专利名称：用测量基本处理过的铁水的表面张力进行铸铁的在线生产控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在铸铁固化过程中预测石墨晶体的晶核形成和生长的新方法。
WO-A1-86/01755涉及这样一种方法，铁水槽中的试样允许在0.5至10分钟固化。用两个温度传感装置同时记录温度，其中的一个放在上述试样的中心部位，另一个则放在最接近容器壁的附近，通过加入所记录的容器壁处的超冷和再辉值，容器壁处与中心处的温度之间的差别以及在恒定共晶体生长期间中心温度的温度时间曲线的最大斜率和有关已知参考值来评估构成石墨相的石墨颗粒的数目与形状。所述方法可用于计算孕育剂和石墨结构改性剂的数量，此量是为了获得一种所希望的类型的铸铁，诸如片状石墨铁，致密石墨铁(CGI)以及球状石墨铁(SGI)，而必须加入和去除的数量。
按照WO-A1-86/01775的方法产生出极好的效果，但是也还有某些不足之处，为确定所需要的时间达10分钟，可能太长了，同时测量本身也太复杂，因此需要一种快速、简单和可靠的方法来预测铸铁在固化过程中石墨晶体的晶核形成和生长的方法。
发明概要上述涉及生产一种具有某种希望的石墨晶体的结构和含有石墨形状改性剂和/或孕育剂的问题，由根据本发明的方法来解决，所述方法如下a)从一炉铁水中采集一定量的铁水试样；b)确定试样的表面张力；最后c)将试样的表面张力与若干炉已知的固化成不同类型铸铁的铁水表面张力进行比较。
附图简述参照附图对本发明描述如下
图1是铁水表面张力作为高表面活化元素，氧、硫和硒的，以及铸铁标准的表面活化性较小的元素，诸如氮、磷和碳的浓度的函数的图形表示；图2表示石墨的原子结构和限定石墨晶体生长方向的A-轴和C-轴；以及图3是测量设备的示意图。
本发明的详述按照本发明的方法是基于在紧接以孕育剂及石墨形状改性元素、如镁作基本处理后，对铁水的表面张力进行精确测量。如图1所示，众所周知(见P·Kzakevich和G.Urbain钢铁研究所期利(JISI)，186卷，1957，167-170页)，铁水表面张力随表面活化元素、如硫和氧含量的变化而改变，随着这些元素浓度的增加铁水表面张力而降低，因而允许形成长的具有高面(积)容(积)比表面的石墨晶体，诸如在普通灰铸铁中可以发现的。随着硫和氧浓度的降低，铁水的表面张力增加，因此优先形成球状石墨晶体，该球状石墨晶体具有最小的面容比表面。有争议地认为致密石墨晶体是片状石墨结构的一种三维生长扭曲而形成，这种致密石墨已知是在铁水表面张力中间值时优先生长。
有关石墨晶体生长机理和石墨的最终形状曾经提出几种理论，在所有理论中普遍的共同特性是，石墨不可变地和铁水中所谓的解离的或活化的硫和氧成份结合在一起，它转而又确定了铁水的表面张力。因此通过监测铁水的表面张力，就可能在基本处理之后，立即预测石墨晶体到最终形状，以使适量的镁和孕育剂可以在浇铸入模型之前加入到铁水中去，因此可以使不可接受的或不符合规范的铸件部份达到最小。
一种这样的理论认为，石墨的原子晶格是一种六边形的封闭结构(图2)，既可能在A-轴棱柱面方向(如在片状石墨灰铸铁中)或可能在C-轴基础平面方向(如在球状石墨铸铁中)生长。公开在表I中的(见H.Geilenberg铸铁的最新研究，H.D.Merchant(Ed)，Gordon和Breach，1968，195-210页)，铁水表面张力的物理测量清楚地表示，当铁中硫和氧含量高时(如在灰铸铁中)，在A-轴和铁水间交界面处的表面张力低于铁水与C-轴间交界面处的表面张力比在C轴和铁水间的低，因此结晶优先在A方向生长，从而产生长的石墨片。反之，在没有解离的氧和硫时，石墨/铁的表面张力高于当氧和硫存在时，如图1所示，在A-轴和铁水间界面处的表面张力高于C-轴和铁水间界面处的表面张力。因此晶体优先在相对低的能级C-方向生长，从而产生球状石墨晶体。
另一种石墨生长机理的普通理论提出，硫和氧趋向于吸附在A-轴棱柱面上，因此增加了原子的密度和A面的粗糙度，这就改善了碳原子沉积在A-面的速率。最终碳原子优先附着到A-面导致片状石墨的形成。按照同样的理论，当镁或铈或镧或者其它已知的石墨形状改性元素加入到铁水中时，它们和解离的氧和硫起作用，因此“扫除”或清洁石墨晶格的A-面，在这些环境下，石墨晶格的C-面或基础平面具有较高的原子密度，同时碳原子优先沉积在C面导致在C-轴的生长并最终形成球状石墨晶体。
不考虑已经导致很大争论的严格的生长机理，很显然硫和氧的存在是至关重要的，本发明的一个新颖贡献就是在加入镁和孕育剂后(它通过化学反应消耗解离态的氧和硫原子)精确地测量铁水的表面张力，以便确定表面张力是否处在，对稳定生长致密石墨铸铁，或者同样，对成功生产高质量的球墨铸铁，可接受的范围内。表面张力分析的结果将允许在浇铸前为保证铁水的优化固化特性对基本处理过的铁的孕育剂和/或镁的含量加以修正。还必须注意到，本发明对生产普通灰铸铁也是有用的。如前所述，一定量的氧和/或硫必须存在于A-面以促进片状石墨的生长，表面张力的精确测量将允许技术熟练的铸造工人确定附加孕育剂或者选择氧源的需要量。当认为铈和碲在铁水中的表面活化性比氧和硫高时这一点特别正确。在将来给予黑色金属原材料不可避免的变质时，通过在浇铸前监测表面张力，测量铁中这些元素的累积量同时实时采取正确的行动，就可能变得很重要。
本发明的一个非常重要的优点在于可能很快地得到结果。不像已知的热分析控制方法，诸如WO-A1-86/01755中公开的，它不需要铁水试样固化。分析可以用第一个气泡形成而完全实施，同时可通过对后续气泡的表面张力的分析达到验证。从对铁水的采样直到得出石墨结构的预测的整个分析可以需要不到一分钟。在完成分析时提出正确的处理意见，既可以是增加也可以是减少孕育剂和镁改性元素的程度，然后优化的铁水可以用常规的铸造技术进行浇铸。
下面将以优选实施例的例子来描述本发明，但是这些例子仅作为说明的目的并不试图限制本发明的范围。
优选实施例描述本发明的表面张力分析可用图3所示的设备来完成。分析设备基本上包括一个试样杯(1)，所述用钢制成的试样杯(1)优选普通高温陶瓷钳锅，以便有效地传递来源于铁水中的振动；铁水试样(2)，装在上述试样杯内的该试样可以是大于近似100克的任何值，但是最好是取200至1000克的范围；然后诸如氦、氖、氩、氪和氙的惰性气体(9)通过阀(8)和一个浸没的耐熔喷气管(7)输入并继而冒泡地通过铁水试样(2)；热电偶(10)也浸没在铁水试样(2)中，热电偶(10)可能和耐熔的喷气管(7)组成一整体部份，但也可是气喷管的独立部份；最后，压电晶体传感器(4)装在钢杯(1)的壁上，以监测喷气管(7)末端形成的气泡的振动特性，传感器(4)是不贵的，既可以重复使用也可以扔掉，传感器(4)与钢杯(1)的实际接触时间少于15秒，这就允许该传感器(4)很好地处在其居里点以下(例如对锆钛酸铅为190～350℃，对偏铌酸铅为400℃，或对铌酸锂为1210℃)；试样杯的基底(3)是平的，以便保证试样杯(1)与传感器(4)之间良好的物理接触；一个可缩回的装置(5)使之有可能调节传感器(4)对试样杯(1)的垂直位置。
操作时一旦铁水(2)装入试样杯(1)，就在试样杯的顶圈(11)周围施加一个夹紧装置(6)，以保证杯和传感器之间的接触，同时也限制外界的噪声与振动，然后引入气流，升高传感器(4)使之直接与试样杯(1)的平底(3)接触，将气流调节到这样一种状态，即允许气泡(12)在喷气管的端部充分地形成，而产生无关噪声的其它气泡不出现在铁水中。
气泡的生长速率及其振动振幅和频率是气体压力及铁水表面和喷气管端部之间的距离H(即铁水静压力头)以及最重要的铁水表面张力的函数。通过控制压力以及认为铁水静压力头的变化已经小到足以忽略，喷气管(7)端部的单个气泡(12)的振动特性可以由传感器来定量。然后以气体压力的资料，从喷气管(7)端部到试样杯(1)的平基底(3)的距离d和从热电偶(10)测得的铁水温度，就可通过评估振动频谱并与已知的参考试样相比较容易地推出表面张力，因此预测在最终浇铸时石墨晶粒的最终形状。
表1铁水和石墨之间的界面张力作为硫与氧含量以及石墨晶格生长平面的函数。
晶体 表面张力(mJ/m2)平面 含氧和硫不含氧和硫棱柱面(A) 845 1720基础平面(C)12701460
权利要求
1.一种在铸铁固化过程中预测石墨晶体晶核形成与生长的方法，包括a)从一炉铁水中采集一定量的铁水试样；b)确定试样的表面张力；最后c)将试样的表面张力与已知的并固化成不同类型铸铁的多炉铁水的表面张力进行比较。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述铁水试样的表面张力是这样来确定将所述试样注入试样杯(1)中，将一个引入惰性气体的装置(7)浸没在铁水中，在试样杯(1)的底部放置一个压电晶体传感器(4)，将惰性气体调控到一个恒定的量，测量温度，通过传感器(4)记录的信号监控铁水中的振动。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于试样杯由钢制成。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，传感器(4)与试样的接触时间少于1分钟，最好少于15秒。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，从气体引入装置(7)来的气流要调节到允许气泡(12)在装置(7)的端部充分形成，而在铁水中不出现气泡。
6.一种生产含石墨形状改性元素和/或孕育剂的铁水的方法，以便提供固化成致密石墨铸铁、球状石墨铸铁、灰铸铁以及任何其它类型的铁，包括a)准备铁水；b)从上述铁水中采集一定量的试样；c)使用根据权利要求1-5的任一项所述的方法，测量上述铁水的表面张力；d)将试样的表面张力与过去已知的已固化成所希望类型铸铁的铁水的表面张力相比较；e)如果试样的表面张力偏离且大于已知并固化成所希望类型铸 铁的铁水的表面张力一个预定值，就用已知的方法向上或向下修正所述石墨形状改性元素和/或孕育剂的浓度；以及f)将分析和修正过的铁水放出铁水包(槽)浇入普通的铸模中。
全文摘要
一种按照以下步骤生产具有某种所希望的石墨晶体结构并含有石墨形状改性元素和/或孕育剂的铸铁的方法:a)从一炉铁水中取一定量的铁水试样;b)确定试样的表面张力;c)将试样的表面张力与多炉已知并固化成不同类型铸铁的铁水的表面张力进行比较;最后d)如果试样的表面张力偏离已知的且固化成所希望类型铸铁的表面张力并大于一预定值,则用已知方法修正石墨形状改性元素和/或孕育剂的浓度。
文档编号C22C33/00GK1186525SQ96194320
公开日1998年7月1日 申请日期1996年5月21日 优先权日1995年5月29日
发明者史蒂夫·道森 申请人:新特卡斯特有限公司