一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了鋼鐵鑄造和計(jì)算機(jī)信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)方法，用以解決鑄造過(guò)程中灰鑄鐵組織和性能爐前快速綜合測(cè)評(píng)研究中存在的問(wèn)題。該方法的主要思想是通過(guò)爐前采集灰鑄鐵在固定尺寸的熱分析樣杯中的冷卻曲線(xiàn)，然后提取冷卻曲線(xiàn)的有效凝固段，并以冷卻曲線(xiàn)的有效凝固段的整體形狀來(lái)表征灰鑄鐵熔體狀態(tài)的評(píng)測(cè)方法。本發(fā)明有效實(shí)現(xiàn)了一種新的灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)方法，該方法具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，可避免人為因素；并且該方法建立數(shù)據(jù)庫(kù)并隨時(shí)添加新的標(biāo)樣，具有較強(qiáng)的靈活性；有利于提高鑄件成品率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鋼鐵鑄造和計(jì)算機(jī)信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種灰鑄鐵組織性能 爐前快速測(cè)評(píng)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 鑄鐵熔體狀態(tài)主要是指溫度、化學(xué)成分含量及組分元素在液態(tài)金屬中存在的狀 態(tài)。在溫度、化學(xué)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(tài)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(tài)是以鐵液成份和溫度為基礎(chǔ)條件隨時(shí)間而動(dòng)態(tài)變化的，熔體狀態(tài)的不同必然會(huì)對(duì) 鑄件性能產(chǎn)生影響。在平衡狀態(tài)下，上述影響因素所起作用都會(huì)大大減弱或消失；但通常液 態(tài)金屬本身及凝固過(guò)程都是偏離平衡態(tài)的，這就導(dǎo)致具有相同溫度、相同化學(xué)成分的鐵液 具有不同的熔體狀態(tài)。如鑄鐵的熔煉過(guò)程中都包括高熔點(diǎn)相（如石墨）的溶解，因受熔煉 溫度、原材料等因素的影響，對(duì)于相同溫度、相同化學(xué)成分的合金，固液轉(zhuǎn)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(huì)在凝固過(guò)程中形核、固相長(zhǎng)大 等環(huán)節(jié)上得到體現(xiàn)，進(jìn)而影響凝固組織。許多研究表明同一爐鐵液在不同的狀態(tài)下其澆注 后的組織性能各不相同，說(shuō)明鐵液質(zhì)量并不是只與成份有關(guān)，要獲得高質(zhì)量的鐵液需進(jìn)行 多種因素綜合控制。因此如何表征、評(píng)估及控制鐵液熔體狀態(tài)是研究凝固過(guò)程、控制凝固組 織的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是目前凝固過(guò)程研究和控制的難點(diǎn)之一。
[0003] 鑄鐵的凝固過(guò)程都是偏離平衡態(tài)的。由于鑄造行業(yè)的性質(zhì)決定，鑄鐵熔體狀態(tài)的 測(cè)評(píng)應(yīng)具有快速的特點(diǎn)，熱分析方法因其快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，是一種在不 直接觀(guān)察凝固組織的條件下探測(cè)分析鐵液熔體狀態(tài)變化的爐前快速檢測(cè)方法。
[0004] 在鑄鐵行業(yè)，熱分析法作為一種鑄鐵鐵液熔體狀態(tài)檢測(cè)和控制手段，早期主要用 于鐵液成分的檢測(cè)。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(guò)測(cè)量冷卻曲線(xiàn)液相線(xiàn)溫度確定亞共晶原鐵液的 碳當(dāng)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(fā)現(xiàn)鐵液白口凝固的冷卻曲線(xiàn)的液相線(xiàn)溫度?Υ和共晶溫 度TE與鐵液碳當(dāng)量及C、Si含量之間存在良好的線(xiàn)性關(guān)系，采用加碲白口化樣杯實(shí)現(xiàn)了鐵 液C、Si含量的單獨(dú)測(cè)定。二十世紀(jì)七十年代中期，根據(jù)冷卻曲線(xiàn)測(cè)定鐵液化學(xué)成分的技術(shù) 已實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。
[0005] 二十世紀(jì)七十年代中期以后，受熱分析法預(yù)測(cè)原鐵液化學(xué)成分的啟發(fā)，鑄造工作 者為了實(shí)現(xiàn)鐵液熔體狀態(tài)的綜合評(píng)估，進(jìn)一步研究了利用冷卻曲線(xiàn)的更多信息，如冷卻 曲線(xiàn)及其一次、二次微分曲線(xiàn)特征值，并將其拓展應(yīng)用到過(guò)冷傾向、氧化程度、孕育效果、 球/蠕化效果、石墨形態(tài)、機(jī)械性能和缺陷形成傾向等反映鐵液狀態(tài)的多方面指標(biāo)的預(yù) 測(cè)。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(guò)冷溫度）的差ΛΤ (即過(guò)冷度）與石墨形態(tài)存在一定 的關(guān)系：當(dāng)ΔΤ〈臨界值時(shí)獲得片狀石墨或者是不規(guī)則狀石墨，而當(dāng)ΔΤ>臨界值時(shí)則獲得懦 蟲(chóng)狀石墨。由此可以通過(guò)ΛΤ來(lái)預(yù)測(cè)石墨形態(tài)。借助于微分冷卻曲線(xiàn)，可確定冷卻曲線(xiàn)上 各微分特征點(diǎn)，并能了解凝固過(guò)程中各階段的溫度變化情況，使冷卻曲線(xiàn)及其微分曲線(xiàn)與 鑄鐵結(jié)晶過(guò)程相對(duì)應(yīng)。如鑄鐵的微分曲線(xiàn)可以分為共晶轉(zhuǎn)變部分以及共析轉(zhuǎn)變的部分，共 晶轉(zhuǎn)變的曲線(xiàn)部分可以用來(lái)確定石墨化進(jìn)程和共晶結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，還可確定共晶過(guò)冷度和一 次結(jié)晶放出的總熱量，而共析轉(zhuǎn)變部分可以評(píng)價(jià)鑄鐵機(jī)械性能。
[0006] 在一階微分基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的二階微分曲線(xiàn)，能進(jìn)一步揭示鐵液的凝固過(guò)程特 征。一般說(shuō)來(lái)，一階微分曲線(xiàn)反映結(jié)晶潛熱釋放速率，反映瞬時(shí)晶核數(shù)和晶體長(zhǎng)大速度；二 階微分曲線(xiàn)表征生核動(dòng)力學(xué)和晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，反映形核速率和晶體長(zhǎng)大加速度?；谝?上兩點(diǎn)，可以借助于微分曲線(xiàn)特征點(diǎn)，對(duì)樣杯中鐵液的凝固過(guò)程定性地劃分各個(gè)階段。
[0007] 因此傳統(tǒng)熱分析法用于鑄鐵熔體狀態(tài)測(cè)評(píng)時(shí)，通常首先積累一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通 過(guò)熱分析特征值回歸建立冷卻曲線(xiàn)及其微分曲線(xiàn)上的特征值或形狀與熔體狀態(tài)參數(shù)之間 的關(guān)系模型，在爐前快速采集鐵液的冷卻曲線(xiàn)，提取其特征值或識(shí)別冷卻曲線(xiàn)的形狀，根據(jù) 建立的關(guān)系模型實(shí)現(xiàn)熔體狀態(tài)的快速測(cè)評(píng)。但越來(lái)越多的研究證實(shí)這種特征值法具有很大 的局限。首先以化學(xué)成分為例，鐵水中的C、Si、Mn、P和S等元素以及冷卻條件對(duì)鐵水的冷 卻、凝固過(guò)程（冷卻曲線(xiàn)）都有影響，這種影響將體現(xiàn)在冷卻曲線(xiàn)的各個(gè)部位上。除原鐵液 成分外，冷卻曲線(xiàn)及其微分曲線(xiàn)的特征值與鐵液狀態(tài)其他指標(biāo)之間的關(guān)系也非常復(fù)雜，微 量元素、熔煉工藝、孕育劑、球/蠕化劑種類(lèi)、熱分析樣杯類(lèi)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(shù)回歸關(guān)系模型都是在特定的試驗(yàn)或 生產(chǎn)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(lèi)、熱分析樣杯類(lèi)型固 定的情況下，不具有普遍意義。當(dāng)試驗(yàn)或生產(chǎn)條件改變時(shí)，所建立的關(guān)系模型也可能發(fā)生變 化；而當(dāng)條件波動(dòng)較大時(shí)，各因素的影響在冷卻曲線(xiàn)上的體現(xiàn)相互作用，可能導(dǎo)致關(guān)系模型 發(fā)散性增大，測(cè)評(píng)的精度降低。其次，熱分析特征值與預(yù)報(bào)量之間如果線(xiàn)性關(guān)系不好，用線(xiàn) 性模型來(lái)回歸，必然帶來(lái)誤差。再次，在回歸數(shù)學(xué)模型時(shí)，作為參考基準(zhǔn)的回歸變量的檢驗(yàn) 值本身就有檢驗(yàn)誤差（對(duì)于機(jī)械性能，還受試棒澆注方式的影響），影響數(shù)學(xué)模型的精度。 另外，用于回歸的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是有限的，因而，回歸數(shù)學(xué)模型存在著局限性。而且，回歸關(guān)系的 適用范圍也有所限制，如針對(duì)含有一定量合金元素的鐵水建立的數(shù)學(xué)模型用于沒(méi)有合金元 素或含有其它合金元素的鐵水，有可能降低測(cè)試精度。
[0008] 由此可見(jiàn)，回歸關(guān)系往往是在某種特定的試驗(yàn)或生產(chǎn)條件下得出的，因而傳統(tǒng)的 熱分析方法對(duì)不同的鑄造生產(chǎn)條件適應(yīng)性不強(qiáng)。即使增加一階微分和二階微分，考慮對(duì)結(jié) 晶潛熱的分析，其特征值的選取仍是基于現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)及主觀(guān)因素之上的。而且對(duì)微分曲線(xiàn)和 冷卻曲線(xiàn)進(jìn)行分析需要非常專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，更加增加了分析帶來(lái)的難度和主觀(guān)因素的作用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于，提出一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)方法，用以解決目前 灰鑄鐵組織性能測(cè)評(píng)研究存在的問(wèn)題。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)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(xiàn)，同時(shí)爐前澆鑄化學(xué)分析 試樣以及力學(xué)性能試棒；
[0012] 步驟2 :對(duì)冷卻曲線(xiàn)進(jìn)行處理，提取冷卻曲線(xiàn)上從凝固開(kāi)始點(diǎn)到凝固結(jié)束點(diǎn)之間 的曲線(xiàn)，即提取冷卻曲線(xiàn)有效凝固段，通過(guò)冷卻曲線(xiàn)有效凝固段直接反映熱分析試樣凝固 過(guò)程；
[0013] 步驟3 :對(duì)澆鑄的灰鑄鐵化學(xué)分析試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，對(duì)澆鑄的力學(xué)性能試 棒進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，對(duì)澆鑄試樣進(jìn)行金相分析；
[0014] 步驟4 :建立可用于評(píng)判的灰鑄鐵鐵液熔體狀態(tài)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，將步驟2和步驟3 中獲得的采集和分析數(shù)據(jù)作為一組有效數(shù)據(jù)，存貯于數(shù)據(jù)庫(kù)中作為標(biāo)樣；
[0015] 步驟5 :若數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)樣個(gè)數(shù)大于規(guī)定的樣本個(gè)數(shù)N，則執(zhí)行步驟6 ;否則重復(fù)步 驟1到步驟5 ;
[0016] 步驟6 :對(duì)于待測(cè)的灰鑄鐵，采用鑄鐵熱分析樣杯，采集鐵液凝固的冷卻曲線(xiàn)；
[0017] 步驟7:執(zhí)行步驟2,提取灰鑄鐵的冷卻曲線(xiàn)有效凝固段，并通過(guò)模式識(shí)別的方法 逐一比較其與數(shù)據(jù)庫(kù)中所有已有冷卻曲線(xiàn)有效凝固段的差別，即綜合偏差值Cd，找出數(shù)據(jù) 庫(kù)中與待測(cè)曲線(xiàn)的綜合偏差值Cd最小的那條曲線(xiàn)，將其確定為對(duì)比曲線(xiàn)，
[0018] 其中綜合偏差值Cd的計(jì)算公式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)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(xiàn)，同時(shí)爐前澆鑄化學(xué)分析試樣 以及力學(xué)性能試棒； 步驟2:對(duì)冷卻曲線(xiàn)進(jìn)行處理，提取冷卻曲線(xiàn)上從凝固開(kāi)始點(diǎn)到凝固結(jié)束點(diǎn)之間的曲 線(xiàn)，即提取冷卻曲線(xiàn)有效凝固段，通過(guò)冷卻曲線(xiàn)有效凝固段直接反映熱分析試樣凝固過(guò) 程； 步驟3 :對(duì)澆鑄的灰鑄鐵化學(xué)分析試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，對(duì)澆鑄的力學(xué)性能試棒進(jìn) 行力學(xué)性能測(cè)試，對(duì)澆鑄試樣進(jìn)行金相分析； 步驟4 :建立可用于評(píng)判的灰鑄鐵鐵液熔體狀態(tài)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，將步驟2和步驟3中獲 得的采集和分析數(shù)據(jù)作為一組有效數(shù)據(jù)，存貯于數(shù)據(jù)庫(kù)中作為標(biāo)樣； 步驟5 :若數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)樣個(gè)數(shù)大于規(guī)定的樣本個(gè)數(shù)N，則執(zhí)行步驟6 ;否則重復(fù)步驟1 到步驟5 ; 步驟6 :對(duì)于待測(cè)的灰鑄鐵，采用鑄鐵熱分析樣杯，采集鐵液凝固的冷卻曲線(xiàn)； 步驟7 :執(zhí)行步驟2,提取灰鑄鐵的冷卻曲線(xiàn)有效凝固段，并通過(guò)模式識(shí)別的方法根據(jù) 公式（1)逐一比較其與數(shù)據(jù)庫(kù)中所有已有冷卻曲線(xiàn)有效凝固段的差別，即綜合偏差值Cd， 找出數(shù)據(jù)庫(kù)中與待測(cè)曲線(xiàn)綜合偏差值Cd最小的那條曲線(xiàn)，將其確定為對(duì)比曲線(xiàn)， 其中綜合偏差值Cd的計(jì)算公式為： Cd = | Σ Δ Tj | /n+S (1) 公式（1)中，η是采樣總點(diǎn)數(shù)，ATpS按以下公式求出： ΔΤ, = Tn-T2i (2) S = [ Σ (ΛΤ廠(chǎng)AT)V(n-l)]1/2 (3) ΛΤ = ( Σ Λ?^/η (4) 其中，i表示第i個(gè)采樣點(diǎn)，Τπ表示步驟2提取的冷卻曲線(xiàn)1有效凝固段上，第i個(gè)取 樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值，T2i表示數(shù)據(jù)庫(kù)中已有冷卻曲線(xiàn)2有效凝固段上，第i個(gè)取樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 溫度值，η表示采樣總點(diǎn)數(shù)，Λ Ti表示冷卻曲線(xiàn)1與2有效凝固段上，第i個(gè)取樣點(diǎn)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(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的對(duì)比曲線(xiàn)的 烙體的組織性能特征參數(shù)來(lái)表征新燒鑄合金的相應(yīng)特征參數(shù)； 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(xué)分析試樣和力學(xué)性 能試棒，并對(duì)澆鑄的灰鑄鐵化學(xué)分析試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，對(duì)澆鑄的力學(xué)性能試棒進(jìn)行 力學(xué)性能測(cè)試，對(duì)澆鑄試樣進(jìn)行金相分析，將該曲線(xiàn)和它的組織性能特征參數(shù)添加到數(shù)據(jù) 庫(kù)中，作為新的標(biāo)樣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)方法，其特征在于所述冷 卻曲線(xiàn)有效凝固段是指通過(guò)數(shù)據(jù)理論分析冷卻曲線(xiàn)上初晶奧氏體析出溫度和共晶凝固 結(jié)束溫度T EE之間的冷卻曲線(xiàn)段。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)方法，其特征在于所述 冷卻曲線(xiàn)上凝固開(kāi)始點(diǎn)的選取方法為：設(shè)?\為第i個(gè)取樣點(diǎn)的溫度值，Λ Ti為第i個(gè) 取樣點(diǎn)和第i_l個(gè)取樣點(diǎn)的溫度差，由澆鑄溫度開(kāi)始直到?\小于1250°C，分別計(jì)算ΛΤη 和Λ?^，如果AfO,而且0彡彡0· 5,則計(jì)算ATi+1和ATi+2，當(dāng)| ATi+1|〈0. 2且 Λ Ti+21〈0· 2且I Λ Ti+11 +1 Λ Ti+21〈0· 3時(shí)，Ti就被確定為ΤΑ? ;若不滿(mǎn)足條件，則認(rèn)為澆鑄過(guò) 程出錯(cuò)，重新采集冷卻曲線(xiàn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)方法，其特征在于所述冷 卻曲線(xiàn)上凝固結(jié)束點(diǎn)ΤΕΕ的選取方法為：設(shè)dTi為微分值，?\為第i個(gè)取樣點(diǎn)的溫度值，t為 相鄰兩次溫度點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，dTi = (Ti+4 - Ti_4)/8t，如果則開(kāi)始計(jì)算dTi的 值，在150次的循環(huán)計(jì)算結(jié)果中，dTi最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的?\值即為T(mén) EE ;若不滿(mǎn)足條件，則認(rèn)為 澆鑄過(guò)程出錯(cuò)，重新采集冷卻曲線(xiàn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)方法，其特征在于所述組 織性能特征參數(shù)包括灰鑄鐵冷卻曲線(xiàn)有效凝固段、化學(xué)成分參數(shù)、力學(xué)性能參數(shù)、金相組織 照片及相應(yīng)金相分析參數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)方法，其特征在于所述力 學(xué)性能包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、硬度、沖擊韌度、彈性模量。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種灰鑄鐵組織性能爐前快速測(cè)評(píng)方法，其特征在于所述金 相分析參數(shù)包括A型石墨面積百分?jǐn)?shù)、A型石墨長(zhǎng)度、D型石墨面積百分?jǐn)?shù)。
【文檔編號(hào)】G01N3/00GK104049069SQ201410266039
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】李言祥, 陳祥 申請(qǐng)人:清華大學(xué)