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        鑄鐵的增碳原理和常用的增碳劑介紹

        發布日期:2023-06-05 17:30:37 作者:admin 點擊:3070

        鑄鐵的增碳原理和常用的增碳劑介紹

        碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司 2023-06-05 17:30 發表于寧夏

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        沖天爐熔煉鑄鐵時,熔融的鐵以液滴通過灼熱的底焦,增碳效果很好,通??梢酝ㄟ^調整底焦高度、控制爐料配比和鐵液溫度來控制增碳量,有必要采用增碳劑的情況很少。
        感應電爐熔煉鑄鐵時,爐內沒有碳源,爐料中廢鋼的用量又多,增碳劑一般都是必不可少的。增碳劑的品種及其特征,不僅影響增碳效率,對鑄件的冶金質量也有重要的影響。
        一、鐵液中的碳
        碳在常壓下的熔點為3550℃,沸點為4194℃,3500℃開始升華,是熔點最高的元素。在常溫下,各種含碳材料中的碳基本上都不具活性,在高溫下卻有很強的反應能力。在有氧的條件下加熱,無定形碳在350℃以上就會發生氧化反應,石墨則在450℃以上發生氧化反應。碳氧化所產生的CO2在高溫下是不穩定的,易于釋放氧而形成CO。大氣中的CO2在1000℃下基本上都轉變為CO,殘留的CO2不到1%。 
        鐵液中的碳,主要以兩種狀態存在:
        一種是溶于鐵液中,稱之為溶解碳
        另一種是以亞微觀的顆粒懸浮于鐵液中,也稱為游離碳,其形態是晶態石墨。
        灰鑄鐵鐵液凝固過程中,溶解碳主要以石墨的形態析出,少量固溶于共晶奧氏體。共析轉變時,固溶于奧氏體中的碳,一部分以化合碳Fe3C析出,一部分擴散到已形成的石墨上。常溫下,除合金含量高的奧氏體鑄鐵外,固溶于鐵中的碳很少。 
            凝固后的鑄鐵中碳含量的測定值,是其中化合碳量、游離碳含量和少量固溶碳量的總和。 
            澆注鐵液制成的鑄件中,微觀組織中化合碳的含量,化合碳的形態和彌散程度,游離碳的形態和尺寸,都取決于鑄鐵的化學成分、鐵液的過熱程度、鐵液的處理過程和鑄件的冷卻速率。對于控制鑄鐵質量,這些都是至關重要的問題。 
            除此以外,在高溫下,鐵液中的碳易于被氧化成為CO,所以有人認為鐵液中的碳也是一種“氣體形成元素”。CO在鐵液中的溶解度很小,形成后即釋放于鄰近液面的大氣中。 
            鐵液中硅含量高,則溶解于其中的碳以石墨析出的傾向大,在這種條件下,要使鐵液增碳當然困難。鐵液中硅含量低,增碳就比較容易。因此,鑄鐵熔煉過程中的增碳應在增硅以前進行。 
            對鑄鐵進行孕育處理時,細小的孕育劑彌散分布,產生大量硅濃度高的微區,促使該處的 碳以微細的晶態石墨析出,形成鐵液共晶凝固階段的石墨化核心。鐵液經孕育處理后,隨著放置時間的延長,高濃度的硅又逐漸向周邊擴散,硅濃度降低后,微細的晶態石墨又會逐漸溶于鐵液,孕育作用也就隨之逐漸衰退。 
           為了使鑄鐵組織中石墨的形態和尺寸符合要求,鐵液中必須有這樣的微細晶態石墨,作為共晶凝固時的石墨化晶核。除此以外,鐵液中還需要氧化物、硫化物、硫氧復合化合物之類的夾雜物,作為石墨的外來晶核。
            如果鐵液在感應電爐中保持時間很長(20小時以上),由于長時間處于高溫狀態,又有感應電流的攪拌作用,微細的晶態石墨和外來結晶核心都逐漸溶于鐵液,石墨化的核心大幅度減少。這樣的鐵液,過冷度很大,對孕育處理的回應能力極差,不可能通過孕育處理使鑄鐵具有符合要求的微觀組織,因而,即使化學成分完全符合要求,也不能用以澆注鑄件。這種缺乏石墨結晶核心的鐵液,美國通常稱之為“周一晨間鐵液(Monday morning iron)”,因為,大型感應電爐中貯存的鐵液,經周末休假后,周一上班時就是這種狀況。這是一個令人十分頭痛的問題,目前,處理周一晨間鐵液的方法是:加入廢鋼使鐵液激冷,同時加入硅鐵,以促進析出微細的晶態石墨,增加石墨化所必需的核心。

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        二、增碳劑 
            可以用作鑄鐵增碳劑的材料很多,常用的有人造石墨、煅燒石油焦、天然石墨、焦炭、無煙煤以及用這類材料組配成的混合料。 
        1、人造石墨 
            上述各種增碳劑中,品質最好的是人造石墨。 
            制造人造石墨的主要原料是粉狀的優質煅燒石油焦,在其中加瀝青作為粘結劑,再加入少量其他輔料。各種原材料配合好以后,將其壓制成形,然后在2500~3000℃、非氧化性氣氛中處理,使之石墨化。經高溫處理后,灰分、硫、氣體含量都大幅度減少。 
            由于人造石墨制品的價格昂貴,鑄造廠常用的人造石墨增碳劑大都是制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,以降低生產成本。 
            熔煉球墨鑄鐵時,為使鑄鐵的冶金質量上乘,增碳劑宜首選人造石墨,為此,最好向附近用電弧爐煉鋼的企業或電解鋁生產企業購買廢電極,自行破碎到要求的粒度。 
        2、石油焦
        石油焦是目前廣泛應用的增碳劑。 
            石油焦是精煉原油得到的副產品,原油經常壓蒸餾或減壓蒸餾得到的渣油及石油瀝青,都可以作為制造石油焦的原料,再經焦化后就得到生石油焦。生石油焦的產量大約不到所用原油量的5%。美國生石油焦的年產量約3000萬噸。生石油焦中的雜質含量高,不能直接用作增碳劑,必須先經過煅燒處理。 
            生石油焦有海綿狀、針狀、粒狀和流態等品種。 
            海綿狀石油焦是用延遲焦化法制得的,由于其中硫和金屬含量較高,通常用作煅燒時的燃料,也可作為煅燒石油焦的原料。經煅燒的海綿焦,主要用于制鋁業和用作增碳劑。 
            針狀石油焦,是用芳香烴的含量高、雜質含量低的原料,由延遲焦化法制得的。這種焦炭具有易于破裂的針狀結構,有時稱之為石墨焦,煅燒后主要用于制造石墨電極。 
            粒狀石油焦呈硬質顆粒狀,是用硫和瀝青烯含量高的原料,用延遲焦化法制得的,主要用作燃料。 
            流態石油焦,是在流態床內用連續焦化法制得的,呈細小顆粒狀,結構無方向性,硫含量高、揮發分低。 
            石油焦的煅燒,是為了除去硫、水分和揮發分。將生石油焦于1200~1350℃煅燒,可以使其成為基本上純凈的碳。
        煅燒石油焦的最大用戶是制鋁業,70%用以制造使鋁礬土還原的陽極。美國生產的煅燒石油焦,用于鑄鐵增碳劑的約占6%。
        各種石油焦制品的大致成分列于表1,供參考。
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        3、天然石墨
        天然石墨可分為鱗片石墨和微晶石墨兩類。
        微晶石墨灰分含量高,一般不用作鑄鐵的增碳劑。
        鱗片石墨有很多品種:高碳鱗片石墨需用化學方法萃取,或加熱到高溫使其中的氧化物分解、揮發,這種鱗片石墨產量不多、價格高,一般也不用作增碳劑;低碳鱗片石墨中的灰分含量高,不宜用作增碳劑;用作增碳劑的主要是中碳鱗片石墨,但用量也不多。 
        天然石墨的大致成分見表2。
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        4、焦炭和無煙煤
        電弧爐煉鋼過程中,可以在裝料時配加焦炭或無煙煤作為增碳劑。由于其灰分和揮發分含量較高,感應電爐熔煉鑄鐵時很少用作增碳劑。 
           關于鑄鐵行業常用的幾種增碳劑的成分和堆密度,表3中列出了一些典型的測定數據,供參照。
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        三、增碳劑的選用 
            選用增碳劑時,一般都應該注意以下幾點。
        1、固定碳和灰分的含量 
            固定碳和灰分是增碳劑中此消彼長的兩個對立參數,也是影響增碳效率的兩個最重要的參數。增碳劑中的固定碳含量高、灰分低,則增碳效率高,反之則增碳效率低。由于生產條件下影響的因素很多,很難嚴格評定兩參數各自對增碳效率的影響。 
            灰分高,對增碳有抑制作用,而且還會使爐渣量增多,從而延長作業時間,增加電耗,增加冶煉過程中的勞動量。采用熔溝式感應電爐,如增碳劑加入爐內,尤應選用低灰分的品種,以免熔溝中聚集氧化物而影響電效率。 
            從增碳效率考慮,當然希望增碳劑的固定碳含量高一些、灰分低一些,但同時也要考慮生產成本的因素和對鐵液質量的影響。 
            增碳劑的加入方式對增碳效率也有很大的影響。 
        a、增碳劑在裝料時加入爐內 
            裝料時將增碳劑與爐料混勻,置于感應電爐的底層和中部,增碳效率較高。關于不同增碳劑的增碳效率,美國有人在保持其他條件不變的情況下進行過對比試驗,此處簡述其要點如下: 
            在無心感應電爐中熔煉灰鑄鐵,鑄鐵的目標碳當量為4.03%(C 3.4%、Si 1.9%、Mn 0.55%)。 
            爐料的配比是:鑄造生鐵16%;回爐料30%;廢鋼52%;增碳劑2%。 
        增碳劑與金屬爐料同時加入爐內,不同增碳劑的增碳效率見表4。
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        b、出鐵時加增碳劑 
        出鐵時在包內加增碳劑,增碳效率比加入爐內者低得多。美國有人在包內加入不同增碳劑進行過對比試驗,其要點如下:
        熔煉的鑄鐵是低碳當量鑄鐵,目標成分是:C 2.55%;Si 1.7%;Mn 0.4%。
        出鐵時,鐵液溫度為1510~1530℃。
        增碳劑加在包內,然后沖入鐵液,試驗的結果見表5。
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        2、硫含量 
            熔煉球墨鑄鐵時,應采用硫含量低的增碳劑,雖然低硫增碳劑的價格高,但卻是必需的。 
            熔煉灰鑄鐵時,宜采用硫含量較高的增碳劑。這樣,不僅可以降低生產成本,而且還可增強鐵液對孕育處理的回應能力,得到冶金質量高的鑄件。在這種條件下,片面地追求增碳劑“質量高”而選用低硫的品牌,不僅增加生產成本,而且還對產品質量有負面影響。 
        3、氮含量 
            灰鑄鐵中含有少量的氮,有促成珠光體的作用,有助于改善鑄鐵的力學性能。如果氮含量在0.01%以上,則鑄件就易于產生“氮致氣孔”。 
            通常,廢鋼中的氮含量高于鑄造生鐵。用感應電爐熔煉鑄鐵時,由于爐料中所用的鑄造生鐵錠少、廢鋼多,制得的鑄鐵中氮含量會相應較高。爐料中廢鋼用量為15%時,鑄鐵中的氮含量約為0.003~0.005%;廢鋼用量為50%時,氮含量可達0.008~0.012%;爐料全部為廢鋼時,氮含量可能高達0.014%以上。 
           此外,由于爐料中使用大量廢鋼,必須用增碳劑,而大多數增碳劑中氮含量都比較高,這又是導致鑄鐵中氮含量增高的另一因素。 
           
        近十多年來,隨著感應電爐的應用不斷增多,增碳劑中的氮含量日益受到重視。為避免鑄件產生氣孔缺陷,感應電爐熔煉鑄鐵時所用的增碳劑,一定要選購含氮量低的品種,如有可能,應核查增碳劑的氮含量。當前的困難在于:分析增碳劑中的氮含量,尚缺乏簡便而準確的方法。

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        四、工藝因素對增碳效率的影響 
            除增碳劑中的固定碳含量和灰分對其在鑄鐵中的增碳效率有重要的影響外,增碳劑的粒度、加入的方式、鐵液的溫度以及爐內的攪拌作用等工藝因素都對增碳效率有明顯的影響。在生產條件下,往往是多種因素同時起作用,難以對每一因素的影響作準確的說明,需要通過試驗來優化工藝。
         
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        、加入方式 
            增碳劑在裝料時隨金屬爐料一同加入爐內,由于作用的時間長,增碳效率比出鐵時加入鐵液時高得多,由表4和表5中的數據,對這一點可以有概略的了解。 
        2
        、鐵液的溫度 
            出鐵時將增碳劑加入包內,然后沖入鐵液,增碳效率與鐵液的溫度有關。在正常的生產條件下,鐵液溫度較高,則碳較易溶于鐵液,增碳效率因而較高。 
        3
        、增碳劑的粒度 
            一般說來,增碳劑的顆粒小,則其與鐵液接觸的界面面積大,增碳的效率就會較高,但太細的顆粒易于被大氣中的氧所氧化,也易于被對流的空氣或抽塵所致的氣流帶走,因此,增碳劑顆粒尺寸的下限值以1.5mm為宜,而且其中不應含有0.15mm以下的細粉。 
            顆粒尺寸的最大值,應該以能在作業時間內溶入鐵液為度。如果增碳劑在裝料時隨金屬爐料一同加入,碳與金屬的作用時間長,增碳劑的顆粒尺寸可以較大,上限值一般可為12mm。如果在出鐵時加入鐵液中,則顆粒尺寸宜小一些,上限值一般為6.5mm。 
        4
        、攪拌作用 
            攪拌有利于改善增碳劑和鐵液的接觸狀況,提高其增碳效率。在增碳劑與爐料一同加入爐內的情況下,有感應電流的攪拌作用,增碳的效果較好。向包內加增碳劑時,增碳劑可先置于包底,出鐵時使鐵液直沖增碳劑,或連續地將增碳劑投向液流,不可在出鐵后投放在包內的液面上。
        5、避免增碳劑卷入爐渣
        增碳劑如果卷入爐渣,就不能與鐵液接觸,當然會嚴重影響增碳的效果

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