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合成鑄鐵的熔煉及增碳劑的使用
發布者:agingames遊戲平台鑄造增碳劑  點擊:456
      由於廢鋼價格比新生鐵價格低,現在已經廣泛的使用廢鋼加增碳劑工藝生產鑄鐵,即“合成鑄鐵”。不但鑄鐵的化學成分和溫度便於控製,由於增碳劑的孕育作用,還可以提高鑄件的綜合物理性能質量,降低生產成本。
關鍵詞: 增碳劑、合成鑄鐵、氮含量、增碳劑吸收因素

    1.合成鑄鐵的概況

    由於鑄件市場競爭激烈,且對鑄件質量要求越來越高,而價格卻是低來越低,另外由於環保要求越來越嚴格,很多地方的政府已經禁止用衝天爐熔煉鐵液。從原材料的價格上來說,由於廢鋼在社會上沉澱存留量較多,廢鋼價格比新生鐵價格低的多,所以這幾年廣泛地用廢鋼加增碳劑的方法生產鑄鐵,即“合成鑄鐵”。在生產過程中如果工藝操作正確,不但鑄鐵的化學成分和溫度便於控製,還可以提高鑄件的綜合物理性能,同時也可以降低鑄件的生產成本。在合成鑄鐵技術不斷發展、不斷完善的過程中,廢鋼的加入量也越來越多,從初加入量約40%,現在已經提高到80%,電爐熔煉鑄鐵不像衝天爐那樣有增碳源,為了得到合格的含碳量,添加增碳劑是必不可少的措施,這樣增碳劑的選擇和使用方法,將對改善鑄鐵組織,提高鑄鐵的綜合物理性能是至關重要的問題。

    2.常用增碳劑的種類

    增碳劑的種類很多,可以用作鑄鐵增碳劑的材料也很多,生產增碳劑的工藝也不同,質量懸殊很大,價格差也很大,在保證鑄件質量的前提下,應根據鑄件的幾何形狀和質量要求,正確的選擇增碳劑。
優質增碳劑一般經過石墨化,即在高溫條件下,碳原子的排列呈石墨的微觀形態。
 
    增碳劑石墨化

   根據大多數工廠的使用情況,結合筆者在生產過程中使用增碳劑的體會,僅簡單介紹兩種常用的增碳劑。

   1.人造石墨
    在常用的增碳劑中,人造石墨是品質的增碳劑。
   製造人造石墨的主要原料是粉狀的優質煆燒石油焦,在其中加入少量其他輔料。原料配齊後壓製成形,然後經2500~3000℃、非氧化性氣氛中處理,使之石墨化。經高溫處理後,灰分、硫、氣體含量都大幅度減少。由於其生產工序多及生產周期較長,所以價格較高。
鑄造廠常用的人造石墨增碳劑,大都是製造石墨電極時的切屑,廢舊電極和石墨塊等循環利用的材料。

   2.煆燒石油焦
    煆燒石油焦是目前廣泛使用的增碳劑。
石油焦是精煉原油得到的副產品。原油經過常壓蒸餾或減壓蒸餾得到的油渣及石油瀝青,都可以作為製造石油焦的原料,再經焦化後就得到生石油焦。生石油焦中的雜質含量高,不能直接用作增碳劑,必須先經過煆燒處理。石油焦的煆燒是為了脫除硫、水分和揮發物。將生石油焦在1200~1350℃煆燒,可以使其成為基本純淨的碳。

1.普通煆燒石油焦增碳劑,其因為沒有經過高溫煆燒,或煆燒溫度偏低、時間偏短,氮含量一般在9000ppm左右(1ppm=10﹣6),硫含量也高,在白紙上無法畫出清晰的痕跡。
2.高溫煆燒石油焦增碳劑,氮含量在300~500ppm,硫比前者低很多。在白紙上可以留下清楚痕跡。
3.質量的高溫煆燒石油焦增碳劑,氮含量在100ppm。硫比前者更低。在白紙上可以留下清晰痕跡,手感舒適,就像6B鉛筆一樣。
    
    很多企業在購買增碳劑時,往往注意的一是增碳劑的價格,二是增碳劑中的固定碳、硫、灰分、揮發分、水分的含量,這些對穩定產品質量和降低生產成本固然是重要的,但往往忽視了一個重要的參數,那就是增碳劑中的“氮”含量。

    氮在鑄鐵中的作用具有兩麵性:有資料介紹,氮含量每增加10ppm,灰鑄鐵的強度可提高5~7MPa,同時硬度可增加3~4HBW。一般認為,當氮含量在70~120ppm,可以使石墨變短並具有尾部鈍化的作用。氮能強化珠光體基體,提高鑄鐵力學性能,但當鑄鐵的含氮量超過臨界點(一般認為約140ppm)時,就會使鑄件產生氮氣孔。近年,雖然國外尤其是日本很多企業,要求鑄鐵的氮含量在60~120ppm,鈦含量要求小於0.025%。但是,氮畢竟是惰性氣體。

     通常氮以三種形態存在於鑄鐵中:一是溶於液態或固態鑄鐵中;二是與鐵液中的元素形成氮化物;三是從鐵液中析出,以單質氣體的形式存在,形成氣孔。有資料介紹:爐料中廢鋼的使用量為15%時,鑄鐵中的氮含量約為0.003%~0.005%;爐料中廢鋼的使用量為50%時,鑄鐵中的氮含量約為0.008%~0.012%;爐料全部為廢鋼時,氮含量可能高達0.014%以上。由於廢鋼的加入量不斷增加,增碳劑的加入量也不斷增加,所以必須重視增碳劑中的氮含量。為了避免鑄件出現氣孔缺陷,在購買增碳劑時,一定要選購含氮量低的品種,如有可能,應檢測增碳劑中的氮含量。現在,不要說增碳劑中的氮含量,就是鑄鐵中的氮含量,很多企業都不能準確地進行分析。根據筆者的經驗,在購買增碳劑時,要購買大型企業的產品,可以在購買前到生產廠家去考察,到已經使用過的用戶處去了解,一旦使用後鑄件質量穩定,就不要輕易的更換客戶,即便是固定的客戶,在又一次批量進貨時,也要先試用幾爐,確定對鑄件質量沒有影響時,再批量使用。

      計算增碳劑的吸收率:
      不計燒損增碳劑應代入碳量=95%×3.8%=3.61%
     不計燒損所有爐料應代入碳量=3.61%+0.7%+0.225%=4.535%
    增碳劑實際代入碳=3.3%-0.7%-0.225%=2.375%
    增碳劑的吸收率={1-[3.61(%)-2.375(%)]÷3.61(%)}×100%≈66%

    需要說明的是,這種煤質增碳劑的吸收率不僅低,而且在爐料熔化完畢,且清理完畢爐口熔渣時,如果因故需要停電或降低功率時,懸掛在爐壁上未熔的增碳劑,就會漂起來布滿液麵;另外不僅鑄件上有氣孔,即便是澆注時掉到砂箱上的跑鐵,厚5mm左右,斷口上也會有幾個小氣孔。
更換為石墨增碳劑後,增碳劑的吸收率在85%左右,不僅減少了增碳劑的加入量,而且也消除了上述的氣孔現象。

順便淺談一下對使用煤質增碳劑認識:由於煤的含碳量低,含硫高,燃點低(無煙煤700℃),煤質增碳劑的煆燒溫度在800℃左右,其石墨化時碳原子為無序雜亂排列,碳原子相互勾連,不易擺脫本體。增碳劑宏觀組織致密,質地光滑堅硬,且含雜質多,所以其溶解速度慢、吸收率低。

     碳原子經過高溫處理,隨著溫度的提高,碳原子的排列由混亂無序到逐漸地排列有序。無煙煤燃點低,很難進行高溫煆燒,沒有經過高溫煆燒處理,所以不僅含的雜質高,而且還保留著原始的粗大石墨。這些粗大的原始石墨(片),熔點高、穩定性強,在用中頻感應電爐熔煉過程中,是無法徹底消除的,這就是通常所說的“遺傳性”。這些沒有徹底消失的粗大石墨,在鐵液凝固時,就形成了早的石墨核,隨著其他石墨一起長大,其粗大的石墨形態如同蝌蚪狀,叫做“C”型石墨。李傳栻在《用感應電爐熔煉灰鑄鐵時的一些冶金特點》一文提出,新生鐵的用量不要大於20%,就是擔心新生鐵中的粗大石墨,不能夠徹底的溶解,而產生“遺傳性”。生產配料中添加新生鐵還擔心“遺傳性”呢,更何況煤中的碳原子,其“遺傳性”就更大,會影響鑄件的物理性能,即便沒有馬上反映出來,但工件在服役過程中,這些粗大的石墨片也就可能成為裂紋源,影響鑄件的疲勞強度而產生斷裂。由於煤質增碳劑的組織致密,碳原子排列混亂,其被吸收的速度慢,易漂浮在鐵液表麵,不能吸收的部分,由於沒有徹底熔化,在電磁攪拌的作用下,或掛在爐壁上,或夾裹在鐵液中,使鑄件形成夾渣、碳化物孔洞等。鐵液在凝固過程中,由於石墨膨脹,在沒有熔化的增碳劑顆粒位置處,就易形成氣孔、氣縮孔。

     3.影響增碳劑吸收的因素

(1)增碳劑的自身質量  建議使用煆後石油焦增碳劑或者石墨化增碳劑,即人造石墨。
(2)鐵液的含碳量  一般情況下,鐵液的含碳量越低,增碳劑的吸收率越高,當鐵液的wc在3.6%以上時,再增碳就困難了。
(3)鐵液的含矽量  鐵液中矽的含量越高,越影響增碳劑的吸收,這是因為矽具有排碳作用,降低了碳在鐵液中的溶解度。
(4)鐵液的含錳量  原鐵液中的錳含量高,有利於增碳劑的吸收。
(5)爐料和鐵液質量  熔煉中防止鐵液嚴重氧化。
(6)爐工操作  增碳劑還沒有被吸收,就不停的往外挑渣,把增碳劑和熔渣一起挑出來。
(7)加入時間及加入方法  增碳劑不要先加入爐底,由於增碳劑的熔點高,其是依靠鐵液的包圍被緩慢的分解吸收的,所以如果直接加入爐底,不但延長增碳劑的分解時間,集聚的高溫還可以將爐底燒成海綿狀,甚至將爐底燒穿。應在爐底有少量鐵液時,增碳劑隨廢鋼一起加入,力爭在爐料加入3/5時,把計算的增碳劑加入完畢。
(8)爐溫控製  在正常的生產條件下,鐵液溫度較高(約1380℃),則碳較易溶於鐵液,增碳效率因而較高。

4.增碳劑的加入方法

agingames遊戲平台知道用感應電爐熔煉爐料,是由感應圈經導電產生磁場,在爐料中產生電渦流,由電渦流發熱藉以熔化爐料。
廢鋼的熔點比鑄鐵高,增碳劑的熔點更高,當廢鋼在熔化過程中以及熔化之後,增碳劑被加熱緩慢的溶解和擴散,增碳劑中的碳才能被鋼液侵蝕吸收。鋼液逐漸的變成鐵液,即常稱之為“合成鑄鐵”。

感應電爐在熔煉鐵液過程中,具有電磁攪拌摩擦的特性。鐵液過熱溫度高,過熱時間長,且又有感應電流的攪拌摩擦,鐵液中微細的晶態石墨即自發晶核和外來結晶核心,都會逐漸溶於鐵液而消失,或浮經液麵與集渣劑粘裹在一起被挑出爐外,這樣使鐵液中可在共晶結晶時作為石墨外來晶核的物質大幅度減少。    

由於使用中頻感應電爐不但沒有增碳源,而且碳還有燒損,所以為了得到合格的含碳量,添加增碳劑是必不可少的措施。在熔煉中,正確的操作方法,對鐵液質量和增碳劑的吸收率也時至關重要的。具體操作方法如下:先在爐底加入30~50kg新生鐵或回爐料→少量廢鋼→(有鐵液後)增碳劑+廢鋼→生鐵+回爐料。

結語
用廢鋼加增碳劑生產合成鑄鐵,在選用增碳劑時,要根據廢鋼的加入量來選擇增碳劑,如果廢鋼的加入量少,可以選擇含氮量適當高的增碳劑;如果廢鋼的加入量多,可以選擇含氮量低的增碳劑。優質的增碳劑,不但具有增碳作用,還具有對鐵液的孕育作用。由於氮畢竟是氣體,且不易檢測和控製,所以在購買增碳劑時,力爭購買含氮量低的增碳劑為好。

 
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