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合成鑄鐵增碳案例淺析

發布日期:2023-11-15 10:44:36 作者:admin 點擊:45

合成鑄鐵增碳案例淺析

碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司 2023-11-15 10:31 發表于寧夏

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增碳工藝原理


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采用電爐熔煉,由于廢鋼加入量大,鐵液w(C)量低,所以必須添加增碳劑進行增碳。

增碳劑中以單質形式存在的碳,熔化溫度為3727 ℃,在鐵液溫度下不能熔化,因此,增碳劑中的碳主要是通過溶解擴散兩種方式溶于鐵液的。

增碳方法一般有兩種:一種是在熔化過程中與爐料一起分批直接加入熔化爐內進行增碳;另一種是爐料化清并去除爐渣后在鐵液表面進行增碳。選擇何種增碳方法應視增碳量的多少確定。


增碳劑的選用


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影響增碳劑吸收率的因素主要有加入方法、鐵液化學成分增碳劑,應綜合考慮這些因素的影響情況來選擇所使用的增碳劑。





(1)加入方式




加入增碳劑后,應使增碳劑與鐵液充分潤濕,避免增碳劑漂浮在鐵液表面產生結團燃燒現象,加入量大的應采取分批加入的方式;在鐵液表面增碳時,應注意鐵液的攪拌強度及增碳劑的加入速度,確保增碳劑的吸收率。

增碳劑與鐵液潤濕良好,增碳吸收率一般在90%~95%之間,個別甚至達到100%。





(2)鐵液化學成分




C在鐵液中的溶解度為:

w(C)max=1.3+0.025T-0.31w(Si)-0.33w(P)-0.45w(S)+0.028w(Mn)

式中T為鐵液的攝氏溫度。由上式可知,增加鐵液中的w(Si)、w(P)、w(S)量會降低C的溶解度,即降低增碳吸收率;相反,增加鐵液中的w(Mn)量,會促進鐵液對C的吸收,即提高增碳吸收率。





(3)增碳劑的品質




不同品質的增碳劑具有不同的增碳吸收率。優質增碳劑具有穩定的吸收率,有利于生產控制,且節約因二次增碳產生的能源及材料消耗,降低生產成本。

按C的存在形式,增碳劑分為晶體型石墨增碳劑非晶體型增碳劑。研究認為,增碳鑄鐵的特性和凝固行為取決于增碳劑的結構特性。用晶體型石墨增碳劑進行增碳處理時,石墨容易溶解,同時促進鐵液按Fe—C穩定系進行共晶凝固,并增加熔融鐵液中的結晶核心、降低激冷傾向。所以,增碳劑的類型決定了增碳鐵液的質量,也影響鐵液在結晶過程中的形核能力,在選擇增碳劑時應優先考慮選用晶體型石墨增碳劑。

晶體型石墨增碳劑是經過高溫石墨化處理的,其C原子從原來的無序排列變成片狀有序排列,能成為石墨形核的最好核心。

增碳劑的來源很多,形態各異,根據其加工工藝和成分不同,價格差異很大,表1為某公司增碳劑指標及其適用性情況。

表1 增碳劑指標及其優缺點

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針對不同的熔煉方式、爐型以及熔煉爐的尺寸,選擇合適的增碳劑顆粒度,可以有效提高鐵液對增碳劑的吸收速度和吸收率,避免因過小的顆粒度而引起的增碳劑氧化燒損。其粒度最好為:100 kg爐小于1 mm,500 kg爐小于1.5 mm,1.5噸爐小于5 mm,20噸爐小于30 mm。


增碳案例分析


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案例一

鑄件情況及生產條件描述:加Cu合金化的HT250發動機缸蓋,采用2噸中頻電爐熔煉,爐料為:廢鋼30%、回爐料10%、生鐵60%,加入固定碳80%、w(S)量0.1%的天然石墨增碳劑進行增碳,化學成分為:w(C) ~3.3%、w(Si) ~1.9%、 w(Cu) ~0.7%、w(S) ~0.4%;樹脂砂造型工藝。

存在問題:鑄件抗拉強度只有220 MPa,加工后的鑄件壓氣漏水率達50%。

改進措施:改用w(N)量0.05%、固定碳量98.5%的石墨化石油焦增碳劑,廢鋼由原來的30%調整到80%,加入硫化鐵控制w(S)量在0.9%左右,其他化學成分不變。

改進效果:鑄件抗拉強度穩定達到260 MPa以上,漏水率3%以下。

原因分析:①改用的石墨化石油焦增碳劑是經過高溫石墨化處理的增碳劑,其C原子的有序片狀排列是石墨形核的最好核心,有利于促進石墨化,從而使鑄件能有效進行石墨化自膨脹消除滲漏。②加大廢鋼用量可以避免生鐵中粗大石墨的遺傳性問題,提高鑄件抗拉強度。

小結:熔煉合成鑄鐵時,應盡量降低生鐵的用量和提高廢鋼的用量,甚至可用全廢鋼爐料,同時使用增碳工藝來保證高碳當量;在高溫熔煉條件下,使用經高溫石墨化處理的增碳劑進行增碳,石墨化作用顯著,在鑄件上反映出的石墨形態更好,從而有利于提高鑄件的力學性能,減少鑄件收縮傾向,改善加工性能。


案例二

鑄件情況及生產條件描述:材料牌號為EN-GJS-400-18U-LT的一風電鑄件,原生產工藝用傳統生鐵+廢鋼+回爐鐵熔煉準備原鐵液。

存在問題:沖擊韌度不能滿足驗收標準要求。

改進措施:采用優質廢鋼和增碳工藝準備原鐵液。

改進效果:沖擊韌度穩定滿足驗收標準要求,不僅節約能源,降低成本,還縮短了生產周期。








經濟效果對比


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增碳工藝不僅能改善鑄件的性能和組織,而且還能降低一定的生產成本,曾有鑄造企業對使用國產生鐵、進口生鐵后進行增碳工藝的成本比較(表2、表3),其回爐鐵的加入量均為20%。由表2和表3可知,使用增碳工藝后原材料分別降低174元/t和474元/t。

表2 使用國產生鐵增碳前后的原材料成本

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表3 使用進口生鐵增碳前后的原材料成本

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總結


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選用合適的增碳劑并大量使用廢鋼生產的合成鑄鐵比傳統熔煉工藝生產的鑄鐵在成本和質量上都是有優勢的,但要注意的是優質增碳劑應具備以下特性:

1)顆粒大小適中,孔隙度大,吸收速度快;

2)化學成分純凈,高碳、低硫、有害成分極微,吸收率高;

3)產品石墨晶體結構好。

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