基于成熟度法預(yù)測灰鑄鐵抗拉強度的研究

李鵬志， 李淑帆

(1.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，河北 石家莊 050081；2.北京印刷學(xué)院 經(jīng)濟管理學(xué)院，北京 102600)

鑄造車間生產(chǎn)時，借助成分分析儀可以快速化驗待澆注鐵水的化學(xué)成分，但卻不能準(zhǔn)確估計澆注后鑄鐵的牌號，即鑄件的抗拉強度，因此，灰口鑄鐵澆注后抗拉強度的預(yù)估成為技術(shù)人員研究的課題之一.但一個現(xiàn)實的問題是，每一位技術(shù)人員的研究課題都是針對某一企業(yè)生產(chǎn)所采集的數(shù)據(jù)來進行的，其所研究的預(yù)測模型用到其他灰鑄鐵生產(chǎn)企業(yè)時，由于生產(chǎn)設(shè)備、配料、環(huán)境溫度、操作人員等影響成熟度的因素發(fā)生變化而可能不再適用；甚至在同一個生產(chǎn)車間，當(dāng)設(shè)備、人員等因素發(fā)生變化時，由原來的生產(chǎn)數(shù)據(jù)得出的研究結(jié)果也不一定適用.因此，有必要探討一種預(yù)測灰鑄鐵抗拉強度的方法，以適用于不同的灰鑄鐵鑄造企業(yè)或同一企業(yè)的不同生產(chǎn)階段.本文通過研究某灰鑄鐵企業(yè)的生產(chǎn)實測數(shù)據(jù)，探討成熟度法預(yù)測灰鑄鐵抗拉強度的可行性.

1 灰鑄鐵試棒的抗拉強度計算

根據(jù)歐洲研究者在大量生產(chǎn)實測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得到的經(jīng)驗公式，直徑30 mm的灰鑄鐵試棒的抗拉強度值與共晶度之間成線性關(guān)系[1]，如公式(1)所示.

σ算=981-785SC

(1)

其中，SC為共晶度，其數(shù)值可以通過公式(2)[2]計算得到.

(2)

(2)式中C代表碳的含量，Si代表硅含量，其他類似.

絕大多數(shù)灰鑄鐵生產(chǎn)企業(yè)爐前都配有成分分析儀，可以在2～3 min內(nèi)檢測出試樣的化學(xué)成分，這樣就可以根據(jù)上述公式直接計算出該爐鐵水的SC值.

文獻[3-4]也表明，灰鑄鐵化學(xué)成分或共晶度與抗拉強度之間存在線性關(guān)系，不同研究者所建立的回歸模型存在明顯差異，但當(dāng)冶金因素和冷卻速度固定時，灰鑄鐵的共晶度與抗拉強度之間具有很好的線性相關(guān)性.這與文獻[1]的研究結(jié)果一致，因此，本文在進行灰鑄鐵試棒的抗拉強度計算時采用文獻[1]中的公式.

2 利用成熟度預(yù)測灰鑄的鐵抗拉強度

成熟度RG反映灰鑄鐵生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品的冶金質(zhì)量水平，其計算公式見(3)式，其中，σ測為企業(yè)生產(chǎn)實際測量得到的試樣抗拉強度，σ算為根據(jù)公式(1)計算得出的理論抗拉強度.

(3)

冶金生產(chǎn)時，爐料配比、熔煉設(shè)備、澆注溫度、操作人員經(jīng)驗等都會引起成熟度的變化，其變化范圍通常為50%～130%.

在保持冶金因素穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，根據(jù)實測抗拉強度σ測，就可以對灰鑄鐵的成熟度進行標(biāo)定，再利用公式(4)來預(yù)測灰鑄鐵的抗拉強度σb熟.

(4)

3 采用成熟度法預(yù)測某企業(yè)鑄件的抗拉強度σb熟

3.1 根據(jù)某企業(yè)前期生產(chǎn)數(shù)據(jù)計算成熟度

某企業(yè)鑄造車間采用沖天爐熔煉鐵水，借助光譜分析儀測量鐵水的化學(xué)成分，現(xiàn)場澆注直徑30 mm的灰鑄鐵試樣并進行拉伸試驗，測量其抗拉強度σb測.在試驗初期采集了該生產(chǎn)企業(yè)16組一線的生產(chǎn)數(shù)據(jù).其鐵水成分、實測強度及通過計算獲得的成熟度如表1所示.

表1 某企業(yè)灰鑄鐵的成分、共晶度、抗拉強度和成熟度[5]

在表1中，為提高成熟度法預(yù)測抗拉強度的準(zhǔn)確度，去掉成熟度的最大值和最小值對應(yīng)的兩組數(shù)據(jù)，即第5組和第13組，由剩余的14組灰鑄鐵試驗數(shù)據(jù)得到成熟度的平均值為1.17.

3.2 驗證成熟度法預(yù)測抗拉強度σb熟的可行性

在保持人員、設(shè)備、鐵水處理工藝等冶金因素相對固定的條件下，在企業(yè)隨后的生產(chǎn)中又采集了12組數(shù)據(jù)，如表2[5]所示.

在表2的12組試驗數(shù)據(jù)中，第一組數(shù)據(jù)的含磷量明顯高于正常值，應(yīng)予以去除.計算其余11組數(shù)據(jù)的抗拉強度σb熟，并通過其相對誤差來驗證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性,結(jié)果如表3所示.

表2 某企業(yè)鑄造車間后續(xù)生產(chǎn)實測數(shù)據(jù)

表3 采用成熟度法預(yù)測得到的灰鑄鐵抗拉強度

從表3可以看出，借助成熟度法預(yù)測灰鑄鐵抗拉強度σb熟時，相對誤差均低于20%，其中相對誤差低于10%的占45%.

將表3數(shù)據(jù)代入公式(5)，計算所預(yù)測抗拉強度σb熟的標(biāo)準(zhǔn)偏差S，

(5)

4 討論

采用成熟度法預(yù)測某企業(yè)灰鑄鐵的抗拉強度，預(yù)測相對誤差低于20%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為36.34 MPa.從該方法的預(yù)測結(jié)果來看，其預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)偏差低于50 MPa，能夠滿足客戶對鑄件牌號的要求，在鑄造生產(chǎn)中可以接受.要用成熟度法預(yù)測灰鑄鐵牌號，只需根據(jù)以前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)得到灰鑄鐵的平均成熟度，就可以根據(jù)公式(4)來預(yù)測每包鐵水澆注后鑄件的抗拉強度，從而預(yù)知灰鑄鐵的牌號.檢測室一線人員只需將成分分析結(jié)果輸入Excel表格中，就可以方便地估計出預(yù)澆注鑄件的抗拉強度.當(dāng)冶金因素發(fā)生變化時，只需再采集幾組有效的生產(chǎn)數(shù)據(jù)來校正成熟度就可以了，非常實用、便捷.用成熟度法預(yù)測灰鑄鐵的抗拉強度，既適用于同一企業(yè)不同的冶金生產(chǎn)條件，又可應(yīng)用于其他冶金條件不同的企業(yè)，從而在一定程度上解決了灰鑄鐵生產(chǎn)企業(yè)爐前檢驗預(yù)判抗拉強度偏差過大的問題.