Xinda hat systematische technische Untersuchungen zu Lunkerbildung durchgeführt, einem typischen metallurgischen Fehler, der in der Gusseisenherstellung hohe Produktionsausfälle und Fehlinterpretationen verursacht. Ausgehend von vier Dimensionen – Fehlermorphologie und -verteilung, metallurgischer Entstehungsmechanismus, präzise Inspektion und Identifizierung sowie einer umfassenden Präventions- und Kontrollstrategie – hat Xinda ein vollständig integriertes technisches System entwickelt. Dieses bietet Gießereien weltweit umsetzbare und standardisierte technische Unterstützung, um das kritische Problem der Massenabfertigung von Gussteilen zu lösen.

I. Verteilung und morphologische Merkmale von Schlackenblasen

Lunker weisen eine deutliche Tendenz zur Positionierung auf. Sie sammeln sich hauptsächlich an der Oberseite der Gussstücke, wo sich schwimmende Schlacke ansammelt, und haften zudem in großer Zahl an der Unterseite der Sandkerne. Die Unterseiten der Kerne 1 und 2 in der Abbildung stellen typische Risikobereiche für diesen Defekt dar. Die meisten Hohlräume sind kugelförmig, einige wenige unregelmäßig. Die Innenwände der Hohlräume sind mit einem grauen bis blaugrauen Mischfilm aus Sulfiden und Oxiden bedeckt, und einige Hohlräume enthalten freie Eisenkügelchen, die sich während der Erstarrung ausgefällt haben. Die Hohlraumgrößen variieren geringfügig, wobei der Porendurchmesser im Allgemeinen ≤ 10 mm beträgt und die Hohlräume in dichten Ansammlungen auftreten.

Nach der Grobbearbeitung von Gussteilen werden Defekte vollständig sichtbar. Werkstücke mit Schlackeneinschlüssen sind extrem schwer zu reparieren und müssen fast immer verschrottet werden, was zu erheblichen Produktionskostenverlusten führt. Das Erscheinungsbild dieses Defekts ähnelt stark dem von invasiven Lunkern und Sandeinschlüssen. Techniker vor Ort neigen dazu, die Ursachen fälschlicherweise auf unzureichende Formtrocknung, Oxidation des flüssigen Eisens und Formsandverlust zu schieben und versäumen es, gezielte Lösungen zur grundlegenden Behandlung umzusetzen. In Produktionslinien mit mangelhafter Reinheitskontrolle der Roh- und Hilfsstoffe, niedrigen Gießtemperaturen und unzureichendem Prozessmanagement steigt die Häufigkeit von Schlackeneinschlüssen stark an.

II. Metallurgischer Entstehungsmechanismus von Schlackenblasen

Lunker sind zusammengesetzte Defekte, die durch die Verbindung von Schlackeneinschlüssen und ausgefälltem Gas entstehen und durch zwei aufeinanderfolgende metallurgische Reaktionen verursacht werden:

1. Erzeugung von niedrigschmelzender flüssiger Mangansulfidschlacke

   Schwefel liegt in flüssigem Eisen als gelöstes FeS vor und unterliegt einer exothermen Verdrängungsreaktion mit Mangan: FeS + Mn = Fe + MnS. Das entstehende MnS ist unendlich gut mit eisenoxidbasierter Oxidationsschlacke mischbar, wodurch die Liquidustemperatur der Schlacke stark gesenkt und eine flüssige Verbundschlacke mit ausgezeichneter Fließfähigkeit gebildet wird. Diese Verdrängungsreaktion ist exotherm. Thermodynamische Gesetze zeigen, dass mit sinkender Gießtemperatur die Hinreaktion stärker wird und die Menge an flüssiger Schlacke exponentiell ansteigt. Je höher der ursprüngliche Schwefel- und Mangangehalt des flüssigen Eisens ist, desto höher ist der Anteil niedrigschmelzender Schlacke im System, was das Risiko von Defekten deutlich erhöht.

2. Bildung von Hohlräumen, die zusammen mit Schlacke und Gas auftreten.

   Nachdem flüssige Schlacke in den Formhohlraum eingedrungen ist und sich das flüssige Eisen am Boden der Kerne und auf der Oberseite der Gussteile sammelt, reagiert das FeO in der Schlackenphase mit dem Kohlenstoff in der flüssigen Eisenmatrix unter Bildung von Gas durch eine Reduktionsreaktion: FeO + C = Fe + CO↑. Kontinuierlich strömt CO-Gas aus der Reaktion aus, das von der hochviskosen flüssigen Schlacke umschlossen wird und nicht aufsteigen und entweichen kann. Nach der Erstarrung des Gussteils bilden sich Lunker, in denen Schlacke und Gas zusammenwirken.

III. Hierarchische, präzise Methoden zur Fehleridentifizierung

Um Schlackenblasen von herkömmlichen Schlackenblasen und Schlackeneinschlüssen zu unterscheiden, hat Xinda einen dreistufigen Identifizierungsstandard entwickelt, der metallographische Untersuchung, chemische Analyse und Prozessinspektion vor Ort umfasst:

1. Primäres Screening mittels metallographischer Strukturidentifizierung

   Metallographische Proben werden aus defekten Bereichen angefertigt. Wenn an den Hohlraumgrenzen kontinuierlich segregierte und angereicherte MnS-Sulfideinschlüsse zusammen mit dispergierten feinen Oxidschlackenpartikeln vorliegen, kann der Defekt vorläufig als Schlackenloch identifiziert werden.

2. Präzise Identifizierung durch chemische Zusammensetzungsanalyse + Schwefelabdrucktest

   An Gussteilen wird eine spektralchemische Analyse durchgeführt. Liegt der Schwefelgehalt (w(S)) im flüssigen Eisen zwischen 0,12 % und 0,14 % und übersteigt der Mangangehalt (w(Mn)) 0,6 % bis 0,8 %, wird an den Fehlerquerschnitten eine Schwefelabdruckanalyse durchgeführt. Werden deutliche bandförmige Sulfidsegregationsspuren festgestellt, kann ein Lunker eindeutig nachgewiesen werden.

3. Zusätzliche Überprüfung über die Prozesstemperatur

   Daten aus der industriellen Massenproduktion bestätigen, dass bei einer stabilen Gießtemperatur von ≥1300℃ die Bildung von niedrigschmelzender MnS-Schlacke im System deutlich gehemmt wird und die Häufigkeit von Schlackenblasen erheblich abnimmt.

IV. Gemeinsame technische Maßnahmen zur Fehlervermeidung und -kontrolle im gesamten Prozess

Auf der Grundlage des vollständigen metallurgischen Entstehungsmechanismus von Schlackenblasen und in Kombination mit praktischen Erfahrungen aus der großtechnischen Vor-Ort-Produktion wurde ein integriertes Präventions- und Kontrollsystem entwickelt, das Schmelzen, Transport, Gießen und die Kontrolle des Mischungsverhältnisses der Ausgangsstoffe umfasst:

1. Präzise Temperaturfeldregelung von flüssigem Eisen

   Es ist ein Hochtemperatur-Gießverfahren mit einer minimalen Endgießtemperatur von ≥ 1300 °C anzuwenden. Überschreitet der Schwefelgehalt des Roheisens den Standardwert, kann die Gießtemperatur um 30–50 °C erhöht werden, um die Bildung von Mangansulfid aus thermodynamischer Sicht zu hemmen. Der Transport des Roheisens ist zu verkürzen und die Verweilzeit in den Gießpfannen ist streng zu kontrollieren. Die Gießpfannen müssen nach Gebrauch vollständig entleert werden. Es ist verboten, neues, hochtemperiertes Roheisen in Gießpfannen mit Resten von niedrigtemperiertem Roheisen und Schlacke zu gießen, um eine lokale, durch niedrige Temperaturen ausgelöste Sulfidierungsreaktion zu vermeiden.

2. Modernisierung des Schlackenabschöpf- und Schlackenblockierungssystems für Gießpfannen

   Die Verwendung von Schlackentrennpfannen vom Typ „Teekanne“ ist vorrangig zu wählen, um die Ofenschlacke durch eine geeignete Konstruktion vorzuabsetzen und abzutrennen. Vor jedem Gießvorgang sind Schlackenbildner zuzugeben, um die Schlacke zu sammeln und sie gründlich manuell abzuschöpfen. Während des gesamten Gießvorgangs sind Schlackenstopfen und Schlackenwehre einzusetzen, um schwimmende Schlacke aufzufangen. Die Pfannen sind nach jeder Benutzung gründlich zu reinigen, um eine Vermischung von Resten aus kalter Schlacke und flüssigem Eisen zu vermeiden.

3. Strukturelle Optimierung des Gießsystems zur Schlackenabscheidung

   Die horizontalen Angusskanäle und Einfüllstutzen werden durch den Einbau mehrstufiger Schlackenabscheider wie Schlackenfallen, Keramikfilter und Schlackenleitbleche rekonstruiert. Flüssige MnS-Kompositschlacke wird direkt am Formfüllpunkt abgefangen, um zu verhindern, dass Schlacke aufsteigt, sich am Kernboden absetzt und kontinuierlich Gas erzeugt.

4. Präzise Kontrolle des Zutatenverhältnisses für ein ausgeglichenes Schwefel-Mangan-Verhältnis

   Um ausreichend Mangan zur Neutralisation von freiem Eisensulfid zu gewährleisten, ist die Schwefel-Mangan-Neutralisationsgleichung Mn = 1,7S + 0,3 % zu beachten. Bei der Zusammensetzung der Rohstoffe ist der untere Grenzwert der Standardwerte für den Schwefel- und Mangangehalt zu wählen, um eine übermäßige Elementkonzentration und damit eine verstärkte Schlackenbildung zu vermeiden. Bei Rohstoffen mit zu hohem Schwefelgehalt sollte der Schwefel nicht durch eine einfache Erhöhung der Manganmenge neutralisiert werden; stattdessen ist die Erhöhung der Gießtemperatur zur Vermeidung von Fehlern vorrangig.