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增碳剂在感应炉熔炼中的使用方法

随着环保要求的不断提升,对资源消耗越来越重视,生铁、焦炭价格不断爬升,导致铸件本钱的增加,越来越多的铸造厂家开始使用电炉熔炼,以替换传统的冲天炉熔炼。我厂中小件车间也采取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着落本钱,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,常常使用的有人造石墨、煅烧石油焦、焦炭、无烟煤,和用这类材料配成的混合料。
(1)人造石墨 上述各种增碳剂中,品质好的是人造石墨。制造人造石墨的主要原料是粉状的煅烧石油焦,在其中加沥青作为粘结剂,再加入少许其他辅料。各种原材料配合好后,将其压抑成形,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。如果没有经太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。
(2)石油焦 是目前广泛利用的增碳剂。石油焦是精炼原油得到的副产品,原油常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,先经过煅烧处理。
(3)焦炭和无烟煤 感应电炉熔炼进程中,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,这类增碳剂价格较低,属于低档次的增碳剂。
2.铁液增碳原理
合成铸铁熔炼进程中,由于废钢加入量大,铁液C含量低,采取增碳剂增碳。增碳剂中以单质情势存在的碳,融化温度为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分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,碳在铁液中逐渐地分散溶解。对感应电炉熔炼铸铁的增碳,采取晶体石墨增碳的增碳速度显著高于非石墨增碳剂。
实验表明,碳在铁液中的溶解遭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照,发现石墨增碳剂在铁液中的分散溶解速度明显快于焦炭和煤颗粒1类的增碳剂。用电子显微镜视察部份溶解的焦炭和煤颗粒样品,发现在样品表面构成了1层很薄的粘性灰层,这是影响其在铁液中分散溶解性能的主要因素。
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分散速度和氧化消耗速度的综合作用。在1般情况下,增碳剂颗粒小,溶解速度快,消耗速度大;增碳剂颗粒大,溶解速度慢,消耗速度小。增碳剂粒度大小的选择与炉膛直径和容量有关。1般情况下,炉膛的直径和容量大,增碳剂的粒度要大1些;反之,增碳剂的粒度要小1些。
(2)增碳剂加入量的影响 在温度和化学成份相同的条件下,铁液中碳的饱和浓度。在饱和度下,增碳剂加入量越多,溶解分散所需时间就越长,相应消耗量就越大,吸收率就会着落。
(3)温度对增碳剂吸收率的影响 原则上铁液温度越高,越有益于增碳剂的吸收溶解,反之,增碳剂难以溶解,增碳剂吸收率着落。但是铁液温度太高时,增碳剂虽然更容易充分溶解,但是碳的烧损率会增加,导致碳含量着落,增碳剂整体吸收率着落。1般铁液温度在1460~1550℃时,增碳剂吸收效率好。
(4)铁液搅拌对增碳剂吸收率的影响 搅拌有益于碳的溶解和分散,避免增碳剂浮在铁液表面而被烧损。在增碳剂未溶解前,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。但搅拌时间太长,不但对炉子的使用寿命有很大影响,而且在增碳剂溶解后,搅拌会加重铁液中碳的消耗。因此,合适的铁液搅拌时间应以保证增碳剂溶解为合适。
(5)铁液化学成份对增碳剂吸收率的影响 当铁液中初始碳含量高时,在溶解下,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,着落增碳剂的吸收率;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,硅大,锰次之,碳、硫影响较小。因此,实际生产进程中,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)实验条件 
使用两台5t中频无芯感应电炉熔炼,功率为3000kW,频率为500Hz。按车间平常配料单(机体回炉料50%、生铁20%、废钢30%)进行配料,使用1种低氮煅烧型增碳剂和1种石墨型增碳分别熔炼1炉铁液,按工艺要求调解好化学成份后分别浇注1种缸体主轴承盖。
生产工艺:增碳剂在加料进程中分批次加入电炉进行熔炼,出铁液进程加入0.4%1次孕育剂进行孕育(硅钡孕育剂),浇注进程中加入0.1%2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,同时为了不铁液成份对结果的影响,将不同增碳剂熔炼的铁液成份调解到基本1致。为了更充分验证结果,实验进程中除两炉铁液分别浇注了1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)。
在成份几近相同的情况下,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(该铸件硬度太高时,加工时铸件边沿会出现蹦刀现象)。
(3)石墨微观组织 
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。
石墨型增碳剂不但可以提高铸件的力学性能,改进金相组织,还可以改进铸件的加工性能。

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