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合成鑄鐵溶煉過程中增碳劑與碳化娃的**配伍 (二)

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文章附圖

二、高增碳率是獲取優質鐵液的主要條件

采用廢鋼+增碳劑+合金的工藝路線,熔煉合成鑄鐵能**程度實現高的增碳率,高的鑄鐵石墨化程度,高的鐵液純凈度,高的熔煉水平的鑄造工藝。

在高碳當量下,如何提高強度,前提是鐵液具有高的增碳率,只有高的增碳率才能充分石墨化,高的增碳率決定于活性碳含量。只有高活性碳含量的鐵液,在凝固過程中才能進行石墨化。電爐熔煉如果新生鐵用的多,新生鐵中的粗大石墨在感應爐溶煉的工況下(1 550°C 10 min)是不能溶解充分的,它是以游離石墨形態存在,這種沒能充分溶解的碳就不能參與石墨化,在凝固過程中被保留下來,就稱之為石墨的遺傳性。

感應電爐條件下,爐料中的新生鐵帶來的碳和采用廢鋼+增碳劑所達到的碳,雖然含量相同,但特性不一樣。用全廢鋼增碳工藝熔煉的鐵液與成份相同的,經沖天爐或沖天爐+感應爐雙聯熔煉的鐵澆注試樣,在相同的澆注參數下,鐵液的白口傾向、鐵液收縮傾向、截面硬度的差異、石墨形態、力學性能均顯示全廢鋼感應爐熔煉的鐵液更好。沖天爐熔煉HT200鐵液的成分,如果感應爐全廢鋼增碳工藝,已達到HT300的水平,熔煉水平提高兩個檔次,當感應電爐全廢鋼增碳工藝碳含量降到3.1-3.2%,灰鑄鐵的性能可達到HT350水平。表1是國內外機床鑄件碳當量對比。

牌號

碳當量均值(%)

國外

國內

HT250

3.95

3.75

HT300

3.82

3.55

HT350

3.76

3.45


表1國內外機床鑄件碳當量對比

國外感應電爐熔煉采用廢鋼+增碳劑工藝,新生鐵加入量低于10%,以前國內做HT300以上鑄件是在大幅度降低碳當量及合金化的條件下達到的。此時鐵液的縮孔增加、疏松增加、應力增加、加工性能變差,截面性能差異大?,F在用全廢鋼增碳工藝熔煉鑄鐵,可以在高碳當量下獲得高的強度。如果用這樣的高純度,高石墨化基礎的鐵液做球墨鑄鐵,石墨球數從未使用增碳劑的42個/mm2增 200個/mm2,這對改善球墨鑄鐵厚大斷面石墨形態變差“斷面效應”好處不言而喻。碳作為自發自發形核核心有個好處,它不自溶,是長效結晶核心,不象孕育劑,作為外來形核核心,會自溶、衰退。這對有低溫沖擊功能要求的球墨鑄鐵有很大好處,提高低溫沖擊值,且無須熱處理,更不需要合金化。這是其他熔煉工藝無法論比擬的。

三、增碳劑的品質和增碳效果

感應電爐熔煉時,加入到爐內或鐵液包中能提高鐵液中的碳量,并能降低鐵液中的氧含量,還能提高金屬和鑄件的力學性能的黑色或灰色的顆?;驂K狀的焦碳后續物稱為增碳劑。增碳劑中以單質形式存在的碳,熔點為3550°C,沸點為4 194°C,3500°C 開始升華。各種碳材料基本都不具備活性,在高溫下有很強的反應能力,在有氧的條件下加熱,無定形碳在350°C以上會發生氧化反應,石墨則在450°C 以上發生氧化反應。

在鐵液的溫度下,碳是不能熔化的,增碳劑中的碳主要通過溶解和擴散兩種方式溶于鐵液。當鐵液含碳在2.1%時,石墨化增碳劑中的石墨直接在鐵液中溶解——直溶。而非石墨增碳劑的直溶現象基本不存在,只是隨著時間推移,碳在鐵液中逐漸的擴散溶解。這使石墨化增碳劑的增碳速度明顯高于非石墨增碳劑。國外某大學曾對各種增碳劑在鐵夜中溶解進行試驗研究,試驗表明,碳在鐵液中的溶解受到固體粒子表面液體邊界層的碳傳質的控制。用焦炭和煤粒所得結果與石墨所得的結果對比,發現石墨增碳劑在鐵液中的擴散溶解速度明顯 快于焦炭和煤粒一類樣品,發現在樣品表面形成一層很薄的粘性灰層,這是影響其在鐵液中擴散和溶解性能的主要原因。

表2用常用增碳劑及成分

晶體

增碳劑

固定碳

(%)

灰分

(%)

揮發分

(%)

S

(%)

N×10-6

H×10-6

結晶態石墨晶體

石墨化增碳劑

98.5

0.4

0.1

0.05

300

150

天然微晶石墨

60-80


1-2




鱗片石墨中碳

85-90

13

0.5-1.5




非晶態

非石墨晶態

煅燒石油焦

98.5

0.4

0.3-0.5

0.3-1.5

6000

1500

煅燒無煙煤

90

2.5

3.5

0.3



冶金焦

85

10

1

0.5-1.0



瀝青焦

97

0.5

0.5

0.4

7000

2000

冶金碳化硅

30



0.07

300

150


增碳劑的固定碳含量和含碳量的含義,固定碳值是根據樣品的水分、揮發分、灰分、硫分計算出的。而含碳量直接用碳硫測定儀便可獲得。片面從增碳劑的固定碳含量和其他物質斷定是否優質是不可取的。不少小型鑄造廠購買增碳劑時,只注意增碳劑的價格和增碳劑的固定碳、灰分、揮發分等, 往往忽視了一個重要元素--氮的含量的參數。通常氮以3種形態存在于鑄鐵中:①是以液態和固態在鑄鐵中;②是與鐵液中的某種元素形成氮化物,如氮化硼等;③是從鐵液析出,以單質氣體的形式存在, 當含氮量超過臨界點(一般認為約140x10,時,就會使鑄件產生氮氣孔。氮在鑄鐵中的作用具有兩面性,有關資料介紹:氮含量每增加10x10-6,灰鑄鐵抗拉強度可提高5-7 MPa,同時硬度可增加 3-4HBW。通常認為鐵液含氮量<100x10-6則可穩定珠光體,使片狀石墨變短變粗,端部鈍化。在厚壁灰鐵中出現緊實狀石墨,故能有效的提高抗拉強度。 若含氮量超過140x10-6灰鑄鐵鐵液則易在厚壁部分產生縮松缺陷。因此,合成鑄鐵應選擇含氮量低的優質增碳劑或石墨電極碎作增碳劑。由于增碳劑中的氮含量缺乏簡便而準確的方法,經驗告訴我們,經2 000°C以上高溫石墨化處理的增碳劑,硫和氮的含量大幅降低,只要是硫含量在0.05%的石墨化增碳劑相應的氮含量也低。

為進一步理解不同品種增碳劑的品質和冶金效果,將以石油焦為原料生產的兩種增碳劑作以比較, 見表3。

表中可見石墨化增碳劑的增碳效果優于煅燒石油焦增碳劑。即便是晶體石墨增碳劑,石墨化增碳劑與石墨電極碎的增碳效果與吸收率不甚相同。多孔的“松糕”結構的晶狀石墨化增碳劑的比表面積大,有更大的表面浸潤于鐵液,加快C的溶解和擴散,故其增碳效果和吸收率比致密的石墨電極碎屑高 5%-15%,所以增碳劑的空隙率對增碳效果和增碳吸收率至關重要,同樣道理,煅燒石油焦增碳劑的增碳效果和吸收率優于鍛煤增碳劑。

表3 石油焦為原料的增碳劑的特性比照

石墨化增碳劑

石油焦

煅燒石油焦增碳劑

石墨化爐2200-2600°C

熱加工方式

煅燒爐1200°C

結晶態

碳晶體結構

非晶體

C98.5% S0.05% N300×10-6

C.S.N

C98.5% S0.6% N6000×10-6

C2.1%直熔

溶于鐵液方式

擴散溶解

增碳速度

一般

增碳效果

一般

提溫效果

一般

6000元/T

參考價格

4000元/T


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