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        增碳劑選擇對(duì)合成鑄鐵組織性能影響的研究

        2019-01-04 01:19:54任現(xiàn)偉
        中國(guó)金屬通報(bào) 2019年1期
        關(guān)鍵詞:鐵液廢鋼鑄鐵

        任現(xiàn)偉

        (洛陽(yáng)古城機(jī)械有限公司,河南 洛陽(yáng) 471000)

        在鑄鐵行業(yè)中,相比于大量使用新生鐵來(lái)說(shuō),廢鋼的來(lái)源更加豐富、價(jià)格也更為低廉,為了節(jié)約成本和國(guó)內(nèi)過(guò)多的廢鋼資源再利用,鑄造企業(yè)已經(jīng)廣泛采用廢鋼加增碳劑的工藝方式來(lái)生產(chǎn)鑄鐵,使用該方法生產(chǎn)的鑄鐵被稱為合成鑄鐵。在合成鑄鐵生產(chǎn)中,通過(guò)增碳劑的應(yīng)用,可提高鐵液中的含碳量及穩(wěn)定石墨核心的析出和長(zhǎng)大,從而有效改善合成鑄鐵的各項(xiàng)物理性能和機(jī)械性能,進(jìn)而達(dá)到提高鑄鐵生產(chǎn)質(zhì)量、節(jié)約成本的目的。隨著我國(guó)在合成鑄鐵技術(shù)上的研究不斷深入,這也使廢鋼的加入量不斷增多,時(shí)至今日,廢鋼加入量已經(jīng)從最初應(yīng)用合成鑄鐵時(shí)的40%增加至現(xiàn)有的80%左右,由于電爐熔煉鑄鐵與沖天爐有所不同,其并不具備增碳源,因此為了使合成鑄鐵的含碳量合格,就必須要添加相應(yīng)的增碳劑,而這就需要對(duì)增碳劑選擇對(duì)合成鑄鐵組織性能的影響進(jìn)行相應(yīng)的研究,這也是改善合成鑄鐵生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

        1 常見的增碳劑類型

        在合成鑄鐵生產(chǎn)中,增碳劑的選擇對(duì)其組織性能的改善有著十分重要的影響。增碳劑的類型有很多,根據(jù)增碳劑中碳所具有的形態(tài),可將其劃分為非石墨增碳劑以及石墨增碳劑兩種。其中,在石墨增碳劑中,較為典型的有廢石墨電極、天然石墨顆粒、石墨電極碎屑或邊角料等。另外,與石墨結(jié)構(gòu)相似的碳化硅結(jié)構(gòu)也同樣是石墨增碳劑中較為特殊的一種。非石墨增碳劑中,較為典型的主要有煅燒石油焦、瀝青焦、煅燒無(wú)煙煤等。在合成鑄鐵生產(chǎn)中,主要選擇晶體態(tài)的增碳劑,增碳劑的主要成分為石墨。

        2 增碳劑在合成鑄鐵中的增碳原理

        在合成鑄鐵生產(chǎn)中,考慮到需要加入大量的廢鋼,相對(duì)于鑄鐵回爐料而言,廢鋼自身的含碳量低導(dǎo)致鑄鐵熔煉生產(chǎn)過(guò)程中的鐵液內(nèi)的含碳量普遍較低,因此必須要進(jìn)行增碳處理。增碳劑內(nèi)的碳在熔于鐵液時(shí),主要是通過(guò)擴(kuò)散與溶解這兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的,如果鐵液內(nèi)的碳含量為2.1%,則在選擇石墨增碳劑后,其碳成分會(huì)直接溶解到鐵液內(nèi)。在國(guó)外,某學(xué)者就對(duì)碳元素在鐵溶液中所具有的溶解性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,該實(shí)驗(yàn)是將溫度置于1623-1923℃范圍以內(nèi)的多種不同含有碳元素的物質(zhì)當(dāng)作實(shí)驗(yàn)對(duì)象,以此分析這些物質(zhì)在鐵液內(nèi)所產(chǎn)生的溶解作用。含碳物質(zhì)的溶解性可利用公式表述為,在該公式中,碳元素在溶解過(guò)程中所具有的傳質(zhì)通量由j表示,所謂傳質(zhì)通量,是指當(dāng)溫度與碳元素一定時(shí),碳元素以溶解和擴(kuò)散這兩種方式進(jìn)入到鐵液中的單位數(shù)量。而碳元素的飽和濃度由C進(jìn)行表示,碳元素的主體濃度由Cb表示,總?cè)芙庀禂?shù)則由K進(jìn)行表示,總?cè)芙庀禂?shù)的計(jì)算公式可表示為,在該式中,K代表固體粒子表面液u體邊界層的碳傳質(zhì)系數(shù),而Kp則代表界面的反應(yīng)常數(shù)。該實(shí)驗(yàn)證明了固體粒子表面液體邊界層的碳元素傳質(zhì)會(huì)影響鐵液內(nèi)碳元素的溶解。通過(guò)對(duì)煤顆粒、焦炭和石墨這三種類型的增碳劑進(jìn)行應(yīng)用效果對(duì)比,可以很明顯的發(fā)現(xiàn)石墨增碳劑要具有更快的擴(kuò)散溶解速度,利用顯微境來(lái)對(duì)部分已經(jīng)溶解的煤顆粒和焦炭增碳劑進(jìn)行觀察,可以發(fā)現(xiàn)這些增碳劑的表面有一層非常薄的膜,正是這層膜的存在影響了碳元素在鐵液中的擴(kuò)散溶解速度。

        3 增碳劑選擇對(duì)合成鑄鐵的影響研究

        (1)粒度影響.增碳劑的使用過(guò)程主要包括氧化損耗與溶解擴(kuò)散兩個(gè)過(guò)程,在選擇增碳劑時(shí),其粒徑不同,則其氧化損耗和溶解擴(kuò)散過(guò)程也會(huì)隨之不同,鐵液對(duì)增碳劑的吸收率是由增碳劑所具有的氧化損耗速度和溶解擴(kuò)散速度所決定的。通常而言,增碳劑粒度越小,則其氧化損耗速度和溶解擴(kuò)散速度也就越快,反之亦然。對(duì)于增碳劑粒度來(lái)說(shuō),其是由爐膛的容量和直徑所決定的,爐膛的容量與直徑越大,則增碳劑的粒度也就越大,反之也同樣如此。如果是采取1t以下的電爐進(jìn)行合成鑄鐵熔煉,需要確保增碳劑的粒度在0.5至2.5mm以內(nèi),如果電爐的規(guī)格在1至3t,則其粒度應(yīng)在2.5至5mm以內(nèi),如果電爐規(guī)格為3至10t,則其粒度應(yīng)在5至20mm以內(nèi),如果增碳劑是用來(lái)包內(nèi)覆蓋的,則其粒度應(yīng)控制在0.5至1mm以內(nèi)。

        (2)加入量的影響。在熔爐溫度與鐵液化學(xué)成分一定的情況下,鐵液對(duì)碳元素的溶解是存在一個(gè)飽和濃度的,當(dāng)飽和度一定時(shí),增加的增碳劑越多,則碳元素的溶解擴(kuò)散時(shí)間就越長(zhǎng),對(duì)碳元素的損耗也就越大,鐵液對(duì)碳元素的吸收量也就越少。

        (3)溫度影響。在合成鑄鐵生產(chǎn)中,鐵液內(nèi)的氧元素會(huì)與硅元素和碳元素進(jìn)行反應(yīng),平衡溫度會(huì)因碳元素與硅元素含量的不同而改變,當(dāng)鐵液比平衡溫度高時(shí),則氧元素優(yōu)先會(huì)和碳元素反應(yīng),進(jìn)而生成一氧化碳與二氧化碳,此時(shí)碳元素在鐵液內(nèi)的氧化損耗速度會(huì)增加。由此可見,鐵液溫度比平衡溫度高時(shí),則鐵液對(duì)增碳劑的吸收率會(huì)下降,而鐵液溫度比平衡溫度低時(shí),則增碳劑中的碳所具有飽和溶解度會(huì)下降,相應(yīng)的其溶解擴(kuò)散速度也會(huì)降低,這也使鐵液對(duì)碳元素的收得率較低。只有增碳劑在平衡溫度時(shí)使用,才能使鐵液對(duì)增碳劑的吸收效率達(dá)到最高。

        (4)攪拌影響。對(duì)鐵液進(jìn)行攪拌有助于對(duì)增碳劑的吸收,當(dāng)增碳劑進(jìn)入到鐵液中但尚未完全溶解時(shí),對(duì)鐵液的攪拌時(shí)間越長(zhǎng),則鐵液對(duì)增碳劑的吸收率就越高。對(duì)鐵液進(jìn)行攪拌可以減少增碳劑的保溫時(shí)間,縮短合成鑄鐵的生產(chǎn)周期,防止合金元素在鐵液中被燒損。不過(guò),過(guò)長(zhǎng)的攪拌時(shí)間不僅會(huì)嚴(yán)重影響熔爐的使用壽命,而且還會(huì)加劇碳元素在鐵液內(nèi)的消耗,因此必須要確保增碳劑在被完全溶解時(shí)盡可能減少鐵液的攪拌時(shí)間。

        (5)鐵液成分影響。如果鐵液內(nèi)的碳元素初始含量比較高,則溶解極限一定時(shí),鐵液對(duì)增碳劑的吸收速度較慢,對(duì)合金元素的燒損較多,如果鐵液內(nèi)的碳元素初始含量較低,則鐵液對(duì)增碳劑的吸收恰恰與前者相反。并且,鐵液中含有的硫元素與硅元素會(huì)影響到碳元素的吸收,而錳元素則有助于鐵液對(duì)碳元素的吸收。從鐵液中硫、硅及錳這三種化學(xué)成分的影響程度來(lái)看,硅元素的影響程度最大,錳元素影響程度適中,硫元素的影響程度最小。因此,在合成鑄鐵生產(chǎn)過(guò)程中,需要先增加錳元素,再增加碳元素,最后再增加硅元素。

        4 合成鑄鐵的組織性能影響研究

        從合成鑄鐵的微觀組織結(jié)構(gòu)來(lái)看,當(dāng)增碳劑被投入到鐵液中時(shí),大量的碳元素會(huì)在鐵液內(nèi)彌散分布,由于碳元素是以非均質(zhì)結(jié)晶呈現(xiàn)出來(lái)的,因此會(huì)使鐵液的過(guò)冷度下降,從而加快鑄鐵對(duì)石墨組織的生成。此時(shí),考慮到合成鑄鐵沒(méi)有用生鐵或使用了少量生鐵,這也使生鐵在鐵液中產(chǎn)生的遺傳作用被大幅削弱,進(jìn)而使石墨在鐵液內(nèi)的分枝成長(zhǎng)性變低,從而使合成鑄鐵內(nèi)的石墨組織變得短小而均勻。由于合成鑄鐵生產(chǎn)需要使用大量的增碳劑,而增碳劑中氮含量過(guò)高極易造成鑄件氮?dú)饪兹毕?,適量的氮含量可以穩(wěn)定珠光體、促進(jìn)珠光體化,提高鑄件硬度和抗拉強(qiáng)度。但是,如果氮含量≥0.02%,就會(huì)在鑄件凝固后期從鐵液中析出,最終形成存在于枝晶間的皮下氣孔,嚴(yán)重降低和削弱了鑄件的機(jī)械組織性能,甚至可能造成鑄件在使用過(guò)程中的嚴(yán)重安全事故。在合成鑄鐵生產(chǎn)中,增碳劑的使用會(huì)大幅增加石墨晶核在鐵液中的數(shù)量,從而彌補(bǔ)石墨晶核數(shù)量少在電爐熔煉中所造成的不利影響。在CE相同時(shí),相比于普通的鑄鐵,采用合成鑄鐵生產(chǎn)的灰鑄鐵和球墨鑄鐵以及蠕墨鑄鐵在抗拉強(qiáng)度上要高出30MPa以上,其硬度要高出至少10HB,并且鑄件的硬度也比前者更均勻,更為重要的是,我們研究的是采用合成鑄鐵生產(chǎn)的鑄件,可以大幅度的減少和彌補(bǔ)因?yàn)殍T件結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理造成的鑄件縮松、縮孔類缺陷。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明,在利用電爐進(jìn)行鑄鐵熔煉生產(chǎn)時(shí),采取廢鋼與增碳劑相結(jié)合的方式,應(yīng)根據(jù)合成鑄鐵的種類來(lái)選擇合適的增碳劑,如生產(chǎn)球墨鑄鐵時(shí)應(yīng)選用含硫含量較低的增碳劑,以避免增碳劑帶入過(guò)多的硫量,造成鑄件球化不良和球化級(jí)別低下等鑄造缺陷,并嚴(yán)格按照合成鑄鐵的鑄件的技術(shù)要求和工藝方案來(lái)進(jìn)行鑄鐵件的生產(chǎn),使鑄鐵件的硬度和均勻性變得更高。

        5 結(jié)語(yǔ)

        廢鋼加增碳劑作為一項(xiàng)重要的鑄鐵工藝,探尋增碳劑選擇對(duì)合成鑄鐵組織性能的影響,將為該項(xiàng)工藝的改進(jìn)打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),從而有助于降低生產(chǎn)成本,提高鑄件的生產(chǎn)質(zhì)量。在選擇增碳劑時(shí),除了要考慮其熔煉方式以外,還要考慮回爐料的加入量、增碳劑的利用率與加入時(shí)間及鐵液過(guò)熱溫度等影響因素,只有這樣才能提高增碳劑的使用效率。

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