一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法
【專利摘要】本發明公開了鋼鐵鑄造和計算機信號處理【技術領域】的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法，用以解決鑄造過程中灰鑄鐵組織和性能爐前快速綜合測評研究中存在的問題。該方法的主要思想是通過爐前采集灰鑄鐵在固定尺寸的熱分析樣杯中的冷卻曲線，然后提取冷卻曲線的有效凝固段，并以冷卻曲線的有效凝固段的整體形狀來表征灰鑄鐵熔體狀態的評測方法。本發明有效實現了一種新的灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法，該方法具有較強的自適應性，可避免人為因素；并且該方法建立數據庫并隨時添加新的標樣，具有較強的靈活性；有利于提高鑄件成品率。
【專利說明】一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及鋼鐵鑄造和計算機信號處理【技術領域】，特別涉及一種灰鑄鐵組織性能 爐前快速測評方法。
【背景技術】
[0002] 鑄鐵熔體狀態主要是指溫度、化學成分含量及組分元素在液態金屬中存在的狀 態。在溫度、化學成分及其含量固定的前提下，組分元素在熔體中的存在狀態主要受熔煉所 用原材料、熔體處理所用中間合金的成分及組織、熔煉方法、熔煉歷程等因素的影響。鑄鐵 熔體狀態是以鐵液成份和溫度為基礎條件隨時間而動態變化的，熔體狀態的不同必然會對 鑄件性能產生影響。在平衡狀態下，上述影響因素所起作用都會大大減弱或消失；但通常液 態金屬本身及凝固過程都是偏離平衡態的，這就導致具有相同溫度、相同化學成分的鐵液 具有不同的熔體狀態。如鑄鐵的熔煉過程中都包括高熔點相（如石墨）的溶解，因受熔煉 溫度、原材料等因素的影響，對于相同溫度、相同化學成分的合金，固液轉變前碳及其它合 金元素在熔體的溶解及均勻程度往往存在差異，而該差別會在凝固過程中形核、固相長大 等環節上得到體現，進而影響凝固組織。許多研究表明同一爐鐵液在不同的狀態下其澆注 后的組織性能各不相同，說明鐵液質量并不是只與成份有關，要獲得高質量的鐵液需進行 多種因素綜合控制。因此如何表征、評估及控制鐵液熔體狀態是研究凝固過程、控制凝固組 織的關鍵環節之一，也是目前凝固過程研究和控制的難點之一。
[0003] 鑄鐵的凝固過程都是偏離平衡態的。由于鑄造行業的性質決定，鑄鐵熔體狀態的 測評應具有快速的特點，熱分析方法因其快速、準確的特點而得到廣泛的應用，是一種在不 直接觀察凝固組織的條件下探測分析鐵液熔體狀態變化的爐前快速檢測方法。
[0004] 在鑄鐵行業，熱分析法作為一種鑄鐵鐵液熔體狀態檢測和控制手段，早期主要用 于鐵液成分的檢測。1960年BCIRA的研究人員（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)通過測量冷卻曲線液相線溫度確定亞共晶原鐵液的 碳當量。隨后 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)發現鐵液白口凝固的冷卻曲線的液相線溫度?Υ和共晶溫 度TE與鐵液碳當量及C、Si含量之間存在良好的線性關系，采用加碲白口化樣杯實現了鐵 液C、Si含量的單獨測定。二十世紀七十年代中期，根據冷卻曲線測定鐵液化學成分的技術 已實現了廣泛應用。
[0005] 二十世紀七十年代中期以后，受熱分析法預測原鐵液化學成分的啟發，鑄造工作 者為了實現鐵液熔體狀態的綜合評估，進一步研究了利用冷卻曲線的更多信息，如冷卻 曲線及其一次、二次微分曲線特征值，并將其拓展應用到過冷傾向、氧化程度、孕育效果、 球/蠕化效果、石墨形態、機械性能和缺陷形成傾向等反映鐵液狀態的多方面指標的預 測。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表示共晶再輝溫度，TEU表示共晶過冷溫度）的差ΛΤ (即過冷度）與石墨形態存在一定 的關系：當ΔΤ〈臨界值時獲得片狀石墨或者是不規則狀石墨，而當ΔΤ>臨界值時則獲得懦 蟲狀石墨。由此可以通過ΛΤ來預測石墨形態。借助于微分冷卻曲線，可確定冷卻曲線上 各微分特征點，并能了解凝固過程中各階段的溫度變化情況，使冷卻曲線及其微分曲線與 鑄鐵結晶過程相對應。如鑄鐵的微分曲線可以分為共晶轉變部分以及共析轉變的部分，共 晶轉變的曲線部分可以用來確定石墨化進程和共晶結晶動力學，還可確定共晶過冷度和一 次結晶放出的總熱量，而共析轉變部分可以評價鑄鐵機械性能。
[0006] 在一階微分基礎上發展起來的二階微分曲線，能進一步揭示鐵液的凝固過程特 征。一般說來，一階微分曲線反映結晶潛熱釋放速率，反映瞬時晶核數和晶體長大速度；二 階微分曲線表征生核動力學和晶體生長動力學，反映形核速率和晶體長大加速度。基于以 上兩點，可以借助于微分曲線特征點，對樣杯中鐵液的凝固過程定性地劃分各個階段。
[0007] 因此傳統熱分析法用于鑄鐵熔體狀態測評時，通常首先積累一定的試驗數據，通 過熱分析特征值回歸建立冷卻曲線及其微分曲線上的特征值或形狀與熔體狀態參數之間 的關系模型，在爐前快速采集鐵液的冷卻曲線，提取其特征值或識別冷卻曲線的形狀，根據 建立的關系模型實現熔體狀態的快速測評。但越來越多的研究證實這種特征值法具有很大 的局限。首先以化學成分為例，鐵水中的C、Si、Mn、P和S等元素以及冷卻條件對鐵水的冷 卻、凝固過程（冷卻曲線）都有影響，這種影響將體現在冷卻曲線的各個部位上。除原鐵液 成分外，冷卻曲線及其微分曲線的特征值與鐵液狀態其他指標之間的關系也非常復雜，微 量元素、熔煉工藝、孕育劑、球/蠕化劑種類、熱分析樣杯類型和熱電偶位置等因素均有不 同程度的影響，且各因素的影響存在交互作用。而多數回歸關系模型都是在特定的試驗或 生產條件下建立的，如原鐵水成分、熔煉工藝、孕育劑、球/蠕化劑種類、熱分析樣杯類型固 定的情況下，不具有普遍意義。當試驗或生產條件改變時，所建立的關系模型也可能發生變 化；而當條件波動較大時，各因素的影響在冷卻曲線上的體現相互作用，可能導致關系模型 發散性增大，測評的精度降低。其次，熱分析特征值與預報量之間如果線性關系不好，用線 性模型來回歸，必然帶來誤差。再次，在回歸數學模型時，作為參考基準的回歸變量的檢驗 值本身就有檢驗誤差（對于機械性能，還受試棒澆注方式的影響），影響數學模型的精度。 另外，用于回歸的數據個數是有限的，因而，回歸數學模型存在著局限性。而且，回歸關系的 適用范圍也有所限制，如針對含有一定量合金元素的鐵水建立的數學模型用于沒有合金元 素或含有其它合金元素的鐵水，有可能降低測試精度。
[0008] 由此可見，回歸關系往往是在某種特定的試驗或生產條件下得出的，因而傳統的 熱分析方法對不同的鑄造生產條件適應性不強。即使增加一階微分和二階微分，考慮對結 晶潛熱的分析，其特征值的選取仍是基于現有經驗及主觀因素之上的。而且對微分曲線和 冷卻曲線進行分析需要非常專業的知識，更加增加了分析帶來的難度和主觀因素的作用。
【發明內容】
[0009] 本發明的目的在于，提出一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法，用以解決目前 灰鑄鐵組織性能測評研究存在的問題。
[0010] 為實現上述目的，本發明提出了一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法，其特征 是所述方法包括下列步驟：
[0011] 步驟1 :采用鑄鐵熱分析樣杯，采集鐵液凝固的冷卻曲線，同時爐前澆鑄化學分析 試樣以及力學性能試棒；
[0012] 步驟2 :對冷卻曲線進行處理，提取冷卻曲線上從凝固開始點到凝固結束點之間 的曲線，即提取冷卻曲線有效凝固段，通過冷卻曲線有效凝固段直接反映熱分析試樣凝固 過程；
[0013] 步驟3 :對澆鑄的灰鑄鐵化學分析試樣進行化學成分分析，對澆鑄的力學性能試 棒進行力學性能測試，對澆鑄試樣進行金相分析；
[0014] 步驟4 :建立可用于評判的灰鑄鐵鐵液熔體狀態計算機數據庫，將步驟2和步驟3 中獲得的采集和分析數據作為一組有效數據，存貯于數據庫中作為標樣；
[0015] 步驟5 :若數據庫中的標樣個數大于規定的樣本個數N，則執行步驟6 ;否則重復步 驟1到步驟5 ;
[0016] 步驟6 :對于待測的灰鑄鐵，采用鑄鐵熱分析樣杯，采集鐵液凝固的冷卻曲線；
[0017] 步驟7:執行步驟2,提取灰鑄鐵的冷卻曲線有效凝固段，并通過模式識別的方法 逐一比較其與數據庫中所有已有冷卻曲線有效凝固段的差別，即綜合偏差值Cd，找出數據 庫中與待測曲線的綜合偏差值Cd最小的那條曲線，將其確定為對比曲線，
[0018] 其中綜合偏差值Cd的計算公式為：
【權利要求】
1. 一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法，其特征是所述方法包括下列步驟： 步驟1 :采用鑄鐵熱分析樣杯，采集鐵液凝固的冷卻曲線，同時爐前澆鑄化學分析試樣 以及力學性能試棒； 步驟2:對冷卻曲線進行處理，提取冷卻曲線上從凝固開始點到凝固結束點之間的曲 線，即提取冷卻曲線有效凝固段，通過冷卻曲線有效凝固段直接反映熱分析試樣凝固過 程； 步驟3 :對澆鑄的灰鑄鐵化學分析試樣進行化學成分分析，對澆鑄的力學性能試棒進 行力學性能測試，對澆鑄試樣進行金相分析； 步驟4 :建立可用于評判的灰鑄鐵鐵液熔體狀態計算機數據庫，將步驟2和步驟3中獲 得的采集和分析數據作為一組有效數據，存貯于數據庫中作為標樣； 步驟5 :若數據庫中的標樣個數大于規定的樣本個數N，則執行步驟6 ;否則重復步驟1 到步驟5 ; 步驟6 :對于待測的灰鑄鐵，采用鑄鐵熱分析樣杯，采集鐵液凝固的冷卻曲線； 步驟7 :執行步驟2,提取灰鑄鐵的冷卻曲線有效凝固段，并通過模式識別的方法根據 公式（1)逐一比較其與數據庫中所有已有冷卻曲線有效凝固段的差別，即綜合偏差值Cd， 找出數據庫中與待測曲線綜合偏差值Cd最小的那條曲線，將其確定為對比曲線， 其中綜合偏差值Cd的計算公式為： Cd = | Σ Δ Tj | /n+S (1) 公式（1)中，η是采樣總點數，ATpS按以下公式求出： ΔΤ, = Tn-T2i (2) S = [ Σ (ΛΤ廠AT)V(n-l)]1/2 (3) ΛΤ = ( Σ Λ?^/η (4) 其中，i表示第i個采樣點，Τπ表示步驟2提取的冷卻曲線1有效凝固段上，第i個取 樣點對應的溫度值，T2i表示數據庫中已有冷卻曲線2有效凝固段上，第i個取樣點對應的 溫度值，η表示采樣總點數，Λ Ti表示冷卻曲線1與2有效凝固段上，第i個取樣點的溫度 差值，Δ T表不溫度差值Δ Ti的平均值，S表不溫度差值Δ Ti的方差； 步驟8 :若步驟7中的綜合偏差值Cd小于等于:TC，則采用數據庫中對應的對比曲線的 烙體的組織性能特征參數來表征新燒鑄合金的相應特征參數； 步驟9 :若步驟7中的綜合偏差值Cd大于:TC，則立即爐前澆鑄化學分析試樣和力學性 能試棒，并對澆鑄的灰鑄鐵化學分析試樣進行化學成分分析，對澆鑄的力學性能試棒進行 力學性能測試，對澆鑄試樣進行金相分析，將該曲線和它的組織性能特征參數添加到數據 庫中，作為新的標樣。
2. 根據權利要求1所述的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法，其特征在于所述冷 卻曲線有效凝固段是指通過數據理論分析冷卻曲線上初晶奧氏體析出溫度和共晶凝固 結束溫度T EE之間的冷卻曲線段。
3. 根據權利要求2所述的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法，其特征在于所述 冷卻曲線上凝固開始點的選取方法為：設?\為第i個取樣點的溫度值，Λ Ti為第i個 取樣點和第i_l個取樣點的溫度差，由澆鑄溫度開始直到?\小于1250°C，分別計算ΛΤη 和Λ?^，如果AfO,而且0彡彡0· 5,則計算ATi+1和ATi+2，當| ATi+1|〈0. 2且 Λ Ti+21〈0· 2且I Λ Ti+11 +1 Λ Ti+21〈0· 3時，Ti就被確定為ΤΑ? ;若不滿足條件，則認為澆鑄過 程出錯，重新采集冷卻曲線。
4. 根據權利要求2所述的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法，其特征在于所述冷 卻曲線上凝固結束點ΤΕΕ的選取方法為：設dTi為微分值，?\為第i個取樣點的溫度值，t為 相鄰兩次溫度點之間的時間間隔，dTi = (Ti+4 - Ti_4)/8t，如果則開始計算dTi的 值，在150次的循環計算結果中，dTi最大時所對應的?\值即為T EE ;若不滿足條件，則認為 澆鑄過程出錯，重新采集冷卻曲線。
5. 根據權利要求1所述的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法，其特征在于所述組 織性能特征參數包括灰鑄鐵冷卻曲線有效凝固段、化學成分參數、力學性能參數、金相組織 照片及相應金相分析參數。
6. 根據權利要求5所述的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法，其特征在于所述力 學性能包括抗拉強度、屈服強度、硬度、沖擊韌度、彈性模量。
7. 根據權利要求5所述的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測評方法，其特征在于所述金 相分析參數包括A型石墨面積百分數、A型石墨長度、D型石墨面積百分數。
【文檔編號】G01N3/00GK104049069SQ201410266039
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】李言祥, 陳祥 申請人:清華大學