎn)過(guò)程中，各種不同的鑄鐵都有不同的工藝摻數(shù)要求?，F(xiàn)分述如下： (一)孕育鑄鐵的生產(chǎn)工藝過(guò)程參數(shù)要求。 孕育鑄鐵要求得到細(xì)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1500～1550℃，穩(wěn)定1530℃最佳。以保證獲得鐵水的高純凈度，消除石墨的遺傳性，經(jīng)孕育處理得到細(xì)小的，均勻的，短而純頭的石墨形態(tài)。 2．孕育處理溫度，應(yīng)保證在孕育處理過(guò)程中，使孕

13、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(guò)程中形成足夠多的結(jié)晶核心，一般處理應(yīng)控制在1450℃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1400～1440℃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1450℃。如以5t／h沖天爐為例，前爐出鐵三包后，鐵水前爐降溫一般穩(wěn)定在50℃左右，則鐵水過(guò)橋溫度應(yīng)在1500℃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(guó)奔馳汽車廠汽缸缸蓋檢驗(yàn)項(xiàng)目及性能表分析說(shuō)明：(詳見(jiàn)附表)在14項(xiàng)項(xiàng)目中，從第8項(xiàng)到14項(xiàng)(除第l 1項(xiàng)外

14、)共六項(xiàng)是屬熔煉過(guò)程應(yīng)控制參數(shù)。而從1到7和11項(xiàng)，主要是成分配比確定，但熔煉過(guò)程有相當(dāng)大的影響作用。如果熔煉過(guò)程控制不能滿足8到14項(xiàng)(除第11項(xiàng)外)相應(yīng)要求是不可能得到l到7項(xiàng)的結(jié)果的。原理前面已說(shuō)明，在此不再重復(fù)。 由此可知，鑄鐵熔煉過(guò)程參數(shù)的嚴(yán)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(guò)程參數(shù)要求 球墨鑄鐵的生產(chǎn)，目的是要求得到細(xì)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(xì)小的、圓整的、均勻的球狀石墨形態(tài)，首先就得將過(guò)共晶石墨溶解到結(jié)晶臨界半徑以下，熔煉溫度高于1500℃。 b．要得到好的延伸率和強(qiáng)度性能，必須使晶粒邊

15、界上氧化物夾雜、熔煉性氣孔最少。據(jù)前所述相應(yīng)的熔煉溫度應(yīng)在1500℃以上 c．控制硫含量在0.03～0.02％，控制焦碳加入量，控制氧化帶以上的二氧化碳量，以減少焦碳中硫進(jìn)入鐵水量，其熔煉溫度應(yīng)大于1500℃，溫度愈高，控制效果愈好。在l 530℃最佳。 如果采用高科技的熱風(fēng)水冷沖天爐，有高的熔煉溫度：低的氧化性氣氧，無(wú)爐襯操作，同時(shí)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(shí)，只需在爐前加簡(jiǎn)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%最佳值范圍內(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

16、熔煉溫度應(yīng)高于1500℃，穩(wěn)定在1530℃左右最佳。不超過(guò)1550℃。 2．球化處理溫度： 合適的球化處理溫度，應(yīng)保證球化劑充分的作用，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(guó)際、國(guó)內(nèi)均在1400℃，過(guò)高球化劑損失大，過(guò)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。但必須控制孕育劑顆粒度和澆注溫度的配合。采用瞬時(shí)孕育方法較好。 綜上所述，球墨鑄鐵鐵水過(guò)橋溫度應(yīng)控制在1500℃以上，以1530℃左右最佳。 四．鑄鐵熔煉設(shè)備的最佳選擇 綜上所述，在各種熔煉設(shè)備中，以熱風(fēng)水冷沖天爐為最佳?，F(xiàn)分別介紹如下： (一)熱風(fēng)水冷沖

17、天爐的綜合優(yōu)勢(shì) l．鐵水熔煉質(zhì)量高：以典型鑄件發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋為例，可穩(wěn)定控制廢品率在5％以下。國(guó)外為2-3% 2．生產(chǎn)效率高：一次點(diǎn)火開(kāi)爐，可連續(xù)熔煉3個(gè)月以上。適應(yīng)現(xiàn)代化大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的需要。國(guó)外100～120T／h的熱風(fēng)水冷沖天爐正在發(fā)展。 3．高節(jié)能：由于一次點(diǎn)火可連續(xù)工作三個(gè)月，與普通沖天爐比節(jié)省大量的底焦；以及采用了自熱、外熱式熱風(fēng)，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)省焦碳，還節(jié)約了大量的耐火材料。減少鐵合金的燒損。不計(jì)廢品率的降低，一臺(tái)15T／h爐，每天工作兩班，以上四項(xiàng)每月至少可節(jié)省30萬(wàn)元以上，年計(jì)共360萬(wàn)元。 5．高

18、標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)保措施：整個(gè)除塵系統(tǒng)是封閉的無(wú)泄漏，采用布袋除塵器可控制煙塵含量在<50 mg/m3；熱風(fēng)裝置已燃盡所有的一氧化碳徹底消除了一氧化碳對(duì)大氣的污染，其煙囪可很低，看不到黑色的煙囪。其潔凈度己大大好于現(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(dòng)控制的IOTh熱風(fēng)水冷沖天爐交鑰匙工程，從國(guó)外引進(jìn)相同的設(shè)備系統(tǒng)需4500萬(wàn)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(fēng)水泠沖天爐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 1．沖天爐本體，為高爐爐形，干式爐底，電動(dòng)或氣動(dòng)爐底啟閉機(jī)構(gòu)。前爐組成。 2．水冷系統(tǒng)：插入式銅質(zhì)，循環(huán)水冷風(fēng)嘴，雨

19、淋式循環(huán)水冷爐殼，水冷卻塔，水泵組、水池組成。 3．熱風(fēng)系統(tǒng)：由霧化水冷裝置控溫的燃燒室，換熱器、熱風(fēng)管道等組成。 4．爐氣冷卻塔，有自然風(fēng)冷、強(qiáng)制風(fēng)冷，多管水冷等任選。其中以自然風(fēng)冷最好。 5．除塵系統(tǒng)：由料塞、抽氣室、爐氣管道、電控野風(fēng)閥、除塵器。引風(fēng)機(jī)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<50 mg／m3，一般在30～40 mg／m3。 6．加料系統(tǒng)：由輔料組合斗，金屬爐料斗，振動(dòng)給料組合裝置，加料小車，加料桶。電動(dòng)提升機(jī)組成。 7．爐渣粒化系統(tǒng)，由爐渣溜槽、水池、撈渣機(jī)、可控爐渣儲(chǔ)存卸料斗等組或。 8．電控系統(tǒng)：完成從加料到出鐵水全過(guò)程

20、的自動(dòng)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％以上固定碳的焦碳，出鐵溫度穩(wěn)定控制在1500～1550℃，基本穩(wěn)定在1530℃。而國(guó)外要求固定碳為90％以上的鑄造焦，價(jià)格相差一倍以上，而且購(gòu)買(mǎi)困難．系統(tǒng)示意圖附后，使用壽命在十年以上。 系統(tǒng)示意圖： 附表1 西德缸蓋與國(guó)內(nèi)缸蓋檢驗(yàn)項(xiàng)目及性能對(duì)比 熱風(fēng)水冷沖天爐的熱平衡比較表 由上表可以看出： 1．爐氣帶走的物理熱化學(xué)熱之和在45%~55%之間，爐子愈大，帶走的熱量愈多，即熱損失愈多； 2．如果維持原焦耗，500℃熱風(fēng)提高鐵水溫度100℃，如保持原溫度，則降低焦耗40%，同時(shí)熔化率提高45%