当铁液中的氢、氮含量超标的时候，则容易发生针孔缺陷的危险。此时需要查明生产工序中（从熔炼到浇注）几种特定工位上它们的含量变化。以便改变这些气体与铁液的平衡条件，减少或消除在链条的不同位置上气体过量的原因。
摘要；
不管是氢还是氮的含量都要受熔炼工艺的影响，发现铁液在浇包及保温炉内的停留时间是影响氢含量的重要参量。氮的总含量（指化合氢和熔解的氮两者之和）受温度影响不太显著。论文还指出；铁液中的氢含量、保温时间、和温度高低三者之间的关系，说明氢含量的关系不是直接的关系。
序言；
在生产高端铸件，例如；灰铁发动机缸体及缸盖等高端产品生产时，经常会出现一定比例的产品缺陷，以及突发性引起的产品价格上涨事故。所以保证气孔及气缩孔缺陷发生率最低，尽快减少缺陷，并得到解决。
只要熔炉在正常参数下进行，熔池空间中的气体，熔化了的液体及它周围环境三者之间的关系与发生的，应是很容易理解的事情。液体金属非常活跃，在它的表面生成化合物。不管生成气体或是缩气孔，其基本原理是三者平衡关系受到破坏，它们和周围液体之间是处在一个平衡状态下的。含量与熔液表面之间所产生的影响，在熔液和型腔内的气氛，或者说，型砂与铁液之间界面间形成的各种反应。借而得出，气孔的形成核心与铁液及凝固有着密切的关系。
铁液中氢气和氮气的含量过高，就会在铸件内形成针孔，当凝固的铸件针孔析出的原因是由于凝固时气体的溶解度下降所导致。熔液中的气体含量是依熔液温度及处理方法变化而改变的。这种变化也反应在铁液充型过程，型腔界面产生的反应形成的氢气和氮气就从造型材料中释放出来，也可以熔入铁液中，这是很有趣味的。从炉料熔化到浇注，再到型腔充满。在这个生产链条的各个阶段中，平衡参数的变化就反应出气体含量（包括氢和氮）的含量变化。
试验的进行
本文介绍的内容分别来自两个很不相同的工厂。他们制造灰铸铁的工艺路线差异很大。
铸造1厂；用两台中频感应电炉（每台容量为11吨/炉）。熔化好的铁液装在1.8吨的铁液包内。运到浇注区域，按计划每包铁液浇注4—5箱铸型。
铸造2厂；使用两台容量为3吨浇包和一台生产率是每小时40吨的冲天炉。铁液从炉内流出，进入保温炉混合，自那以后铁液不再是只可从单一熔炼方法（感应电炉或冲天炉）得到。但是要即使决定各自用量多少，预算过程有些困难和麻烦，只能在一天生产过程中予以变化调整。用1.6吨浇包将5吨铁液分别倒入5个浇注保温炉中去调整化学成分，然后，从这些浇注保温炉经人工操作或自动浇注完成。
测试调整
首先我们必须明确这两个铸造厂在生产路线中，一些特定位置的氢氮含量。由于各种炉型的熔化工艺、炉型结构、热工原理、使用的燃料等是不同的。通过对各种熔炉铁液含气量的对比测试，铸造1厂直接在熔炉中测试，铸造2厂基于安全原因，先从感应炉倒入浇包，添加新铁液后再在包中测试。
为了准确的定出铁液在翻包过程温度损失造成的影响，铸造2厂在炉前附近对新铁液分别进行了气体量的测定。
两个铸造厂都研究了温度的影响，将浇包中的铁液温度从1500℃冷却到1300℃时观察其气体含量的变化。以几分钟为一个时间段，进行自动记录，两个铸造厂都做了相同的调查。
同时，两个铸造厂还在铸型中测试了氢和氮的含量，铸造1厂是在浇包内测的，而铸造2厂由于浇包（铁液处理包）太小，改为铁液浇入铸型后，在充满型腔上升到冒口后进行，铸型铁液重390公斤，冒口直径约30公分。
氢含量的测定
商业上有专门的测氢仪器测得含量。但是这种测氢系统不能测出全溶入钢铁熔液内的氢含量。只可在一个铁模、耐住高温的盆、或浇注包等熔器中进行测定。由信息处理机、分析仪以及氧枪，还有可更换的咀子组装在一起。测量时，氮气通过喷咀进行铁液，与此同时，只要这些气体吸收了氧气，直到这气体与铁液之间调到了平衡。吸收氧气的载体持借助于多孔陶瓷粒子再次抓获，并进行分析研究。这些气体作循环运动，直至得出测出结论，载体中的被测气体氢的分压不再变得为止。在分析仪中，通过测出的这种气体的导热能力去确定氢的浓度。
为了准确地测量氢含量，喷氮气的咀必须向下倾斜15℃，插入铁液的625px,插入铁液约625px,测量时，熔液只许少量搅动。
氮含量的测定
用光谱仪测定铁液中的氮含量。用一个盘状铸型浇注出试样，铸型用合脂砂造型。盘砂试样壁厚4mm,直径35mm，光谱仪测出总氮量，包括了溶解氮以及化合氮。
因为试样要存放在盘中，于是试样和树脂砂粘接剂做的砂型发生接触，其中它含的氮量要比铁液的高。但是与砂子的接触面积很小，在圆锥型腔上部和底部面积不一样，接受氮的差别很小。
结果与讨论
熔炼方法的影响
图1 铸造1厂的两台不相同的感应炉F1、F2及一台冲天炉F2。铸造2厂的F2,铁液浇注温度1400-1450℃，用气球指示两个厂的标准偏差
氢、在测定熔液中的氢含量时，所用的铁液是从铸造1厂和铸造2厂提供，在图1中看出明显的差别，在感应炉生产的铁液含氢量比在冲天炉铁液的含氢量高。当温度在1450℃冲天炉的铁液氢含量约为1.5ppm,此时两台感应炉化的铁液含氢总量是2—2.5ppm。这一结果与早些时后得到的数据十分一致。那时测得的为2ppm[123]左右。其原因是，两者的炉型不同，炉料成分以及熔炼过程中的操作各方面也存在差别。冲天炉的竖炉从上往下，高温区段的温度梯度差别大。有利于加强对炉料的预热，这种预热可以使炉料的湿气蒸发，减少铁液中的氢气含量。这两种类型的炉子，铁水的含氢量是不一样的，大约差别20%。这两种炉子重要差别是使用了含氢量低的炉料。炉料的化学成分尽管有些不完全一样，但预热效率指标好，优势大。结论是冲天炉在祛湿方面是一个更为优秀的工艺设备。但是如果冲天炉这个优点不被充分利用，炉料中的湿气得不到排除，则转变为水蒸气及湿气。将以氢的形势熔入铁液，引起氢含量高。
氮
图1是氮的总含量，也就是说（包括溶解氮和化合氮），研究指出，冲天炉熔化的铁液比起感应电炉含氮量要高，这归属于不同的炉料成分，和炉料配料工艺。
例如；当空气送风量过大，铁液的含氮量增高。冲天炉熔化的铁液氮含量高的另外原因是焦炭质量差。此外，炉料使用的废钢量高，含氮量也高【2.4】。在炉料中废钢比例大约占50%。关于冲天炉铁液含氮量高于感应电炉这件事，在过去文件中已经讨论过【5】。在冲天炉铁液含氮量大约是 105ppm,而感应电炉是25ppm—95ppm之间。
在试验中，两种感应炉所化出的铁液，氮含量出现的成分差别，可用炉料品种说明。在铸造1厂用的是高氮含量，可看到炉料中废钢量是高的，用的废钢量达到40%。在铸造2厂仅用了3%，铸造1厂炉料中还附加了含氮的铁合金，所以，铸造1厂所得到的铁液含氮量要比铸造2厂高。
另外一个因素可能来自增碳剂，铸造1厂所用的增碳剂，含氢、氮都比较低（含氢 0.005%、氮0.15%）。铸造2厂附加碳灰做增碳剂另附加硅粉。用这些物质含有大量的氢和氮，但是测量表示氮含量在铸造1厂是高的，这显示出铸造2厂用的碳灰对氮含量的影响是不明显的。
另有报道【1、2】，氮含量超过110PPM到150PPM就可能出现缺陷，这两种铁液含氮量在边界线以下。但是炉料在冲天炉内的熔化速度比电炉快，例如；5吨熔量的电炉只有当炉料化清，而且还要一定的过热后才能从炉内取出铁液，浇注试样。而冲天炉只需化部分炉料熔化即可取出试样，就可有代表性。必须想到对于产生缺陷的危险与溶解氮和化合氮之间的比例数是很关键的；如果溶解氮的含量，靠近了熔解度，这时熔液就成为饱和甚至过饱和状态，多余的氢氮大量移出，造成在铸件表皮容易形成气体针孔的危险。
温度的影响
H2
图2 铸造2厂（a）和铸造1厂(b)的熔液温度与含量的关系，氢含量测量是从浇注温度开始，冷却到凝固温度，对此温度区间分成若干小温度段，然后分段测量得出数据
一个很有趣味的观察，当对氢含量进行测量时，发现熔液从浇注温度冷却到凝固时开始，向图2（a）表示的那样，在感应炉中氢的含量随着温度的降低，氢含量减少，而在冲天炉熔化的铁液中，随温度降低而氢含量反而提高。这是铸造2厂的实情。这两种铁液间用肉眼可以看到的差别，是原始含氢量，在测量开始的时候，因为温度高，感应炉的铁液含氢量要比冲天炉的铁液含氢量高。
图2（b）是铸造1厂得到的各种测量数值，图中也反应出含氢量的升高或降低。这种特性，是由于铁液从炉内流出后，时间是一分一秒的增加，要早于温度变化。如图3（a）所引出的那样，温度的变化几乎和时间的变化成正比。在此刻铁液处于敞开的状态。
当盛有熔液的铁水包吊起时，在熔液和周围的空气之间，氢原子不停的发生交换，这种平衡状态与铁液中氢的浓度有关。也与压力和温度有关，熔液在炉内的平衡状态，与它在包内的平衡状态是不一样的，铁液包在车间的跨度内吊起，它们的表面与空气在室温条件下是无有边际的，根据这个原理出发，和氢气发生强烈的扩散，不管是氢气强烈的扩散进入到熔液，或者是从熔液进入到空气，如果铁液倒入浇包内时，产生两种情况，氢的含量处在大约是2PPM，这就说明达到了平衡能度。这种平衡浓度不是立刻达到的，而是逐步的。因而氢在这种情况下，也是变化的，所以和溶解度的大小有关，与溶解的化学成分、温度、压力有关。因为平衡浓度和速度（进入原始晶格子的位置）同时与温度有关。铁液中的氢含量与温度构成了一个关系。但是温度不是必须的决定因素。
图4 铸造2厂（a）和铸造1厂(b)中各种铁液品种中的含氮量与温度的关系， 测量的温度范围为从浇注冷却到凝固阶段
总的氮量和温度之间的关系，并不像图4那么干净明显，在氮含量100ppm出现降低温度，在80ppm时候，实际是保留一个常数位置，氧含量和温度这种关系，Elmguist【3】研究指出；氧量的变化与温度没有关系，被溶解氧强烈受温度的影响，这意味着受温度的变化而变化，溶解氧和化合氧之间的交换关系。
氧保持着故有的熔解，存在着溶解特性，氮也存在着象氧那样溶解部分的氮量是有可能改变的。当保持一个常数时，这个可能就存在了因为测定溶解氮量没有合适的好方法，只能在灰铸铁的溶液中测出总氮量，于是就不能定出和温度是怎么样的一个关系。
充型的影响
氢
图5 铁液浇注铸型之前的含氢量（a）和含氮量(b)。浇注开始前，铁液内氢含量（a）和氮含量(b)，铁液在型内的氢含量和氮含量。浇注前气体的测定，即可从中间浇包也可从敞包到出，而测定铸型内的气体含量则常在外冒口中进行
从图5(a)得出，在进入铸型后的铁液中，氢含量要高于浇注前铁液氢含量。这是因为铁液在铸型表面上流过，在使用潮模砂时，潮模砂含量高的氢的比例。而使用的泥芯是用人工合成树脂砂制造的，当粘接剂燃烧时，也会放出一定的氢，大量的氢（含量）确来源于潮模砂的水分，附带说；当冲型时速度快，接近紊流，以空气的湿度进入铁液。
在第一批得到的五组试样铸型中，情况很不相同，氢量大约从23%上升到117%，产生问题的原因，最可能是第一批铁液首先流过铸型表面，这部分铁液，所吸收的氢含量自然会是最高的。在一个体积相对大的敞开的冒口中，测氢含量，如果外冒口是充满的，那么氢在这种铁液内变得稀释。
氮
将铁液的试样拿到一个铸型中，定氮系统的重量的确好。试样盘不能完全充填，因为铁的温度太低，从图5b可引导出氮含量出现微小变化。如果铁液要浇入铸型，含量要提升10%，允许用提高氢量的办法，也可以加入潮砂，化学连接砂，以及紊流充型而引起，导致首先氮含量移到化学磨具过程在充型，因此这是nahe 氢含量比氮含量提升的快。
结论
从研究结果得知如下结论；熔化过程没有出现来自氢的极端数值与控制混乱而造成的。重要的是氢、氮对于所发生的变动主要是熔化工艺。温度、出铁槽带来的影响小。氢、氮含量还通过浇注这一工序而受影响的。铁液中气体含量在浇注进入铸型之前，它们之间出现了差别，带来了影响。
冲天炉熔化的铁液比感应电炉含氮量高、含氢量低。炉料的预热会降低，比感应电炉低（氢含量），但是它们的含量并不总是低于冲天炉铁水的含量。不管是氢还是氮在充型过程中都提高，氢含量增加更强烈。
其它研究内容
建议研究其它的在充型过程中开展研究，但在这个过程是局限在金属进入了铸型之后才起作用。同样的工作应该也包括象充型过程的紊流，缩气孔在凝固过程气体的形成和发生，部分工作也应当放在铸型中吸收气体的各种条件。为了获得铸铁凝固过程的信息与组织。
