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感应电炉熔炼,不同增碳剂对铸铁性能的影响差别很大
时间 : 2022-01-12 14:00 浏览量 : 51
随着环保要求的不断提升,对资源消耗越来越重视,生铁、焦炭价格不断攀升,导致铸件成本的增加,越来越多的铸造厂家开始使用电炉熔炼,以替代传统的冲天炉熔炼。2011年初,我厂中小件车间也采用了电炉熔炼工艺取代传统的冲天炉熔炼工艺。电炉熔炼大量使用废钢既可以降低成本,又可以提高铸件力学性能,但使用的增碳剂种类和增碳工艺起着很关键的作用。


  1.增碳剂的主要种类

  用作铸铁增碳剂的材料很多,常用的有人造石墨、煅烧石油焦、天然石墨、焦炭、无烟煤,以及用这类材料配成的混合料。

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  (1)人造石墨 上述各种增碳剂中,品质最好的是人造石墨。制造人造石墨的主要原料是粉状的优质煅烧石油焦,在其中加沥青作为粘结剂,再加入少量其他辅料。各种原材料配合好后,将其压制成形,然后在2500~3000℃、非氧化性气氛中处理,使之石墨化。经高温处理后,灰分、硫、气体含量都大幅度减少。如果没有经过高温煅烧或煅烧温度不足的石油焦,会严重影响增碳剂的品质,因此增碳剂质量的好坏,主要看其石墨化程度,好的增碳剂含石墨碳(质量分数)在95%~98%,硫含量在0.02%~0.05%,氮含量在(100~200)×10﹣6。
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  (2)石油焦 是目前广泛应用的增碳剂。石油焦是精炼原油得到的副产品,原油经常压蒸馏或减压蒸馏得到的渣油及石油沥青,都可以作为制造石油焦的原料,再经焦化后就得到生石油焦,生石油焦中的杂质含量高,不能直接用作增碳剂,必须先经过煅烧处理。

  (3)天然石墨 可分为鳞片石墨和微晶石墨两类。微晶石墨灰分含量高,一般不用作铸铁的增碳剂。鳞片石墨有很多品种:高碳鳞片石墨需用化学方法萃取,或加热到高温使其中的氧化物分解、挥发,这种鳞片石墨产量不多,价格高,一般也不作增碳剂;低碳鳞片石墨中的灰分含量高,不宜用作增碳剂。用作增碳剂的主要是中碳石墨,但用量也不多。

  (4)焦炭和无烟煤 感应电炉熔炼过程中,可以在装料时配加焦炭或无烟煤作为增碳剂。由于其灰分和挥发分含量较高,感应电炉熔炼铸铁很少用作增碳剂,碳含量在80%~90%,硫含量在0.5%以上,氮含量在(500~4000)×10﹣6,这种增碳剂价格较低,属于低档次的增碳剂。

  2.铁液增碳原理

  合成铸铁熔炼过程中,由于废钢加入量大,铁液C含量低,必须采用增碳剂增碳。增碳剂中以单质形式存在的碳,熔化温度为3727℃,在铁液温度下不能融化,因此,增碳剂中的碳主要通过溶解和扩散两种方式溶于铁液。当铁液的石墨增碳剂含量在2.1%时,石墨可直接在铁液中溶解直溶。而非石墨增碳的直溶现象基本不存在,只是随着时间的推移,碳在铁液中逐渐地扩散溶解。对于感应电炉熔炼铸铁的增碳,采用晶体石墨增碳的增碳速度显著高于非石墨增碳剂。
试验表明,碳在铁液中的溶解受到固体粒子表面液体边界层的碳传质的控制。用焦炭和煤颗粒所得的结果与用石墨所得的结果对比,发现石墨增碳剂在铁液中的扩散溶解速度明显快于焦炭和煤颗粒一类的增碳剂。用电子显微镜观察部分溶解的焦炭和煤颗粒样品,发现在样品表面形成了一层很薄的粘性灰层,这是影响其在铁液中扩散溶解性能的主要因素。
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  3.影响增碳效果的因素

  (1)增碳剂粒度的影响 增碳剂吸收率的高低取决于增碳剂溶解扩散速度和氧化损耗速度的综合作用。在一般情况下,增碳剂颗粒小,溶解速度快,损耗速度大;增碳剂颗粒大,溶解速度慢,损耗速度小。增碳剂粒度大小的选择与炉膛直径和容量有关。一般情况下,炉膛的直径和容量大,增碳剂的粒度要大一些;反之,增碳剂的粒度要小一些。

  (2)增碳剂加入量的影响 在一定的温度和化学成分相同的条件下,铁液中碳的饱和浓度一定。在一定饱和度下,增碳剂加入量越多,溶解扩散所需时间就越长,相应损耗量就越大,吸收率就会降低。

  (3)温度对增碳剂吸收率的影响 原则上铁液温度越高,越有利于增碳剂的吸收溶解,反之,增碳剂难以溶解,增碳剂吸收率降低。但是铁液温度过高时,增碳剂虽然更容易充分溶解,但是碳的烧损率会增加,最终导致碳含量降低,增碳剂总体吸收率降低。一般铁液温度在1460~1550℃时,增碳剂吸收效率最好。
  (4)铁液搅拌对增碳剂吸收率的影响 搅拌有利于碳的溶解和扩散,避免增碳剂浮在铁液表面而被烧损。在增碳剂未完全溶解前,搅拌时间长,吸收率高。搅拌还可以减少增碳保温时间,使生产周期缩短,避免铁液中合金元素烧损。但搅拌时间过长,不仅对炉子的使用寿命有很大影响,而且在增碳剂溶解后,搅拌会加剧铁液中碳的损耗。因此,适宜的铁液搅拌时间应以保证增碳剂完全溶解为适宜。

  (5)铁液化学成分对增碳剂吸收率的影响 当铁液中初始碳含量高时,在一定的溶解极限下,增碳剂的吸收速度慢,吸收量少,烧损相对较多,增碳剂吸收率低。当铁液初始碳含量较低时,情况相反。另外,铁液中硅和硫阻碍碳的吸收,降低增碳剂的吸收率;而锰元素有助于碳的吸收,提高增碳剂吸收率。就影响程度而言,硅最大,锰次之,碳、硫影响较小。因此,实际生产过程中,应先增锰,再增碳,后增硅。

  4.不同增碳剂对铸铁性能的影响

  (1)试验条件 使用两台5t中频无芯感应电炉熔炼,最大功率为3000kW,频率为500Hz。按车间日常配料单(机体回炉料50%、生铁20%、废钢30%)进行配料,使用一种低氮煅烧型增碳剂和一种石墨型增碳分别熔炼一炉铁液,按工艺要求调整好化学成分后分别浇注一种缸体主轴承盖。
生产工艺:增碳剂在加料过程中分批次加入电炉进行熔炼,出铁液过程加入0.4%一次孕育剂进行孕育(硅钡孕育剂),浇注过程中加入0.1%二次随流孕育剂(硅钡孕育剂)。使用DISA2013造型线。

  (2)力学性能 为验证两种不同增碳剂对铸铁性能的影响,同时为了避免铁液成分对结果的影响,将不同增碳剂熔炼的铁液成分调整到基本一致。为了更充分验证结果,试验过程中除了两炉铁液分别浇注了一组Ø30mm试棒外,每炉铁液浇注的铸件还分别随机挑取12件本体检测布氏硬度(6件/箱,检测两箱)。试验结果见表1、表2。

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  从表2可以看,在成分几乎相同的情况下,使用石墨型增碳剂生产的试棒强度明显高于使用煅烧型增碳剂熔炼所浇注的试棒,且石墨型增碳剂生产的铸件加工性能明显优于使用煅烧型增碳剂生产的铸件(该铸件硬度过高时,加工时铸件边缘会出现蹦刀现象)。

  (3)石墨微观组织 图1、图2显示了两种不同增碳剂熔炼铁液所浇注的Ø30mm试棒的石墨形态,比较可以看出,使用石墨型增碳剂的试样的石墨形态均为A型石墨,且石墨数量较多、尺寸更加细小。

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  从以上试验结果得出如下结论:优质的石墨型增碳剂不仅可以提高铸件的力学性能,改善金相组织,还可以改善铸件的加工性能。
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  结语
  (1)影响增碳剂吸收率的因素有增碳剂粒度、增碳剂加入量、增碳温度、铁液搅拌时间和铁液的化学成分。
  (2)优质的石墨型增碳剂不仅可以提高铸件的力学性能,改善金相组织,还可以改善铸件的加工性能。因此,在感应电炉熔炼工艺生产缸体、缸盖等关键产品时,建议使用优质石墨型增碳剂。

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