鑄造工藝分析研究機械設(shè)計及其自動化專業(yè)

鑄造生產(chǎn)是一個古老而新興的行業(yè)，也是機械行業(yè)重要基礎(chǔ)件行業(yè)。決定著機械設(shè)備的使用壽命和使用的可靠性。通過數(shù)千年的生產(chǎn)實踐積累，科學研究，從宏觀認識深入到微觀理論，有了巨大的發(fā)展，不斷揭示鑄件生產(chǎn)過程的技術(shù)控制原理、具體的控制參數(shù)，只要在生產(chǎn)過程中、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)；化學成分波動范圍的控制等，研究解決上述問題的技術(shù)控制參數(shù)：并研究采用什么熔煉方法達到目的。現(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控制化學成分的波動范圍，獲得準確的化學成分； 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元素燒損及氧化物夾雜   鐵水中的硅、錳元素的氧化燒損，是通過爐氣中的氧和二氧化碳吸附于鐵滴表面后熔入鐵水中。此時熔解氧為原子態(tài)。首先與鐵原子反應生成氧化亞鐵，由于硅、錳與氧的親和力大與鐵原子、硅、錳原子將生鐵原子從氧化七亞鐵中還原出來，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，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，氧化石墨生成一氧化碳氣。 即：(C)石墨+O=CO b當生成的氯化亞鐵于鐵水中的碳接觸時，碳還原氧化亞鐵，也是生成一氧化碳氣孔。(FeO)+(C)=CO +(Fe) 高溫鐵水有利于氣泡上浮去除。這種熔煉過程中鐵水氧化生成的氣孔叫熔煉性氣孔，其特點是呈細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：煉陳過程中，焦碳中的硫?qū)⒂?0%進入鐵水中。如何控制硫進入鐵水，是沖天爐熔煉質(zhì)量控制的重要任務(wù)之一。首先了解硫進入鐵水的過程，才能找到控制鐵水增硫的途經(jīng)。 焦碳在風口區(qū)燃燒達到高溫時，焦碳中的硫呈氣體狀態(tài)逸出，在風口區(qū)與氧反應生成二氧化琉(SO2氣體。隨著爐氣上升，與鐵料產(chǎn)生增硫途徑有二： a當二氧化硫與尚沒氧化的潔凈金屬爐料表面或鐵滴表面吸附對，產(chǎn)生增硫反應： 3Fe+SO2=(FeS)+2(FeO)+F2(1) b對于已氧化的金屬爐料表面有如下反應： 10(FeO)+SO2=(FeS)+3 Fe3O4+F(2) 式中的氧化亞鐵包括上式反應生成的和爐渣中的。 以上兩個放熱反應在沖天爐條件下都可以進行，但反應式（2）順向性比(I)大，故在金屬表面氧化嚴重時，增硫劇烈。試驗表明，金屬爐料的滲硫深度可達I3毫米。當鐵料原始含硫量為0082時，增層內(nèi)硫量可達045之多。由此可知，清除金屬爐料的鐵銹，可減少增硫。   在沖天爐熔煉過程中能否創(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法滿足的，只有在先進的熱風水冷沖天爐熔煉條件下，才能滿足上述條件-在熱風水冷沖天爐熔煉過程中，由于高溫、鐵水氧化性低，無爐襯，可造堿性渣，當鐵水在15001550，平均1530，爐渣堿度控制在1.7-2.3時，可穩(wěn)定地將鐵水硫含量降到004，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)爐熔煉高級鋼的需要。 4鐵水中磷的控制   一般在沖天爐熔煉過程中磷基本上無大變化。磷量的控制主要是從金屬爐料控制。 5微量干擾元素，微量干擾元素應控制其含量在作用量以下。在熔煉過程中，高溫有利于低熔點干擾元素的氧化、燒損。其含量相應的減少。但控制主要從金屬爐料的選擇解決之一。在沖天爐熔煉過程中。 (二)鐵水熔煉過程因素的控制     鑄鐵與鋼之所以不同，是因為有了石墨的存在，對石墨形態(tài)的控制，就是鑄鐵熔煉過程控制關(guān)鍵之一；同時在熔煉過程中必須保證獲得各種基體組織的成分要求，也就是化學成分的波動范圍的控制：也需保證在滿足機械性能的前提下，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共同的要求，即石墨應是細小的、均勻的，對孕育鑄鐵的石墨則應是短而鈍頭的，對球墨鑄鐵來說，石墨應是園整的，我國鑄鐵生產(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，也存在少量的過共晶石墨。因此，在熔煉過程中，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，碳原子就會在原始石墨上生長造成石墨的大小不均勻及尖頭石墨。石墨尖頭會造成尖端虛力集中，在應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)我們以及世界各國的研究，粗大的過共晶石墨在鐵水溫度達到1500C，并保持69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、球墨鑄鐵對鐵水的熔煉溫度是有要求的，其鐵水熔煉溫度應控制在1500以上。最高不超過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。德國人Gopat VPanchathan V在1978年曾做過沖天爐，回轉(zhuǎn)爐、電爐熔煉的鐵水性能對比試驗，發(fā)現(xiàn)沖天爐熔煉的鐵水鑄件相對強度高，使用性能好，相對硬度低，加工性能好。而電爐熔煉鐵水的相對強度低。使用性能較差，相對硬度較高，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會年會上介紹：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?沖天爐熔煉過程是熔化帶熔化的鐵滴在焦碳表面滾動中下落的，造成了鐵水微觀增碳的不均勻性，故其結(jié)晶過冷度較小，結(jié)晶晶粒細化，不易產(chǎn)生白口，而電爐熔煉鐵水是在隔絕碳的情況下進行的，同時造成碳原子分布的均勻化，使其結(jié)晶過冷度增大，使鑄件表面白口傾向增加。據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計，相對沖天爐鑄件其加工刀具磨損增加35，加工工時增加45。增加了機械加工成本。3化學成分波動范圍的控制。在一般有爐襯冷風沖天爐中，隨著熔煉時間的延長，爐襯的燒損，爐徑將不斷地擴大，如補焦不及時，量不準確，將造成低焦頂面波動增大，不僅溫度降低，鐵水氧化燒損增加，同時增大了化學成分的波動范圍，要控制碳的波動在士010是困難的。如采用熱風水冷無爐襯沖天爐，熔化過程中爐襯穩(wěn)定不變，消除了上述問題，化學成分波動范圍能得穩(wěn)定的控制。從而保證各種鑄鐵牌號的準確穩(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)量熔煉溫度應在1500以上，最佳值應是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)定化學成分波動范圍均能得到保證。如果超過1550，將增加鐵水的結(jié)晶過冷度，對使用性能不利。故從鐵水內(nèi)在質(zhì)量分析，鐵水的熔煉溫度范圍應是15001550，最佳溫度1530。三鑄鐵的生產(chǎn)工藝過程參數(shù)在鑄鐵生產(chǎn)過程中，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)工藝過程參數(shù)要求。孕育鑄鐵要求得到細小的、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15001550，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)孕育處理得到細小的，均勻的，短而純頭的石墨形態(tài)。2孕育處理溫度，應保證在孕育處理過程中，使孕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)晶過程中形成足夠多的結(jié)晶核心，一般處理應控制在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14001440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5th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，則鐵水過橋溫度應在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)以德國奔馳汽車廠汽缸缸蓋檢驗項目及性能表分析說明：(詳見附表)在14項項目中，從第8項到14項(除第l 1項外)共六項是屬熔煉過程應控制參數(shù)。而從1到7和11項，主要是成分配比確定，但熔煉過程有相當大的影響作用。如果熔煉過程控制不能滿足8到14項(除第11項外)相應要求是不可能得到l到7項的結(jié)果的。原理前面已說明，在此不再重復。由此可知，鑄鐵熔煉過程參數(shù)的嚴格控制，是保證鑄件內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵。(二)球墨鑄鐵生產(chǎn)工藝過程參數(shù)要求球墨鑄鐵的生產(chǎn)，目的是要求得到細小的、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要得到細小的、圓整的、均勻的球狀石墨形態(tài)，首先就得將過共晶石墨溶解到結(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度性能，必須使晶粒邊界上氧化物夾雜、熔煉性氣孔最少。據(jù)前所述相應的熔煉溫度應在1500以上c控制硫含量在0.030.02，控制焦碳加入量，控制氧化帶以上的二氧化碳量，以減少焦碳中硫進入鐵水量，其熔煉溫度應大于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水冷沖天爐，有高的熔煉溫度：低的氧化性氣氧，無爐襯操作，同時將爐渣的堿度控制到1723，可爐內(nèi)脫硫，使硫量降到004左右，此 時，只需在爐前加簡單的連續(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0020038%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，球鐵鐵水的熔煉溫度應高于1500，穩(wěn)定在1530左右最佳。不超過1550。2球化處理溫度： 合適的球化處理溫度，應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際、國內(nèi)均在1400，過高球化劑損失大，過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。采用瞬時孕育方法較好。綜上所述，球墨鑄鐵鐵水過橋溫度應控制在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，以熱風水冷沖天爐為最佳?，F(xiàn)分別介紹如下：(一)熱風水冷沖天爐的綜合優(yōu)勢l鐵水熔煉質(zhì)量高：以典型鑄件發(fā)動機缸蓋為例，可穩(wěn)定控制廢品率在5以下。國外為2-3%2生產(chǎn)效率高：一次點火開爐，可連續(xù)熔煉3個月以上。適應現(xiàn)代化大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)的需要。國外100120Th的熱風水冷沖天爐正在發(fā)展。3高節(jié)能：由于一次點火可連續(xù)工作三個月，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，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。不計廢品率的降低，一臺15Th爐，每天工作兩班，以上四項每月至少可節(jié)省30萬元以上，年計共360萬元。5高標準的環(huán)保措施：整個除塵系統(tǒng)是封閉的無泄漏，采用布袋除塵器可控制煙塵含量在<50 mg/m3；熱風裝置已燃盡所有的一氧化碳徹底消除了一氧化碳對大氣的污染，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)的全自動控制的IOTh熱風水冷沖天爐交鑰匙工程，從國外引進相同的設(shè)備系統(tǒng)需4500萬元人民幣和要求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）熱風水泠沖天爐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點：1沖天爐本體，為高爐爐形，干式爐底，電動或氣動爐底啟閉機構(gòu)。前爐組成。2水冷系統(tǒng)：插入式銅質(zhì)，循環(huán)水冷風嘴，雨淋式循環(huán)水冷爐殼，水冷卻塔，水泵組、水池組成。3熱風系統(tǒng)：由霧化水冷裝置控溫的燃燒室，換熱器、熱風管道等組成。4爐氣冷卻塔，有自然風冷、強制風冷，多管水冷等任選。其中以自然風冷最好。5除塵系統(tǒng)：由料塞、抽氣室、爐氣管道、電控野風閥、除塵器。引風機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 mgm3，一般在3040 mgm3。6加料系統(tǒng)：由輔料組合斗，金屬爐料斗，振動給料組合裝置，加料小車，加料桶。電動提升機組成。7爐渣粒化系統(tǒng)，由爐渣溜槽、水池、撈渣機、可控爐渣儲存卸料斗等組或。8電控系統(tǒng)：完成從加料到出鐵水全過程的自動化操作調(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15001550，基本穩(wěn)定在1530。而國外要求固定碳為90以上的鑄造焦，價格相差一倍以上，而且購買困難系統(tǒng)示意圖附后，使用壽命在十年以上。系統(tǒng)示意圖：附表1西德缸蓋與國內(nèi)缸蓋檢驗項目及性能對比熱風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熱風提高鐵水溫度100，如保持原溫度，則降低焦耗40%，同時熔化率提高45%