铸造过程中的热分析技术简介及应用

伏克松

（福士科铸造材料（中国）有限公司，江苏苏州215000）

铸造过程中的热分析技术简介及应用

伏克松

（福士科铸造材料（中国）有限公司，江苏苏州215000）

随着装备制造业的快速发展，对铸件的要求已经从简单的机械性能向内在材质品质方面转移，而代表着材质品质的冶金质量目前却没有行业标准和控制依据。热分析技术是目前唯一能在线检测和判断冶金质量好坏的手段。本文通过回顾铸造过程中的热分析技术的发展和应用，深入阐述了通过热分析技术对铁水冶金质量的控制，热分析技术是生产高品质铸件的技术保证之一。

热分析；铁水凝固；冶金质量；热分析仪

1　铸造过程中的热分析技术简介及其功能

1.1热分析技术简介

热分析技术是在温度程序控制下研究材料的各种转变和反应，如脱水，结晶，熔融，蒸发，相变等以及各种无机和有机材料的热分解过程和反应动力学问题等，是一种十分重要的分析测试方法。铸造过程中的热分析技术主要是基于差热分析描述在特定条件下铁水凝固过程中的温度与时间关系，这种曲线叫做凝固温度曲线。

二十世纪七十到九十年代，铸造过程中的热分析技术得到了快速发展，基于热电偶技术的热分析仪产品开始在铸造厂进行实际应用。

1.2热分析仪功能简介

热分析仪产品的主要技术来源是日本和欧洲，目前国内市场上常见的热分析仪主要是基于日系技术。主要是通过检测样杯中的铁水温度，热电偶把温度转化为电流信号传输到计算机，计算机对电流信号按照不同的输出要求进行处理并输出。主要输出功能有铁水成分炉前快速分析和铁水凝固温度曲线在线检测两大块。

1）铁水成分炉前快速分析技术是以铸铁组织形成过程中的白口凝固温度曲线为被测对象，计算机对白口凝固温度曲线进行解析，从而由液相线温度TL和共晶温度TE计算出铁水的碳当量，碳质量分数，硅质量分数等指标，是一种快速而较为精确的测量方法。由于此种检测需要的是白口凝固温度曲线，所以样杯内必须有白色含锑的激冷涂层。

2）铁水凝固温度曲线在线检测是通过测定铁水的凝固温度曲线和凝固过程中的一些物理参数如液相线温度TL，共晶温度TE，最小共晶温度Tmin，最大共晶温度Tmax等热物理参数，然后通过对各种热物理参数的分析来评估铁水的冶金质量的好坏。由于此种检测需要的是非白口凝固温度曲线，所以样杯内没有白色含锑的涂层。

2　热分析技术的应用

目前铁水成分炉前快速检测功能已经日趋完善，也得到了很多铸造企业的广泛应用。但铁水凝固温度曲线在线检测及其深入应用才刚刚开始，它不仅仅是热分析技术在铸造过程中的深入应用，也是未来铁水冶金质量判断和控制的主要的手段之一。

2.1铁水成分炉前快速检测

第一代铁水成分炉前快速检测（如图1）主要是通过液相线温度TL和共晶温度Tas计算出碳当量，碳质量分数硅质量分数。其中实际碳当量的精度很高（可以精确到0.01），而碳和硅的精确度则大大降低（可分别精确到0.5和0.2）；碳当量CE2只是C+Si/3的计算值，所以其精度也比较低。

第二代铁水成分炉前快速检测如图2所示，是在第一代的基础上进行了详细的功能细化即对不同的牌号设置了不同的内置参数（如成分控制范围）和输出。并且增加了专家系统即调整建议。在使用上更人性化，简单化。

图1　第一代铁水成分快速检测界面

图2　第二代铁水成分快速检测界面

2.2铁水凝固温度曲线在线检测

同样第一代铁水凝固温度曲线在线检测（图3）除了铁水的凝固曲线外还有液相线温度TL，共晶温度TE，最小共晶温度Tmin和最大共晶温度Tmax.由此可以计算出铁水的过冷度△T（△T=Tmax-Tmin）

第二代铁水凝固温度曲线在线检测不仅在第一代的基础上对凝固温度曲线进行了处理，使曲线的拐点变化更加明了，而且解析出了更多隐藏在凝固温度曲线中的表征铁水冶金质量的参数，如图4所示。计算机通过对各参数的综合计算把铁水冶金质量转化为具体的缺陷指标并显示出来。图4下方各表盘所表示的各种指标（球化率，石墨膨胀，石墨漂浮，缩松，缩孔，白口，反白口和共晶度），红色区域表示危险，黄色区域表示预警，绿色区域表示安全。而图4中部的QI则是表征铁水冶金质量的一个综合指标。

图3第一代铁水凝固温度曲线检测界面

图4左侧则是通过对凝固温度曲线的解析而得出的各种原始参数值和缺陷值。其中的一些关键参数（如PAE：共晶奥氏体析出时间；Rec：TEmax-TEmin过冷度；VPS：凝固传输速度等）是衡量铁水冶金质量好坏和冶金缺陷的主要指标。根据各项指标判断铁水的冶金质量和各缺陷形成的风险，及时地进行后续调整，以获得良好的铸件。同时友好的界面和对冶金质量的量化评判为铁水冶金质量的在线快速检测和控制提供了理想的工具与方法。

图4　第二代铁水凝固温度曲线检测界面

3　结论

铁水处理和凝固都是在高温下（1 000℃以上）进行的微观结构变化过程，在现实生产过程中既摸不着又看不到，只能通过宏观的分析然后反推其结构的变化。因此，要实现铁水处理和凝固的在线检测和控制非常困难，热分析技术打开了铁水冶金质量在线快速检测和控制的一扇方便之门，是未来铁水冶金质量在线检测和控制的重要方法和工具之一。

［1］李余增.热分析［M］.北京：清华大学出版社，1987.

TG235

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1674-6694（2016）04-0034-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.04.012

2016-04-04

伏克松（1975-），男，工程师，主要从事铁水处理以及材料应用方面的工作。