專利名稱：用測量基本處理過的鐵水的表面張力進(jìn)行鑄鐵的在線生產(chǎn)控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在鑄鐵固化過程中預(yù)測石墨晶體的晶核形成和生長的新方法。
WO-A1-86/01755涉及這樣一種方法，鐵水槽中的試樣允許在0.5至10分鐘固化。用兩個溫度傳感裝置同時記錄溫度，其中的一個放在上述試樣的中心部位，另一個則放在最接近容器壁的附近，通過加入所記錄的容器壁處的超冷和再輝值，容器壁處與中心處的溫度之間的差別以及在恒定共晶體生長期間中心溫度的溫度時間曲線的最大斜率和有關(guān)已知參考值來評估構(gòu)成石墨相的石墨顆粒的數(shù)目與形狀。所述方法可用于計(jì)算孕育劑和石墨結(jié)構(gòu)改性劑的數(shù)量，此量是為了獲得一種所希望的類型的鑄鐵，諸如片狀石墨鐵，致密石墨鐵(CGI)以及球狀石墨鐵(SGI)，而必須加入和去除的數(shù)量。
按照WO-A1-86/01775的方法產(chǎn)生出極好的效果，但是也還有某些不足之處，為確定所需要的時間達(dá)10分鐘，可能太長了，同時測量本身也太復(fù)雜，因此需要一種快速、簡單和可靠的方法來預(yù)測鑄鐵在固化過程中石墨晶體的晶核形成和生長的方法。
發(fā)明概要上述涉及生產(chǎn)一種具有某種希望的石墨晶體的結(jié)構(gòu)和含有石墨形狀改性劑和/或孕育劑的問題，由根據(jù)本發(fā)明的方法來解決，所述方法如下a)從一爐鐵水中采集一定量的鐵水試樣；b)確定試樣的表面張力；最后c)將試樣的表面張力與若干爐已知的固化成不同類型鑄鐵的鐵水表面張力進(jìn)行比較。
附圖簡述參照附圖對本發(fā)明描述如下

圖1是鐵水表面張力作為高表面活化元素，氧、硫和硒的，以及鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)的表面活化性較小的元素，諸如氮、磷和碳的濃度的函數(shù)的圖形表示；圖2表示石墨的原子結(jié)構(gòu)和限定石墨晶體生長方向的A-軸和C-軸；以及圖3是測量設(shè)備的示意圖。
本發(fā)明的詳述按照本發(fā)明的方法是基于在緊接以孕育劑及石墨形狀改性元素、如鎂作基本處理后，對鐵水的表面張力進(jìn)行精確測量。如圖1所示，眾所周知(見P·Kzakevich和G.Urbain鋼鐵研究所期利(JISI)，186卷，1957，167-170頁)，鐵水表面張力隨表面活化元素、如硫和氧含量的變化而改變，隨著這些元素濃度的增加鐵水表面張力而降低，因而允許形成長的具有高面(積)容(積)比表面的石墨晶體，諸如在普通灰鑄鐵中可以發(fā)現(xiàn)的。隨著硫和氧濃度的降低，鐵水的表面張力增加，因此優(yōu)先形成球狀石墨晶體，該球狀石墨晶體具有最小的面容比表面。有爭議地認(rèn)為致密石墨晶體是片狀石墨結(jié)構(gòu)的一種三維生長扭曲而形成，這種致密石墨已知是在鐵水表面張力中間值時優(yōu)先生長。
有關(guān)石墨晶體生長機(jī)理和石墨的最終形狀曾經(jīng)提出幾種理論，在所有理論中普遍的共同特性是，石墨不可變地和鐵水中所謂的解離的或活化的硫和氧成份結(jié)合在一起，它轉(zhuǎn)而又確定了鐵水的表面張力。因此通過監(jiān)測鐵水的表面張力，就可能在基本處理之后，立即預(yù)測石墨晶體到最終形狀，以使適量的鎂和孕育劑可以在澆鑄入模型之前加入到鐵水中去，因此可以使不可接受的或不符合規(guī)范的鑄件部份達(dá)到最小。
一種這樣的理論認(rèn)為，石墨的原子晶格是一種六邊形的封閉結(jié)構(gòu)(圖2)，既可能在A-軸棱柱面方向(如在片狀石墨灰鑄鐵中)或可能在C-軸基礎(chǔ)平面方向(如在球狀石墨鑄鐵中)生長。公開在表I中的(見H.Geilenberg鑄鐵的最新研究，H.D.Merchant(Ed)，Gordon和Breach，1968，195-210頁)，鐵水表面張力的物理測量清楚地表示，當(dāng)鐵中硫和氧含量高時(如在灰鑄鐵中)，在A-軸和鐵水間交界面處的表面張力低于鐵水與C-軸間交界面處的表面張力比在C軸和鐵水間的低，因此結(jié)晶優(yōu)先在A方向生長，從而產(chǎn)生長的石墨片。反之，在沒有解離的氧和硫時，石墨/鐵的表面張力高于當(dāng)氧和硫存在時，如圖1所示，在A-軸和鐵水間界面處的表面張力高于C-軸和鐵水間界面處的表面張力。因此晶體優(yōu)先在相對低的能級C-方向生長，從而產(chǎn)生球狀石墨晶體。
另一種石墨生長機(jī)理的普通理論提出，硫和氧趨向于吸附在A-軸棱柱面上，因此增加了原子的密度和A面的粗糙度，這就改善了碳原子沉積在A-面的速率。最終碳原子優(yōu)先附著到A-面導(dǎo)致片狀石墨的形成。按照同樣的理論，當(dāng)鎂或鈰或鑭或者其它已知的石墨形狀改性元素加入到鐵水中時，它們和解離的氧和硫起作用，因此“掃除”或清潔石墨晶格的A-面，在這些環(huán)境下，石墨晶格的C-面或基礎(chǔ)平面具有較高的原子密度，同時碳原子優(yōu)先沉積在C面導(dǎo)致在C-軸的生長并最終形成球狀石墨晶體。
不考慮已經(jīng)導(dǎo)致很大爭論的嚴(yán)格的生長機(jī)理，很顯然硫和氧的存在是至關(guān)重要的，本發(fā)明的一個新穎貢獻(xiàn)就是在加入鎂和孕育劑后(它通過化學(xué)反應(yīng)消耗解離態(tài)的氧和硫原子)精確地測量鐵水的表面張力，以便確定表面張力是否處在，對穩(wěn)定生長致密石墨鑄鐵，或者同樣，對成功生產(chǎn)高質(zhì)量的球墨鑄鐵，可接受的范圍內(nèi)。表面張力分析的結(jié)果將允許在澆鑄前為保證鐵水的優(yōu)化固化特性對基本處理過的鐵的孕育劑和/或鎂的含量加以修正。還必須注意到，本發(fā)明對生產(chǎn)普通灰鑄鐵也是有用的。如前所述，一定量的氧和/或硫必須存在于A-面以促進(jìn)片狀石墨的生長，表面張力的精確測量將允許技術(shù)熟練的鑄造工人確定附加孕育劑或者選擇氧源的需要量。當(dāng)認(rèn)為鈰和碲在鐵水中的表面活化性比氧和硫高時這一點(diǎn)特別正確。在將來給予黑色金屬原材料不可避免的變質(zhì)時，通過在澆鑄前監(jiān)測表面張力，測量鐵中這些元素的累積量同時實(shí)時采取正確的行動，就可能變得很重要。
本發(fā)明的一個非常重要的優(yōu)點(diǎn)在于可能很快地得到結(jié)果。不像已知的熱分析控制方法，諸如WO-A1-86/01755中公開的，它不需要鐵水試樣固化。分析可以用第一個氣泡形成而完全實(shí)施，同時可通過對后續(xù)氣泡的表面張力的分析達(dá)到驗(yàn)證。從對鐵水的采樣直到得出石墨結(jié)構(gòu)的預(yù)測的整個分析可以需要不到一分鐘。在完成分析時提出正確的處理意見，既可以是增加也可以是減少孕育劑和鎂改性元素的程度，然后優(yōu)化的鐵水可以用常規(guī)的鑄造技術(shù)進(jìn)行澆鑄。
下面將以優(yōu)選實(shí)施例的例子來描述本發(fā)明，但是這些例子僅作為說明的目的并不試圖限制本發(fā)明的范圍。
優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明的表面張力分析可用圖3所示的設(shè)備來完成。分析設(shè)備基本上包括一個試樣杯(1)，所述用鋼制成的試樣杯(1)優(yōu)選普通高溫陶瓷鉗鍋，以便有效地傳遞來源于鐵水中的振動；鐵水試樣(2)，裝在上述試樣杯內(nèi)的該試樣可以是大于近似100克的任何值，但是最好是取200至1000克的范圍；然后諸如氦、氖、氬、氪和氙的惰性氣體(9)通過閥(8)和一個浸沒的耐熔噴氣管(7)輸入并繼而冒泡地通過鐵水試樣(2)；熱電偶(10)也浸沒在鐵水試樣(2)中，熱電偶(10)可能和耐熔的噴氣管(7)組成一整體部份，但也可是氣噴管的獨(dú)立部份；最后，壓電晶體傳感器(4)裝在鋼杯(1)的壁上，以監(jiān)測噴氣管(7)末端形成的氣泡的振動特性，傳感器(4)是不貴的，既可以重復(fù)使用也可以扔掉，傳感器(4)與鋼杯(1)的實(shí)際接觸時間少于15秒，這就允許該傳感器(4)很好地處在其居里點(diǎn)以下(例如對鋯鈦酸鉛為190～350℃，對偏鈮酸鉛為400℃，或?qū)︹壦徜嚍?210℃)；試樣杯的基底(3)是平的，以便保證試樣杯(1)與傳感器(4)之間良好的物理接觸；一個可縮回的裝置(5)使之有可能調(diào)節(jié)傳感器(4)對試樣杯(1)的垂直位置。
操作時一旦鐵水(2)裝入試樣杯(1)，就在試樣杯的頂圈(11)周圍施加一個夾緊裝置(6)，以保證杯和傳感器之間的接觸，同時也限制外界的噪聲與振動，然后引入氣流，升高傳感器(4)使之直接與試樣杯(1)的平底(3)接觸，將氣流調(diào)節(jié)到這樣一種狀態(tài)，即允許氣泡(12)在噴氣管的端部充分地形成，而產(chǎn)生無關(guān)噪聲的其它氣泡不出現(xiàn)在鐵水中。
氣泡的生長速率及其振動振幅和頻率是氣體壓力及鐵水表面和噴氣管端部之間的距離H(即鐵水靜壓力頭)以及最重要的鐵水表面張力的函數(shù)。通過控制壓力以及認(rèn)為鐵水靜壓力頭的變化已經(jīng)小到足以忽略，噴氣管(7)端部的單個氣泡(12)的振動特性可以由傳感器來定量。然后以氣體壓力的資料，從噴氣管(7)端部到試樣杯(1)的平基底(3)的距離d和從熱電偶(10)測得的鐵水溫度，就可通過評估振動頻譜并與已知的參考試樣相比較容易地推出表面張力，因此預(yù)測在最終澆鑄時石墨晶粒的最終形狀。
表1鐵水和石墨之間的界面張力作為硫與氧含量以及石墨晶格生長平面的函數(shù)。
晶體 表面張力(mJ/m2)平面 含氧和硫不含氧和硫棱柱面(A) 845 1720基礎(chǔ)平面(C)12701460
權(quán)利要求
1.一種在鑄鐵固化過程中預(yù)測石墨晶體晶核形成與生長的方法，包括a)從一爐鐵水中采集一定量的鐵水試樣；b)確定試樣的表面張力；最后c)將試樣的表面張力與已知的并固化成不同類型鑄鐵的多爐鐵水的表面張力進(jìn)行比較。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述鐵水試樣的表面張力是這樣來確定將所述試樣注入試樣杯(1)中，將一個引入惰性氣體的裝置(7)浸沒在鐵水中，在試樣杯(1)的底部放置一個壓電晶體傳感器(4)，將惰性氣體調(diào)控到一個恒定的量，測量溫度，通過傳感器(4)記錄的信號監(jiān)控鐵水中的振動。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于試樣杯由鋼制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，傳感器(4)與試樣的接觸時間少于1分鐘，最好少于15秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，從氣體引入裝置(7)來的氣流要調(diào)節(jié)到允許氣泡(12)在裝置(7)的端部充分形成，而在鐵水中不出現(xiàn)氣泡。
6.一種生產(chǎn)含石墨形狀改性元素和/或孕育劑的鐵水的方法，以便提供固化成致密石墨鑄鐵、球狀石墨鑄鐵、灰鑄鐵以及任何其它類型的鐵，包括a)準(zhǔn)備鐵水；b)從上述鐵水中采集一定量的試樣；c)使用根據(jù)權(quán)利要求1-5的任一項(xiàng)所述的方法，測量上述鐵水的表面張力；d)將試樣的表面張力與過去已知的已固化成所希望類型鑄鐵的鐵水的表面張力相比較；e)如果試樣的表面張力偏離且大于已知并固化成所希望類型鑄 鐵的鐵水的表面張力一個預(yù)定值，就用已知的方法向上或向下修正所述石墨形狀改性元素和/或孕育劑的濃度；以及f)將分析和修正過的鐵水放出鐵水包(槽)澆入普通的鑄模中。
全文摘要
一種按照以下步驟生產(chǎn)具有某種所希望的石墨晶體結(jié)構(gòu)并含有石墨形狀改性元素和/或孕育劑的鑄鐵的方法:a)從一爐鐵水中取一定量的鐵水試樣;b)確定試樣的表面張力;c)將試樣的表面張力與多爐已知并固化成不同類型鑄鐵的鐵水的表面張力進(jìn)行比較;最后d)如果試樣的表面張力偏離已知的且固化成所希望類型鑄鐵的表面張力并大于一預(yù)定值,則用已知方法修正石墨形狀改性元素和/或孕育劑的濃度。
文檔編號C22C33/00GK1186525SQ96194320
公開日1998年7月1日 申請日期1996年5月21日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月29日
發(fā)明者史蒂夫·道森 申請人:新特卡斯特有限公司