炉前铁水热分析在铸铁领域的应用方法与策略

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    铁水成份炉前快速热分析技术是以铸铁组织形成过程的凝固温度曲线为被测对象，由计算机对凝固温度曲线迸行解析，从而计算出铁水的碳当量（CE％），碳含量（C％），硅含量 （Si％）等指标的铸铁炉前快速分析技术，测量精度可达到CE|O.1O％、C|0.05％、 Si|0.l0％。在工业发达国家被广泛用于铸铁生产的在线测量，是一种成熟可靠的测定方法。我国在1979年到1990年的11年对热分析仪亦做了大量的研究工作。 20世纪90年代中期随着世界产业结构的转移，一些发达国家的厂商来我国采购铸件或投资建厂，为了获得高品质的铸件，把他们仍依赖的热分柝技术也带进中国来，使热分析仪的应用首先在独资，合资和生产出口铸件的工厂展开，并取得很好的经济效益和社会效益。由于外商铸造企业的示范效应和热分析生产厂商的大力推广，在近十年时间内使热分析技术应用迅速普及。虽然热分析技术目前发展形势很快，但对于我国整个铸造业在热分析技术的应用水平上与外资企业相比还存在不小的差距，理论认识上有一定误区，使用过程中还存在一定问题，主要需要在以下几个方面加以改迸：
    1、认识热分析技术的特点，使其在实际生产中充分发挥作用  
    从事铸造技术工作的人虽都知道铁碳平衡相图，它是从事金属材料研究与生产的基础工具，它给出了铁水成份下凝固过程相变温度之间的定量关系，铁水凝固相变温度的状态又与铁水铸造后的铸件的各项性能存在一定的关系，我们就是通过这种关系进行金属材料各项性能指标的预测，调控生产过程。铁碳平衡相图的测定方法与热分析技术测得的铁水冷却曲线的方法类似，他们之间的差别在于铁碳平衡相图是在一种理想状态下测定出的结果，而热分析技术测定出的冷却曲线是生产实际中使用铁水，它的成份相对比较复杂，冷却曲线的形态与标准状态也有一定差异，但正是这种差异更能代表铁水的实际状态，使用这种实际铁水的冷却曲线进行铁水质量分析与控制更加接近生产实际，与单纯使用以成份为基础的铁碳平衡相图进行生产分析与控制相比减少了一个环节，其结果将更加准确，控制的精度更高，在生产中发挥的作用将更有力。 
    2、掌握铁水成份、性状与铁水质量的关系 
    许多研究证明影响铁水质量的因素除成份外，铁水性状也是影晌铁水质量的一个重要因素，所谓铁水性状即某一成份的铁水某一时刻所处的状态，不同的熔炼过程的不同时刻铁水的性状是各异的，这种性状以铁水成份为基础条件随时间而动态变化的，这种性状的不同必然会对铸件性能产生影响。但对性状对铁水质量的影响如果使用常规的基于成份的分析方法我们无法加与区别。对于基于过程测定的热分析法来讲，由于其测定的是铁水动态凝固的一个完整过程，通过对不同测定过程进行对比分析，即可区分出这种性状的不同，从而为研究铁水性状对铸件质量的影响提供了一种有利的定量分析工具。使用日本撒布浪斯公司的热分析仪TCS对同一炉铁水不同保温时间进行测定的结果，从测定结果发现，同一炉铁水在不同的状态下其浇注后的组织性能各不相同，即证明了铁水质量并不是只与成份有关，要获得高质量的铁水需进行多种因素综合控制。 
    根据以上分析可以看出，热分析技术所测定的铁水冷却曲线，除通过由TL、TE的数值推算出［c］、［si］含量进行定量监控外，通过对冷却曲线状态的监控，还可以用于定性的监控铁水的温度、包晶反映、过氧化等现象。 
    3 、热分析技术应用于工厂炉前控制，需注意的几个问题 
    虽然理论热分析技术的应用非常广泛，但由于要求使用者具有一定的理论水平和相当的实践经验，就我国铸造企业实际人员的素质和知识结构情况而言，还很难达到，目前还主要应用在测量铸铁白口化冷却曲线，通过TL、TE的数值推算［C］、［Si］含量的层面上，在使用中经常会出现一些理论和操作上的困惑与失误，比较典型的问题，有如下几点： 
    A、铁水碳当量、［C］、［Si］含量测量范围的认定：从测量原理上讲，热分析仪器只能测量共晶铁水，过共晶铁水由于先凝固的初生相为石墨，释放的结晶潜热不规律，在冷却曲线上无明显特征点，无法快速准确的在炉前判断出初晶温度TL，所以根据冷却曲线无法准确计算出铁水的C、Si含量，这里所说的过共晶铁水的概念与一般理解的过共晶不同，铁碳相图上铁水的共晶点的碳含量约为4.30％，但由于实际铁水中的共晶点确认热分析发所能够测量的铁水碳当量，Si元素有降低共晶凝固温度，提高铁水共晶点碳当量的作用，同时样杯中添加的碲元素使铁水按照亚稳定系白口方式凝固，也使铁水的共晶凝固温度进一步降低，高铁水共晶点碳当量，所以热分析仪所能测量的铁水碳当量远大于理想状态时的4.32％的范围，根据Si％含量及其他元素的不同其碳当量的测量上限可以达到4.83％。C、Si含量的测量范围由铁水凝固过程中的初晶温度TL和共晶温度TE决定，只要冷却曲线可以正确判断出TL和TE，就可以依据经验公司推算出其C、Si元素的含量。但由于某一铁水Si％、C％组合不同，其测量范围与理论上测量范围有一点误差。 
    B、过冷失败的处理：在使用热分析技术分析铁水成份过程中，在某种条件下会出现铁水在共晶凝固过程中不能按照亚稳定系白口方式凝固，呈现共晶温度过冷现象，无法准确判断共晶温度致使测量失败，其原因是主要由于，铁水中含有如Fe、Ti、Si、C等未完全熔化的微小颗粒，在凝固时抵消了Te无素的白口化倾向，起到形核核心的作用。消除此现象方法可采取增加Te加入量，提高铁水温度、 延长保温时间，使未完全融化的合金微小颗粒充分熔化。 
    C、测量误差原因分析：由前面的论述可以看出热分析法在炉前铁水控制的应用是一种基于成份当量的过程控制，并非严格意义上的成份测量方法，其对于成份的测量的依据是理想状态Fe-C-Si三元素相图，实际生产过程中的铁水与理想状态的Fe-C-Si三元素相图所依据铁水间的差异必然会传递到成份测量过程中，影响成份测量的精度，虽然对于稳定的差异所造成的误差可以通过修正系数加以修正，但对于铁水中除C和Si元素外的其他元素的波动所造成的误差则没有有效的修正措施，这一点实际测量时需引起注意，在原材料不稳定予以考虑。 
    对于普通热分析系统来讲也是如此，普通热分析仪器只进行白口凝固冷却曲线测定，通过捕捉到初晶温度TL、共晶温度TE这两个特征点，由内装的计算机程序计算出碳当量［CE］、碳含量［C］、 硅含量［Si］，需要说明的是：铁水成份热分析仪报告的［C］、［Si］含量是铁水中所有元素对TL、TE综合作用效果，等效［C］、［Si］元素对TL、TE作用效果的报告。这里面即包含了［C］、［Si］元素的作用，还包含了其他石墨化，反石墨化元素的综合作用。更准确的讲是［C］、［Si］成份的含量，其数值与常规化学分析方法分析出碳含量C％、硅含量Si％是有差别的。 
    尽管诸多的无素对TL、TE都有着不同程度的影响，但影响最大的是［C］、［Si］这两个元素。在常规条件下调整TL、TE最方便的方法、也是调整这两个元素的含量。因此要获得预想的组织和性能，只要调整［C］、［Si］这两个元素的含量，就能够将TL、TE整定到满足组织形成成份条件。 
    在铁水中除了碳［C］、硅［Si］两大成份以外、还存在着多种微量元素，在铁水中这些微量元素有着各自不同的作用方法（石墨化、 反石墨化等）。各元素在不同的含量下又有着不同的作用程度。这些元素互相融合，互相反应以后，对备自的作用程度有着抵消和增强。 铁水成份热分析仪由TL、TE推算出来的［C］、［Si］含量，是铁水中的［C］、［Si］元素综合了其他元素的作用以后所能表现出实际效果的含量。因此当铁水中其他的成份、含量发生变化时热分析仪测报的［C％］、［Si％］的有效含量就会发生变化。 8 X l8 t, g# |2 v; A% y G