A Xinda realizou pesquisas técnicas sistemáticas sobre porosidades de escória, um defeito metalúrgico típico que apresenta altas perdas de produção e é facilmente diagnosticado erroneamente na produção de ferro fundido. A partir de quatro dimensões, incluindo morfologia e distribuição do defeito, mecanismo de formação metalúrgica, inspeção e identificação precisas e estratégia de prevenção e controle em todo o processo, a Xinda estabeleceu um sistema técnico integrado completo. Isso proporciona suporte técnico padronizado e implementável para empresas de fundição em todo o mundo, visando solucionar o principal problema do refugo em massa de peças fundidas.

I. Distribuição e características morfológicas dos orifícios de sopro da escória

Os poros de escória apresentam uma clara tendência posicional. Eles se acumulam principalmente na superfície superior de enchimento das peças fundidas, onde a escória flutuante se concentra, e um grande número também adere à superfície inferior dos machos de areia. O fundo dos machos 1 e 2 mostrados na figura são áreas típicas de alto risco para esse defeito. A maioria das cavidades defeituosas são esféricas, enquanto um pequeno número é irregular. A parede interna das cavidades é coberta por uma película composta de escória cinza a cinza-azulada, de sulfeto e óxido, e algumas cavidades contêm grânulos de ferro livres precipitados durante a solidificação. Os tamanhos das cavidades variam discretamente, com o diâmetro dos poros geralmente ≤10 mm, distribuídos em aglomerados densos.

Os defeitos ficam totalmente expostos após o desbaste das peças fundidas. Peças com porosidades de escória são extremamente difíceis de reparar e quase sempre descartadas, resultando em perdas significativas nos custos de produção. A aparência desse defeito é muito semelhante à de porosidades invasivas e inclusões de areia. Os técnicos de campo tendem a atribuir erroneamente as causas principais à secagem insuficiente do molde, à oxidação do ferro fundido e à queda de areia do molde, deixando de implementar soluções específicas para o tratamento adequado. Em linhas de produção que não possuem controle de impurezas nas matérias-primas e materiais auxiliares, baixa temperatura de vazamento e gerenciamento de processos complexo, a frequência de ocorrência de porosidades de escória aumenta drasticamente.

II. Mecanismo de formação metalúrgica de poros de escória

Os poros de escória são defeitos compostos formados pelo acoplamento de inclusões de escória e gás precipitado, impulsionados por duas reações metalúrgicas consecutivas:

1. Geração de escória líquida de sulfeto de manganês com baixo ponto de fusão

   O enxofre existe como FeS dissolvido no ferro fundido, sofrendo uma reação de deslocamento exotérmica com o Mn presente no ferro fundido: FeS + Mn = Fe + MnS. O MnS gerado é infinitamente miscível com a escória de oxidação à base de óxido de ferro, reduzindo significativamente a temperatura de liquidus da escória e formando uma escória líquida composta com excelente fluidez. Essa reação de deslocamento é exotérmica. As leis da termodinâmica indicam que quanto menor a temperatura de vazamento, mais forte é a tendência da reação direta, e a produção de escória líquida aumenta exponencialmente. Quanto maior o teor inicial de S e Mn no ferro fundido, maior o grau de enriquecimento da escória de baixo ponto de fusão no sistema, o que amplifica significativamente o risco de defeitos.

2. Formação de cavidades coexistindo com escória e gás.

   Após a entrada de escória líquida na cavidade do molde, juntamente com o ferro fundido, o FeO presente na fase da escória reage com o carbono na matriz do ferro fundido, produzindo gás por meio da reação de redução: FeO + C = Fe + CO↑. O gás CO precipita continuamente da reação, envolto pela escória líquida de alta viscosidade, e não consegue subir e escapar. Após a solidificação da peça fundida, formam-se poros de escória com coexistência de escória e gás.

III. Métodos hierárquicos de identificação precisa de defeitos

Para distinguir poros de escória de poros convencionais e inclusões de escória, a Xinda estabeleceu um padrão de identificação tripla que abrange exame metalográfico, análise química e inspeção do processo no local:

1. Triagem primária por meio da identificação da estrutura metalográfica

   Amostras metalográficas são preparadas a partir de áreas defeituosas. Se inclusões de sulfeto de MnS continuamente segregadas e enriquecidas existirem nos limites da cavidade, acompanhadas por partículas finas de escória de óxido dispersas, o defeito pode ser preliminarmente identificado como um orifício de escória.

2. Identificação precisa por meio de análise da composição química + teste de impressão de enxofre.

   A análise espectral química é realizada em corpos de fundição. Quando o teor de enxofre (wS) no ferro fundido varia de 0,12% a 0,14% e o teor de manganês (wMn) excede 0,6% a 0,8%, realiza-se um teste de impressão de enxofre nas seções transversais com defeitos. Se forem detectados traços evidentes de segregação em faixas de sulfeto, a presença de porosidade na escória pode ser confirmada.

3. Verificação auxiliar por meio da temperatura do processo

   Dados de produção industrial em massa comprovam que, quando a temperatura de vazamento estável atinge ≥1300℃, a geração de escória de MnS de baixo ponto de fusão no sistema é significativamente inibida e a taxa de ocorrência de bolhas de escória diminui substancialmente.

IV. Medidas técnicas colaborativas de processo completo para prevenção e controle de defeitos

Com base no mecanismo completo de formação metalúrgica de poros de escória e combinado com a experiência prática de produção em larga escala no local, foi construído um sistema integrado de prevenção e controle que abrange fusão, transporte, vazamento e controle da proporção de ingredientes:

1. Controle preciso do campo de temperatura do ferro fundido

   Adote o processo de vazamento em alta temperatura com temperatura mínima final de vazamento ≥1300℃. Se o teor de enxofre do ferro fundido bruto exceder o padrão, a temperatura de vazamento pode ser aumentada em 30 a 50℃ para inibir a geração de sulfeto de manganês do ponto de vista termodinâmico. Reduza o tempo de transporte do ferro fundido e controle rigorosamente o tempo de permanência do ferro fundido nas panelas. As panelas devem ser completamente esvaziadas após o uso. É proibido despejar ferro fundido novo em alta temperatura em panelas com ferro fundido residual em baixa temperatura e escória, para evitar que a baixa temperatura local desencadeie a reação de sulfuração.

2. Modernização do sistema de remoção e bloqueio de escória para panelas de fundição.

   Priorize o uso de panelas de separação de escória tipo bule para realizar a pré-sedimentação e separação da escória do alto-forno por meio do projeto estrutural. Agentes formadores de escória devem ser adicionados para a coleta da escória e a remoção manual completa da escória deve ser realizada antes de cada vazamento da panela. Tampas e vertedouros de escória devem ser instalados ao longo de todo o processo de vazamento para interceptar a escória flutuante. As panelas devem ser completamente limpas após uso intermitente para evitar a mistura residual de escória de baixa temperatura e ferro fundido.

3. Otimização estrutural do sistema de alimentação para interceptação de escória

   Reconstrua os canais horizontais e as entradas adicionando estruturas de interceptação de escória em múltiplos estágios, como coletores de escória, filtros cerâmicos e defletores de escória. A escória líquida composta de MnS é interceptada na origem do enchimento do molde para evitar que a escória flutue, adira ao fundo do núcleo e gere gás continuamente.

4. Controle preciso da proporção de ingredientes para o equilíbrio de enxofre e manganês

   Siga a fórmula de equilíbrio de neutralização enxofre-manganês Mn = 1,7S + 0,3% para garantir manganês suficiente para neutralizar o sulfeto ferroso livre. Durante o desenvolvimento dos ingredientes, selecione o limite inferior dos valores padrão para o teor de S e Mn para evitar que o excesso desses elementos agrave a geração de escória. Se as matérias-primas apresentarem teor excessivo de enxofre, não adote o aumento isolado de manganês para neutralizar o enxofre; priorize o aumento da temperatura de vazamento para o controle de defeitos.