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        中頻感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵增碳劑的選擇及應(yīng)用

        2018-01-24 03:26:12孫永功楊濤王樹寶
        金屬加工(熱加工) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:灰鑄鐵鐵液石油焦

        ■ 孫永功,楊濤,王樹寶

        增碳劑是一種含碳量很高的黑色或灰色顆粒(或塊狀)的焦炭或石油焦后續(xù)產(chǎn)物,在金屬熔煉時(shí)可降低鐵液中氧的含量,提高鑄件力學(xué)性能。目前,感應(yīng)電爐在鑄鐵熔煉中已廣泛使用,由于工業(yè)廢鋼價(jià)格較低,在鐵液熔煉時(shí)使用量大幅增加,通過添加增碳劑調(diào)整鐵液的碳含量,在保證鐵液質(zhì)量的同時(shí)生產(chǎn)成本也大幅降低。

        1. 鑄鐵用增碳劑分類

        根據(jù)增碳劑中碳的晶體結(jié)構(gòu),增碳劑可分為非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài);根據(jù)碳原子的存在形式可分為石墨化增碳劑和非石墨化增碳劑。

        石墨化增碳劑主要有石墨化石油焦和石墨電極兩類。石墨化石油焦增碳劑在鑄造行業(yè)中應(yīng)用最廣泛,其生產(chǎn)工藝是將原材料石油焦在石墨化爐中經(jīng)過2200~2600℃的高溫加熱,使石油焦無定形的亂層結(jié)構(gòu)碳晶轉(zhuǎn)化變成三維有序石墨晶體的高溫?zé)崽幚磉^程,即經(jīng)過石墨化過程,達(dá)到石墨化狀態(tài)。

        非石墨化增碳劑主要有:煅燒石油焦、煤質(zhì)增碳劑等,煅燒石油焦是指石油焦經(jīng)1200~1500℃高溫加熱處理,處理溫度較低,晶體結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。煤質(zhì)增碳劑由于灰分和揮發(fā)分較高,現(xiàn)在感應(yīng)電爐熔煉時(shí)已很少使用。

        衡量增碳劑優(yōu)劣的指標(biāo)主要有固定碳含量、硫分、揮發(fā)分、灰分、氮含量及水分等。石墨化增碳劑經(jīng)高溫石墨化處理后,硫分、氮含量大大低于非石墨化增碳劑。

        (1)固定碳、灰分、揮發(fā)分 增碳劑的固定碳不同于含碳量,固定碳值是根據(jù)樣品的水分、揮發(fā)分、灰分及硫分計(jì)算得出的,而含碳量可直接用儀器檢測出來。固定碳含量高、灰分低,則增碳效果好。增碳劑中的灰分含量高在熔煉過程中會(huì)產(chǎn)生大量煙塵、爐渣,增加能耗,加大扒渣勞動(dòng)強(qiáng)度。

        (2)硫含量 在普通鑄鐵中,硫元素具有穩(wěn)定滲碳體,阻止石墨化擴(kuò)展的作用,在生產(chǎn)球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵件時(shí)應(yīng)選用含硫量低的石墨化增碳劑,若硫含量過高將影響球化效果,消耗更多的球化劑,增加生產(chǎn)成本;由于煅燒石油焦增碳劑煅燒溫度較低,硫含量較高,一般在1%以下,因此可用于某些灰鑄鐵件的生產(chǎn)。

        (3)氮含量 是衡量增碳劑品質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。一般鑄造廠在購買增碳劑時(shí),一是關(guān)注增碳劑的價(jià)格;二是關(guān)注增碳劑中的固定碳、硫、灰分、揮發(fā)分及水分的含量,而對氮含量關(guān)注較少。普通煅燒石油焦增碳劑,煅燒溫度偏低,氮、硫含量偏高。生產(chǎn)灰鑄鐵件時(shí),由于爐料中廢鋼自身會(huì)帶入一部分氮元素,若廢鋼加入比例較多,增碳劑用量也相應(yīng)加大,若使用氮含量較高的普通煅燒石油焦增碳劑,鐵液中的氮含量會(huì)大幅度提高。鐵液中過量溶解的N會(huì)阻礙石墨化,增加碳化物的穩(wěn)定性,促進(jìn)D型石墨的形成,提高硬度,惡化鑄件可加工性。對于灰鑄鐵,適量的N元素可以使石墨片長度縮短,彎曲程度增加,端部鈍化,長寬比減小,能夠穩(wěn)定基體的珠光體,起到細(xì)化晶粒組織,提高鑄件抗拉強(qiáng)度及硬度的作用。有資料介紹,當(dāng)鐵液中wN>0.012%時(shí),鑄件有出現(xiàn)氮?dú)饪兹毕莸目赡?。氮?dú)饪壮R娪阼T件內(nèi)部、表面或近表面,呈大小不等的圓形、長方形及不規(guī)則形態(tài),是鑄造生產(chǎn)中常見缺陷之一。

        石墨化增碳劑經(jīng)高溫脫硫脫氮處理,氮、硫元素含量很低,使用石墨化增碳劑熔煉的鐵液氮含量一般很低。

        2. 鑄造增碳劑的選取

        在生產(chǎn)球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵件時(shí)應(yīng)選用含硫量低的石墨化增碳劑,若使用硫含量較高的非石墨化增碳劑會(huì)影響球化效果,消耗更多的球化劑,增加生產(chǎn)成本;煅燒石油焦增碳劑由于煅燒溫度較低,硫含量較高,可用于某些灰鑄鐵件的生產(chǎn)。

        3. 增碳劑加入方式及影響吸收率的因素

        (1)增碳劑的加入方式 使用感應(yīng)電爐熔煉時(shí),加入方式對增碳劑吸收效果影響較為顯著。增碳劑不要早于爐料加入爐底,應(yīng)在爐底有部分鐵液時(shí)隨爐料一起分批加入。這是因?yàn)樵鎏紕┑娜埸c(diǎn)較高,必須依靠鐵液的包圍才會(huì)被緩慢分解吸收,若直接加入爐底,不易被吸收且降低爐襯的使用壽命。在電爐升溫過程中鐵液的攪拌作用使碳更容易被鐵液吸收。

        (2)鐵液化學(xué)成分對增碳劑吸收率的影響 鐵液中硅含量過高會(huì)影響增碳劑的吸收,這是因?yàn)楣栌信盘甲饔?,降低了碳在鐵液中的溶解度,硅含量每增加0.11%,增碳劑吸收率下降3%~4%。因此,在加料時(shí)增碳劑加入時(shí)間應(yīng)在加硅鐵之前。鐵液中錳元素含量高,可提高增碳劑的吸收,錳元素增加0.1%,可提高增碳劑2%~3%的吸收率。

        (3)鐵液溫度對增碳劑吸收率的影響 一般認(rèn)為,鐵液溫度越高,作用時(shí)間越長,增碳劑吸收速率較快。據(jù)相關(guān)資料介紹,感應(yīng)電爐內(nèi)鐵液溫度較高時(shí),碳含量不升反降。這是因?yàn)椋孩偈贾饕獡p失與向爐外大氣的氣相擴(kuò)散。②鐵液中的氧化性與C-Si-O的平衡關(guān)系,鐵液中的CO不斷地被氧化為CO2,而CO2又會(huì)被C還原,反應(yīng)產(chǎn)生CO,CO2氣體上浮溢出鐵液表面,使鐵液中的碳含量下降。使用感應(yīng)電爐進(jìn)行熔煉時(shí)增碳應(yīng)在溫度較低時(shí)進(jìn)行,增硅在溫度較高時(shí)進(jìn)行。

        (4)增碳劑粒度對吸收率的影響 增碳劑越細(xì)小,加入時(shí)與鐵液的接觸面積越大,熔解快,容易吸收,但若粒度過于細(xì)小,易被氧化,損耗大;顆粒大,熔解速度慢,損耗較小,因此應(yīng)根據(jù)熔煉爐的類型選擇合適粒度的增碳劑。

        4.石墨化與非石墨化增碳劑吸收率的比較

        表1所列是某廠現(xiàn)使用的增碳劑種類,普通煅燒石油焦增碳劑主用于部分灰鑄鐵件的生產(chǎn),石墨化石油焦增碳劑主要應(yīng)用于球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵件的生產(chǎn)。

        跟蹤每種同一批次的增碳劑使用時(shí)的增碳效果,統(tǒng)計(jì)其吸收率,數(shù)據(jù)見表2。電爐型號(hào)為10t/h、15t/h中頻感應(yīng)電爐,三種增碳劑的加入方式都是隨爐料分批加入。

        比較這三種規(guī)格增碳劑的吸收率,相同粒度下,石墨化增碳劑的吸收率要高于煅燒石油焦增碳劑,同種類型增碳劑,粒度小的吸收效果更好。

        表1 增碳劑種類及成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

        表2 不同類型增碳劑吸收率統(tǒng)計(jì)

        5. 結(jié)語

        石墨化增碳劑與非石墨化增碳劑在中頻感應(yīng)電爐熔煉條件下,石墨化增碳劑吸收率要高于非石墨化增碳劑 ,兩種增碳劑固定碳含量、灰分、揮發(fā)分以及吸收率相差不大,差異較大的是N、S兩種元素的含量,而C、N、S三種元素都會(huì)對鑄件性能產(chǎn)生較為顯著的影響。要根據(jù)產(chǎn)品特性,選用合適的增碳劑,在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本。

        [1] 許翔.增碳劑中碳、硫、氮元素含量對鑄鐵件的影響[J]. 安徽化工,2015,41(6).

        [2] 呂賢枝.氮對灰鑄鐵件的影響[J]. 金屬加工(熱加工),2017(3).

        [3] 陸文華,李隆盛,黃良余. 鑄造合金及其熔煉[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

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