分别适合冲天炉和感应电炉的复合灰铸铁孕育剂的对比与研制

论文摘要

灰铸铁是工业上应用最广泛的金属材料之一,是机械制造工业的重要基础。灰铸铁作为结构材料具有耐热、耐磨、耐腐蚀、耐氧化、耐酸碱以及良好的减震性。同时,与其它合金相比具有熔点低、加工性好、充型性好、生产设施和成型过程简单的优越性,并且成本低廉。孕育处理是灰铸铁生产过程中必不可少的一个环节,其目的是促进石墨形核、降低白口倾向、促进石墨的生长、改善石墨的形态和分布,并细化共晶团、细化基体组织、降低断面的敏感性。灰铸铁在生产中普遍应用的是75SiFe,但其孕育效果较差,为了消除自由渗碳体,不得不加大孕育剂使用量,然而为了控制终硅量,则必须降低原铁水的含硅量,这就给回炉料的使用带来了难度。而孕育效果非常好的孕育剂,加入较少的量便可以达到和普通孕育剂相同的效果,而且增硅也少,从而降低了生产成本。硫元素和氧元素是石墨形核过程中非常重要的两种元素,它们与铁液中金属元素形成的硫化物和氧化物成为石墨形核的核心,而冲天炉和感应电炉中硫氧含量是不同的,冲天炉铁水中S含量较高,而电炉铁水中0含量较高,如果单纯用普通75SiFe作为孕育剂,肯定达不到最理想的效果。综合以上,本论文通过反复试验研制出了分别适合于冲天炉和感应电炉的新型复合高效孕育剂,这两种孕育剂由FeS、Fe2O3、CaSi和75SiFe组成。为了确定孕育剂中各种物质最佳成分配比,我们分别向冲天炉和感应电炉铁水中加入孕育剂进行了三因素三水平的正交试验。通过正交试验结果进行极差分析并进行优化试验,最终确定出两种孕育剂中各成分的最佳配比。然后继续探讨了两种新型孕育剂对灰铸铁微观组织和力学性能的影响。研究结果表明,适合于冲天炉铁水的新型复合孕育剂主要成分组成为：S5-6%、O1-3%、Ca10-14%、Si60-65%,其余为Fe,适合于感应电炉的新型复合孕育剂主要成分组成为：S7%-8%、O0-1%、Ca5-8%、Si60-65%,其余为Fe,其加入量均为铁水质量的0.2%。在向冲天炉铁水冶炼的牌号为HT200中加入相应的新型孕育剂后,石墨形态明显有改变,石墨分布均匀,且大多数为A型石墨,向感应电炉铁水冶炼的HT250中加入对应孕育剂后,石墨形态多为标准A型石墨,且分布均匀,石长与共晶团等级高。两种新型孕育剂加入后,铸件的力学性能也得到了提升,白口宽度减小,抗拉强度也有增长。另外,两种新型孕育剂的添加有利于均有利于降低灰铸铁的断面敏感性,使得组织更加均匀,有利于提高铸件不同厚度部位力学性能的均一性。随着两种新型孕育剂的分别加入,在阶梯试块不同厚度处,石墨形态分布良好并且均匀,组织中珠光体含量增加。对于冲天炉,阶梯试块的硬度值由厚到薄分别从168.7N/mm2增加到176.0N/mm2,增加量为7.3N/mm2,相对于无添加新型孕育剂的试块从158.7N/mm2到182N/mm2,增加了23.3N/mm2,变化的幅度较小,这说明由于厚度的变化引起的断面敏感性较小,使得组织更加均匀,从而有利于大截面的灰铸铁件的生产。对于感应电炉,梯形试块的硬度值由厚到薄分别从161.N/mm2增加到178.3N/mm2,增加量为17.3N/mm2,相对于无添加新型孕育剂的试块从150.0N/mm2到171.3N/mm2,增加了21.3N/mm2,变化的幅度较小,与冲天炉孕育剂相比,得到的效果相同,都显著改变了灰铸铁的断面敏感性。新型孕育剂由于其高效性可以显著降低原来工厂常规孕育剂75SiFe的用量,从而大大提高了回炉料的利用率,给工厂带来巨大的经济效益和社会效益,市场应用前景广阔。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 灰铸铁的发展现状
• 1.2.1 灰铸铁的国内外发展情况
• 1.2.2 灰铸铁应用范围的扩大与展望
• 1.3 灰铸铁组织与力学性能特点
• 1.3.1 石墨
• 1.3.2 共晶团
• 1.3.3 铸铁基体组织
• 1.3.4 金相组织与力学性能的关系
• 1.4 孕育剂的研究现状
• 1.4.1 我国孕育剂的发展与现状
• 1.4.2 国内外孕育剂的差距
• 1.4.3 孕育剂的分类
• 1.4.4 孕育剂常用的合金元素及作用
• 1.4.5 孕育剂的孕育机理
• 1.5 灰铁的孕育处理工艺
• 1.5.1 灰铸铁孕育处理的作用
• 1.5.2 灰铸铁的孕育处理方法
• 1.6 冲天炉与感应电炉的区别分析
• 1.6.1 工艺性能
• 1.6.2 对环境的影响
• 1.6.3 设备结构及配套对熔炼的影响
• 1.6.4 热效率及余热回收
• 1.6.5 冶金性能及铁液质量
• 1.7 本课题的选题意义和研究内容
• 1.7.1 课题的选题意义
• 1.7.2 课题的研究内容
• 第二章 试验材料和方法
• 2.1 试验
• 2.1.1 铁水的选用
• 2.1.2 新型孕育剂的选取及孕育处理方法
• 2.1.3 包裹材料的选取
• 2.2 试验路线
• 2.3 试验设备及其检测设备
• 2.4 具体试验方法
• 2.4.1 显微组织和金相分析
• 2.4.2 白口宽度的测定
• 2.4.3 拉伸试验
• 2.4.4 布氏硬度的测定
• 2.5 孕育剂成分的选择
• 2.5.1 正交试验法
• 2.5.2 正交法设计孕育剂成分
• 第三章 新型孕育剂各成分配比的确定
• 3.1 数据的极差分析
• 3.1.1 冲天炉灰铸铁孕育剂
• 3.1.2 感应电炉灰铸铁孕育剂
• 3.2 极差分析的寻优
• 3.2.1 冲天炉灰铸铁孕育剂
• 3.2.2 感应电炉灰铸铁孕育剂
• 第四章 新型孕育剂对灰铁组织和性能的影响
• 4.1 新型孕育剂的加入量对灰铁组织的影响
• 4.1.1 冲天炉灰铸铁孕育剂
• 4.1.2 感应电炉灰铸铁孕育剂
• 4.2 冷却速度对灰铸铁石墨形态的影响
• 4.2.1 冲天炉灰铸铁孕育剂
• 4.2.2 感应电炉灰铸铁孕育剂
• 4.3 冷却速度对灰铸铁基体组织的影响
• 4.3.1 冲天炉灰铸铁孕育剂
• 4.3.2 感应电炉灰铸铁孕育剂
• 4.4 新型孕育剂的加入前后抗拉试棒断口的形貌分析
• 4.4.1 冲天炉灰铸铁孕育剂
• 4.4.2 感应电炉灰铸铁孕育剂
• 4.5 新型孕育剂的加入对不同厚度处硬度以及断面敏感性的影响
• 4.5.1 冲天炉灰铸铁孕育剂
• 4.5.2 感应电炉灰铸铁孕育剂
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附件