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炉前铁水分析仪原理及注意事项

炉前铁水分析仪又称炉前快速铁水分析仪、炉前碳硅分析仪、碳硅成份分析仪、碳硅当量仪、热分析仪。生产铸铁件时,要根据铸件壁厚和铸造条件选择合适的化学成份,以保证达到所需要的机械性能。其它条件相同时,碳当量(C+Si/3)对铸铁金相组织、铸造性能和机械性能有决定性影响。球铁生产中,只有快速、准确地测定原铁水的碳当量,才能给孕育工艺提供必要数据。

炉前铁水分析仪

炉前铁水分析仪

炉前铁水分析仪测量原理

对铁水质量进行热分析时取铁水浇入样杯,在样杯特定的散热条件下,铁水分析仪首先记录下样杯内铁水的凝固温度曲线。

白口化铁水的凝固过程

白口化铁水的凝固过程

 

通过对凝固温度曲线的解析,找出铁水凝固过程的各种相变特征参数。将相变特征参数值带入与凝固组织建立的数学模型后,即可以计算出决定铁水凝固组织的重要控制参数。以白口化铁水的凝固过程(上图中的红色曲线)为例,说明凝固温度曲线与相图的对应关系:取原铁水浇入加有强制白口化成分的样杯。热分析仪记录了样杯内白口化铁水的凝固温度曲线,如下图所示:

铁水凝固温度曲线

铁水凝固温度曲线

 

凝固温度曲线的第一个平台是铁水降温到液相线时,生成的固体相释放结晶潜热,维持样杯散热产生的恒温平台。我们将这个平台温度称做:初晶温度(TL)。随后铁水进行的是选择结晶过程,选择结晶中释放的结晶潜热不足以维持样杯的散热,温度曲线呈缓慢下降的趋势。选择结晶剩余的铁水到达共晶成份时,开始共晶凝固。剩余铁水在共晶凝固中释放出大量的结晶潜热,直至全部铁水完全凝固,维持了一个更长的的恒温平台。我们称这个温度平台为:共晶温度(TE)。以上就是白口化铁水的凝固温度曲线与相图的对应关系。

从上图可见:我们通过分析铁水的凝固温度曲线,就可以捕捉到相变温度特征值。将相变温度值与铁水中的活性成分含量或特定的凝固组织建立起数学关系,即可计算出与相变温度对应的活性成分含量或特定的凝固组织。对孕育后的亚共晶铁水进行温度、成分的保持,按一定的时间间隔取样获取凝固温度曲线,对照三角试片白口宽度的变化说明凝固温度曲线与铁水中型核物质,与铸铁凝固组织的对应关系。

取铁水同时浇注三角试片和热分析样杯。铁水凝固温度曲线从石墨化共晶温度曲线向白口化共晶温度曲线依次过渡,出现白口化共晶温度曲线以后共晶温度就不再随过热时间变化了。三角试片上的白口宽度也随过热时间的延长逐渐增大,直至出现全白口截面。图示如下:

三角试片白口宽度变化

三角试片白口宽度变化

 

从上图可见:铁水中的型核物质充分时,铁水进行的是石墨化共晶凝固,开始共晶凝固的时间早、开始共晶凝固的温度高。

随着铁水过热时间的延长,铁水中的型核物质在逐渐消融。铁水开始共晶凝固的时间向后推迟,开始共晶凝固的温度也逐渐降低,伴随着共晶过冷和再辉现象的发生。当铁水中的型核物质全部熔解后,铁水进行的是白口化共晶凝固,没有共晶过冷和再辉现象发生。开始共晶凝固的时间最晚、开始共晶凝固的温度最低。凝固组织中的C完全以Fe3C的形态存在。这就是铁水分析仪通过铁水共晶凝固的过冷和再辉现象,量化的测量铁水中型核物质的方法。热分析技术应用于测定铁水的化学成分及铸件的性能在我国发展起步较晚,但经过数十年来我国科学工作者的不断研究和大量的实践工作,在理论和实践上都有了突破性的进展,现已进入实用阶段,并可以逐步取代进口同类产品。热分析法的基本原理是,铁水在冷却凝固过程中温度的变化曲线会发生相变,随着结晶热量的释放或吸收,在冷却曲线上会出现拐点即特征值,该特征值与铁水的化学成分及性能有关。在样杯中加入一定的合金元素可以改变铸铁的凝固方式,从而应用于铸铁不同性能参数的测试。

 

炉前铁水分析仪注意事项

碳硅分析仪技术应用于工厂炉前控制,需注重的几个问题

固然理论碳硅分析仪技术的应用非常广泛,但由于要求使用者具有一定的理论水平和相当的实践经验,就我国铸造企业实际职员的素质和知识结构情况而言,还很难达到,目前还主要应用在测量铸铁白口化冷却曲线,通过TL、TE的数值推算[C]、[Si]含量的层面上,在使用中经常会出现一些理论和操纵上的困惑与失误,比较典型的问题,有如下几点:

①、过冷失败的处理:在使用碳硅分析仪技术分析铁水成份过程中,在某种条件下会出现铁水在共晶凝固过程中不能按照亚稳定系白口方式凝固,呈现共晶温度过冷现象,无法正确判定共晶温度致使测量失败,其原因是主要由于,铁水中含有如Fe、Ti、Si、C等未完全熔化的微小颗粒,在凝固时抵消了Te无素的白口化倾向,起到形核核心的作用。消除此现象方法可采取增加Te加进量,进步铁水温度、延长保温时间,使未完全融化的合金微小颗粒充分熔化。

②、铁水碳当量、[C]、[Si]含量测量范围的认定:从丈量原理上讲,碳硅分析仪仪器只能丈量共晶铁水,过共晶铁水由于先凝固的初生相为石墨,开释的结晶潜热不规律,在冷却曲线上无明显特征点,无法快速正确的在炉前判定出初晶温度TL,所以根据冷却曲线无法正确计算出铁水的C、Si含量,这里所说的过共晶铁水的概念与一般理解的过共晶不同,铁碳相图上铁水的共晶点的碳含量约为4.30%,但由于实际铁水中的共晶点确认碳硅分析仪仪所能够测量的铁水碳当量,Si元素有降低共晶凝固温度,进步铁水共晶点碳当量的作用,同时样杯中添加的碲元素使铁水按照亚稳定系白口方式凝固,也使铁水的共晶凝固温度进一步降低,高铁水共晶点碳当量,所以碳硅分析仪仪所能测量的铁水碳当量远大于理想状态时的4.32%的范围,根据Si%含量及其他元素的不同其碳当量的测量上限可以达到4.83%。C、Si含量的测量范围由铁水凝固过程中的初晶温度TL和共晶温度TE决定,只要冷却曲线可以正确判定出TL和TE,就可以依据经验公司推算出其C、Si元素的含量。但由于某一铁水Si%、C%组合不同,其测量范围与理论上测量范围有一点误差。

③、测量误差原因分析:由前面的论述可以看出碳硅分析仪法在炉前铁水控制的应用是一种基于成份当量的过程控制,并非严格意义上的成份测量方法,其对于成份的丈量的依据是理想状态Fe-C-Si三元素相图,实际生产过程中的铁水与理想状态的Fe-C-Si三元素相图所依据铁水间的差异必然会传递到成份测量过程中,影响成份测量的精度,固然对于稳定的差异所造成的误差可以通过修正系数加以修正,但对于铁水中除C和Si元素外的其他元素的波动所造成的误差则没有有效的修正措施,这一点实际测量时需引起注重,在原材料不稳定予以考虑。

对于普通碳硅分析仪系统来讲也是如此,普通碳硅分析仪器只进行白口凝固冷却曲线测定,通过捕捉到初晶温度TL、共晶温度TE这两个特征点,由内装的计算机程序计算出碳当量[CE]、碳含量[C]、硅含量[Si],需要说明的是:铁水成份碳硅分析仪仪报告的[C]、[Si]含量是铁水中所有元素对TL、TE综合作用效果,等效[C]、[Si]元素对TL、TE作用效果的报告。这里面即包含了[C]、[Si]元素的作用,还包含了其他石墨化,反石墨化元素的综合作用。更正确的讲是[C]、[Si]成份的含量,其数值与常规化学分析方法分析出碳含量C%、硅含量Si%是有差别的。

尽管诸多的因素对TL、TE都有着不同程度的影响,但影响最大的是[C]、[Si]这两个元素。在常规条件下调整TL、TE最方便的方法、也是调整这两个元素的含量。因此要获得预想的组织和性能,只要调整[C]、[Si]这两个元素的含量,就能够将TL、TE整定到满足组织形成成份条件。在铁水中除了碳[C]、硅[Si]两大成份以外、还存在着多种微量元素,在铁水中这些微量元素有着各自不同的作用方法(石墨化、反石墨化等)。各元素在不同的含量下又有着不同的作用程度。这些元素互相融合,互相反应以后,对备自的作用程度有着抵消和增强。铁水成份碳硅分析仪由TL、TE推算出来的[C]、[Si]含量,是铁水中的[C]、[Si]元素综合了其他元素的作用以后所能表现出实际效果的含量。因此当铁水中其他的成份、含量发生变化时碳硅分析仪测报的[C%]、[Si%]的有效含量就会发生变化。

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