一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法
【专利摘要】本发明公开了钢铁铸造和计算机信号处理【技术领域】的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，用以解决铸造过程中灰铸铁组织和性能炉前快速综合测评研究中存在的问题。该方法的主要思想是通过炉前采集灰铸铁在固定尺寸的热分析样杯中的冷却曲线，然后提取冷却曲线的有效凝固段，并以冷却曲线的有效凝固段的整体形状来表征灰铸铁熔体状态的评测方法。本发明有效实现了一种新的灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，该方法具有较强的自适应性，可避免人为因素；并且该方法建立数据库并随时添加新的标样，具有较强的灵活性；有利于提高铸件成品率。
【专利说明】一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钢铁铸造和计算机信号处理【技术领域】，特别涉及一种灰铸铁组织性能 炉前快速测评方法。
【背景技术】
[0002] 铸铁熔体状态主要是指温度、化学成分含量及组分元素在液态金属中存在的状 态。在温度、化学成分及其含量固定的前提下，组分元素在熔体中的存在状态主要受熔炼所 用原材料、熔体处理所用中间合金的成分及组织、熔炼方法、熔炼历程等因素的影响。铸铁 熔体状态是以铁液成份和温度为基础条件随时间而动态变化的，熔体状态的不同必然会对 铸件性能产生影响。在平衡状态下，上述影响因素所起作用都会大大减弱或消失；但通常液 态金属本身及凝固过程都是偏离平衡态的，这就导致具有相同温度、相同化学成分的铁液 具有不同的熔体状态。如铸铁的熔炼过程中都包括高熔点相（如石墨）的溶解，因受熔炼 温度、原材料等因素的影响，对于相同温度、相同化学成分的合金，固液转变前碳及其它合 金元素在熔体的溶解及均匀程度往往存在差异，而该差别会在凝固过程中形核、固相长大 等环节上得到体现，进而影响凝固组织。许多研究表明同一炉铁液在不同的状态下其浇注 后的组织性能各不相同，说明铁液质量并不是只与成份有关，要获得高质量的铁液需进行 多种因素综合控制。因此如何表征、评估及控制铁液熔体状态是研究凝固过程、控制凝固组 织的关键环节之一，也是目前凝固过程研究和控制的难点之一。
[0003] 铸铁的凝固过程都是偏离平衡态的。由于铸造行业的性质决定，铸铁熔体状态的 测评应具有快速的特点，热分析方法因其快速、准确的特点而得到广泛的应用，是一种在不 直接观察凝固组织的条件下探测分析铁液熔体状态变化的炉前快速检测方法。
[0004] 在铸铁行业，热分析法作为一种铸铁铁液熔体状态检测和控制手段，早期主要用 于铁液成分的检测。1960年BCIRA的研究人员（Humphreys J G，Effect of Composition on the Liquidus and Eutectic Temperatures and on the Eutectic Point of Cast Irons. BCIRA Journal，1961,9(5) :609-621)通过测量冷却曲线液相线温度确定亚共晶原铁液的 碳当量。随后 Moore 等人（Donald W, Fuller A G, Moore A. New Developments in Thermal Analysis Techniques Enable Determination of Carbon and Silicon Contents. AFS Transaction, 1975, 83:325-328)发现铁液白口凝固的冷却曲线的液相线温度?Υ和共晶温 度TE与铁液碳当量及C、Si含量之间存在良好的线性关系，采用加碲白口化样杯实现了铁 液C、Si含量的单独测定。二十世纪七十年代中期，根据冷却曲线测定铁液化学成分的技术 已实现了广泛应用。
[0005] 二十世纪七十年代中期以后，受热分析法预测原铁液化学成分的启发，铸造工作 者为了实现铁液熔体状态的综合评估，进一步研究了利用冷却曲线的更多信息，如冷却 曲线及其一次、二次微分曲线特征值，并将其拓展应用到过冷倾向、氧化程度、孕育效果、 球/蠕化效果、石墨形态、机械性能和缺陷形成倾向等反映铁液状态的多方面指标的预 测。如 D. M. Stefanescu 等人（Stefanescu D. M.，Voigt R. C.，Chen I. G.，et al. Cooling Curve Structure Analysis of Compacted/Vermicular Graphite Cast Irons Produced by Different Melt Treatments. AFS Transactions, 1982, 90:333-348)研究表明，TER_TEU (其中 TEK表示共晶再辉温度，TEU表示共晶过冷温度）的差ΛΤ (即过冷度）与石墨形态存在一定 的关系：当ΔΤ〈临界值时获得片状石墨或者是不规则状石墨，而当ΔΤ>临界值时则获得懦 虫状石墨。由此可以通过ΛΤ来预测石墨形态。借助于微分冷却曲线，可确定冷却曲线上 各微分特征点，并能了解凝固过程中各阶段的温度变化情况，使冷却曲线及其微分曲线与 铸铁结晶过程相对应。如铸铁的微分曲线可以分为共晶转变部分以及共析转变的部分，共 晶转变的曲线部分可以用来确定石墨化进程和共晶结晶动力学，还可确定共晶过冷度和一 次结晶放出的总热量，而共析转变部分可以评价铸铁机械性能。
[0006] 在一阶微分基础上发展起来的二阶微分曲线，能进一步揭示铁液的凝固过程特 征。一般说来，一阶微分曲线反映结晶潜热释放速率，反映瞬时晶核数和晶体长大速度；二 阶微分曲线表征生核动力学和晶体生长动力学，反映形核速率和晶体长大加速度。基于以 上两点，可以借助于微分曲线特征点，对样杯中铁液的凝固过程定性地划分各个阶段。
[0007] 因此传统热分析法用于铸铁熔体状态测评时，通常首先积累一定的试验数据，通 过热分析特征值回归建立冷却曲线及其微分曲线上的特征值或形状与熔体状态参数之间 的关系模型，在炉前快速采集铁液的冷却曲线，提取其特征值或识别冷却曲线的形状，根据 建立的关系模型实现熔体状态的快速测评。但越来越多的研究证实这种特征值法具有很大 的局限。首先以化学成分为例，铁水中的C、Si、Mn、P和S等元素以及冷却条件对铁水的冷 却、凝固过程（冷却曲线）都有影响，这种影响将体现在冷却曲线的各个部位上。除原铁液 成分外，冷却曲线及其微分曲线的特征值与铁液状态其他指标之间的关系也非常复杂，微 量元素、熔炼工艺、孕育剂、球/蠕化剂种类、热分析样杯类型和热电偶位置等因素均有不 同程度的影响，且各因素的影响存在交互作用。而多数回归关系模型都是在特定的试验或 生产条件下建立的，如原铁水成分、熔炼工艺、孕育剂、球/蠕化剂种类、热分析样杯类型固 定的情况下，不具有普遍意义。当试验或生产条件改变时，所建立的关系模型也可能发生变 化；而当条件波动较大时，各因素的影响在冷却曲线上的体现相互作用，可能导致关系模型 发散性增大，测评的精度降低。其次，热分析特征值与预报量之间如果线性关系不好，用线 性模型来回归，必然带来误差。再次，在回归数学模型时，作为参考基准的回归变量的检验 值本身就有检验误差（对于机械性能，还受试棒浇注方式的影响），影响数学模型的精度。 另外，用于回归的数据个数是有限的，因而，回归数学模型存在着局限性。而且，回归关系的 适用范围也有所限制，如针对含有一定量合金元素的铁水建立的数学模型用于没有合金元 素或含有其它合金元素的铁水，有可能降低测试精度。
[0008] 由此可见，回归关系往往是在某种特定的试验或生产条件下得出的，因而传统的 热分析方法对不同的铸造生产条件适应性不强。即使增加一阶微分和二阶微分，考虑对结 晶潜热的分析，其特征值的选取仍是基于现有经验及主观因素之上的。而且对微分曲线和 冷却曲线进行分析需要非常专业的知识，更加增加了分析带来的难度和主观因素的作用。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于，提出一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，用以解决目前 灰铸铁组织性能测评研究存在的问题。
[0010] 为实现上述目的，本发明提出了一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征 是所述方法包括下列步骤：
[0011] 步骤1 :采用铸铁热分析样杯，采集铁液凝固的冷却曲线，同时炉前浇铸化学分析 试样以及力学性能试棒；
[0012] 步骤2 :对冷却曲线进行处理，提取冷却曲线上从凝固开始点到凝固结束点之间 的曲线，即提取冷却曲线有效凝固段，通过冷却曲线有效凝固段直接反映热分析试样凝固 过程；
[0013] 步骤3 :对浇铸的灰铸铁化学分析试样进行化学成分分析，对浇铸的力学性能试 棒进行力学性能测试，对浇铸试样进行金相分析；
[0014] 步骤4 :建立可用于评判的灰铸铁铁液熔体状态计算机数据库，将步骤2和步骤3 中获得的采集和分析数据作为一组有效数据，存贮于数据库中作为标样；
[0015] 步骤5 :若数据库中的标样个数大于规定的样本个数N，则执行步骤6 ;否则重复步 骤1到步骤5 ;
[0016] 步骤6 :对于待测的灰铸铁，采用铸铁热分析样杯，采集铁液凝固的冷却曲线；
[0017] 步骤7:执行步骤2,提取灰铸铁的冷却曲线有效凝固段，并通过模式识别的方法 逐一比较其与数据库中所有已有冷却曲线有效凝固段的差别，即综合偏差值Cd，找出数据 库中与待测曲线的综合偏差值Cd最小的那条曲线，将其确定为对比曲线，
[0018] 其中综合偏差值Cd的计算公式为：
【权利要求】
1. 一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征是所述方法包括下列步骤： 步骤1 :采用铸铁热分析样杯，采集铁液凝固的冷却曲线，同时炉前浇铸化学分析试样 以及力学性能试棒； 步骤2:对冷却曲线进行处理，提取冷却曲线上从凝固开始点到凝固结束点之间的曲 线，即提取冷却曲线有效凝固段，通过冷却曲线有效凝固段直接反映热分析试样凝固过 程； 步骤3 :对浇铸的灰铸铁化学分析试样进行化学成分分析，对浇铸的力学性能试棒进 行力学性能测试，对浇铸试样进行金相分析； 步骤4 :建立可用于评判的灰铸铁铁液熔体状态计算机数据库，将步骤2和步骤3中获 得的采集和分析数据作为一组有效数据，存贮于数据库中作为标样； 步骤5 :若数据库中的标样个数大于规定的样本个数N，则执行步骤6 ;否则重复步骤1 到步骤5 ; 步骤6 :对于待测的灰铸铁，采用铸铁热分析样杯，采集铁液凝固的冷却曲线； 步骤7 :执行步骤2,提取灰铸铁的冷却曲线有效凝固段，并通过模式识别的方法根据 公式（1)逐一比较其与数据库中所有已有冷却曲线有效凝固段的差别，即综合偏差值Cd， 找出数据库中与待测曲线综合偏差值Cd最小的那条曲线，将其确定为对比曲线， 其中综合偏差值Cd的计算公式为： Cd = | Σ Δ Tj | /n+S (1) 公式（1)中，η是采样总点数，ATpS按以下公式求出： ΔΤ, = Tn-T2i (2) S = [ Σ (ΛΤ厂AT)V(n-l)]1/2 (3) ΛΤ = ( Σ Λ?^/η (4) 其中，i表示第i个采样点，Τπ表示步骤2提取的冷却曲线1有效凝固段上，第i个取 样点对应的温度值，T2i表示数据库中已有冷却曲线2有效凝固段上，第i个取样点对应的 温度值，η表示采样总点数，Λ Ti表示冷却曲线1与2有效凝固段上，第i个取样点的温度 差值，Δ T表不温度差值Δ Ti的平均值，S表不温度差值Δ Ti的方差； 步骤8 :若步骤7中的综合偏差值Cd小于等于:TC，则采用数据库中对应的对比曲线的 烙体的组织性能特征参数来表征新烧铸合金的相应特征参数； 步骤9 :若步骤7中的综合偏差值Cd大于:TC，则立即炉前浇铸化学分析试样和力学性 能试棒，并对浇铸的灰铸铁化学分析试样进行化学成分分析，对浇铸的力学性能试棒进行 力学性能测试，对浇铸试样进行金相分析，将该曲线和它的组织性能特征参数添加到数据 库中，作为新的标样。
2. 根据权利要求1所述的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于所述冷 却曲线有效凝固段是指通过数据理论分析冷却曲线上初晶奥氏体析出温度和共晶凝固 结束温度T EE之间的冷却曲线段。
3. 根据权利要求2所述的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于所述 冷却曲线上凝固开始点的选取方法为：设?\为第i个取样点的温度值，Λ Ti为第i个 取样点和第i_l个取样点的温度差，由浇铸温度开始直到?\小于1250°C，分别计算ΛΤη 和Λ?^，如果AfO,而且0彡彡0· 5,则计算ATi+1和ATi+2，当| ATi+1|〈0. 2且 Λ Ti+21〈0· 2且I Λ Ti+11 +1 Λ Ti+21〈0· 3时，Ti就被确定为ΤΑ? ;若不满足条件，则认为浇铸过 程出错，重新采集冷却曲线。
4. 根据权利要求2所述的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于所述冷 却曲线上凝固结束点ΤΕΕ的选取方法为：设dTi为微分值，?\为第i个取样点的温度值，t为 相邻两次温度点之间的时间间隔，dTi = (Ti+4 - Ti_4)/8t，如果则开始计算dTi的 值，在150次的循环计算结果中，dTi最大时所对应的?\值即为T EE ;若不满足条件，则认为 浇铸过程出错，重新采集冷却曲线。
5. 根据权利要求1所述的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于所述组 织性能特征参数包括灰铸铁冷却曲线有效凝固段、化学成分参数、力学性能参数、金相组织 照片及相应金相分析参数。
6. 根据权利要求5所述的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于所述力 学性能包括抗拉强度、屈服强度、硬度、冲击韧度、弹性模量。
7. 根据权利要求5所述的一种灰铸铁组织性能炉前快速测评方法，其特征在于所述金 相分析参数包括A型石墨面积百分数、A型石墨长度、D型石墨面积百分数。
【文档编号】G01N3/00GK104049069SQ201410266039
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】李言祥, 陈祥 申请人:清华大学