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            企業新聞

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        怎樣用廢鋼做高強度球墨鑄鐵?

        發布日期:2022-08-17 11:50:35 作者:admin 點擊:169

        怎樣用廢鋼做高強度球墨鑄鐵?

        碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司 2022-08-17 09:55 發表于寧夏

        圖片

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            如今合成鑄鐵并不是什么新鮮東西,在中頻電爐中大量利用廢鋼、鋼鐵屑、機雜鐵、回爐料和增碳劑等低值爐料通過電爐熔煉,配合直讀光譜儀在線檢測技術確定其化學成分來生產合成鑄鐵,這一鑄鐵生產方法對鑄造企業來說確實是不錯的選擇,而且由于廢鋼、鋼鐵屑等的大量使用,鑄造生產成本也相應降低,新生鐵等原材料價格一路瘋漲的勢頭得到了有效遏制,極大地緩解了企業的生存壓力。


        本文就利用中頻電爐合成高強度球墨鑄鐵方法結合本企業近幾年來的生產實踐談談認識。


        一、生產合成鑄鐵的主要原材料概況


        1、廢鋼相對來說就是廢舊的鋼鐵結構件、邊角余料,A3、45#、40Cr等普通的含CW≤1%、 SiW≤1%、MnW≤1%、低S、低P的材料;廢舊的壓力容器要通過解體,薄小的廢鋼料要打包,零散的或者是通過打包成塊的,要能直接加入到熔爐內,不能卡爐影響布料更不能殘存汽、液體引起爆炸;最好是不要生銹,能清除油污,國外介紹甚至要清除掉油漆和鍍層的。它可以在爐料中占比到50%以上,做到少用甚至不用新生鐵。


        2、鋼鐵屑:在機加工過程中鋼鐵件因加工去掉的屑,其中,鋼屑的化學成分與廢鋼相同,鐵屑因鑄鐵的材質是普通灰鑄鐵還是球墨鑄鐵而有所不同,其主要化學成分在CW2.5~4.0%之間,SiW1.5~3.5%之間,MnW0.3~2.0%之間;鋼鐵屑碎小零散,要裝袋或做成屑餅以方便司爐和節省能源,同樣要清除油污和切削液,最好不生銹;若散裝料將會在熔爐內占較大空間,一爐鐵水要多次在不同的狀態、不同的溫度下加料,特別是在爐料已融化、鐵水已生成時再加入的鐵屑料極易氧化發渣,影響熔煉過程正常進行,而即使是氧化嚴重的鐵屑,在熔爐內沒有鐵水出現的早期加入,也能正常熔煉;一般情況下鑄件的切削余量也即鐵屑量占比不過20%左右;


        3、機雜鐵:拆卸的報廢的機器設備鋼鐵零部件、機身、底座等,化學成分相對復雜,可能含有少量合金元素或非金屬雜質,一般情況下可清除其中的鋁、鋅、鉛、錫等輕質低熔點金屬和銅等有色金屬以及油污坭后再使用;生產時根據產品的要求其用量可以控制到20%左右,生產球墨鑄鐵時盡量少用或不用;

        4.回爐料:就是鑄造生產時產生的澆冒系統、飛邊、毛刺、鐵豆、鍋巴鐵以及廢品等,其化學成分可以方便掌握,但要除掉其表面的粘砂以及除銹后才能使用。它的占比在15~20%左右;


        5、增碳劑:應該說在合成鑄鐵的生產中增碳劑是一個比較關鍵的角色——熔煉過程中由于廢鋼量的加大,鐵水含碳低,必須采用非常手段進行增碳,由此用到了增碳劑;增碳劑——無論是其材料本身還是其使用方法都對生產合成鑄鐵起到至關重要的作用。


        5.1增碳劑中碳的存在形態

             本人使用過的增碳劑有柴炭粉、焦炭粉、煤粉、石墨電極粉、煤焦油、煅燒石油焦、石墨壓粒等,不過,不管是哪一種增碳劑,其實,起作用的只是增碳劑中的石墨碳。

        自然界中碳存在的普遍形式如表1


        不定型碳

        定型碳

        焦炭、煤、石油焦

        金剛石

        石墨

        比重(g/cm3

        1.98

        3.51

        2.3

        熔點(℃)

        3527~3547

        沸點(℃)

        4830

        △表1:碳在自然界中存在的普遍形式


        根據增碳劑中碳的晶體結構,增碳劑可分為晶體態(石墨增碳劑)和非晶體態(非石墨增碳劑)。


            石墨增碳劑主要有:高溫人造石墨;石墨電極、石墨電極邊角料及碎屑、天然石墨壓粒等;此外,碳化硅(SiC)因其具有和石墨相似的六方結構可以看著是具有特殊形態的石墨增碳劑;非石墨增碳劑主要有瀝青焦、煅燒石油焦、焦炭粉、煅燒無煙煤、柴炭等。生產上推薦使用晶體態的石墨增碳劑。


        5.2增碳劑的粒度

        增碳劑中的石墨熔點高達3527℃,在鐵水中是不可能熔化的,只能在增碳劑被鐵水完全浸潤后通過熔解和擴散進入鐵水中,在增碳劑與鐵水的界面上過飽和的碳以石墨的形式析出并熔入鐵水,在鐵水中形成碳原子集團和碳分子團,隨著時間的推移,石墨碳不斷的在鐵水中溶解、擴散形成增碳機制;所以,鐵水的增碳過程就是增碳劑在鐵水中不斷的溶解、擴散過程,當然還包括其氧化燒損過程;增碳劑的粒度大小不同溶解擴散和氧化燒損的速度也就不同。一般情況下,增碳劑的顆粒大溶解速度慢,燒損速度??;顆粒小,溶解快、燒損大;所以選擇增碳劑的粒度要根據熔煉爐的大小、容量決定。


        電爐容量(噸)

        ≤1

        1~3

        3~10

        增碳劑粒(㎜)

        0.5~2.5

        2.5~5

        5.0~20


         

        5.3影響增碳劑使用效果的幾個因素


        5.3.1增碳劑本身的質量

        如前所述,增碳劑是否晶體態的石墨形還是非晶體態的非石墨形,本身決定了石墨的形態,晶體態的石墨片層碳原子結合緊密,在鐵水中溶解擴散后形成石墨原子集團和分子團,結構穩定,與鐵水中的石墨形態相近,增碳效果明顯;非晶體態的增碳劑石墨本身不穩定,增碳效果差。


        5.3.2增碳劑在爐料中的分布

        由于增碳劑跟鑄鐵相比質量要輕而其又與鑄鐵一樣具有導磁性,其塊度在爐料中又最小,在鑄鐵熔化的初期,受電爐磁場的影響,很容易從爐內“逸出”既影響環境又影響增碳效果;所以,一般情況下布料時盡量把增碳劑放在熔爐的中下部位,上面再加其他爐料,使其一方面在爐料剛開始熔化送電時不能外逸,另一方面只要爐內開始化鐵時就能與鐵液接觸立即增碳;放在爐底的增碳劑還可以緩沖鐵料加入時對爐底的沖擊起到保護爐底爐襯的作用。如果是容量大的電爐可以分多次加入,便于增碳劑的溶解擴散和吸收。


        5.3.3鐵水的溫度

        增碳劑在鐵水中增碳的過程是其石墨在鐵水中溶解擴散被吸收的過程,所以增碳的過程也遵循有關擴散的理論,而且是非穩定態的擴散,即遵循所謂的“菲克第二定律”。

        圖片C——碳的濃度、D——擴散系數、t——時間、x、y、z——三維空間坐標,擴散系數與時間的關系:

        圖片D0——擴散常數、Q——擴散激活能、T——溫度,


        也就是說除碳的濃度外,溫度、時間、距離等都會影響增碳的效果。溫度低時沒有鐵水浸潤增碳劑,增碳劑不能溶解也沒有擴散;只有當溫度使鐵材料熔化超過了1148℃鐵液生成后,增碳劑才有可能完全浸泡在鐵水中形成增碳的充分條件,溫度再進一步升高后碳與氧發生氧化反應,增碳劑出現燒損卻不利于增碳。經驗是1420℃~1500℃時增碳效果最好。


        5.3.4熔煉操作方法

        除了把增碳劑置放在熔爐的中下部,讓鐵水充分浸潤等待增碳劑溶解擴散被吸收等,當鐵水溫度達到要求的溫度后應該有一個2~3分鐘的保溫增碳時間,不要立即扒渣出水,因為增碳劑總比鐵水輕,容易上浮在鐵水表面,這時候若立即扒渣就會將表面的增碳劑攪和在爐渣中和爐渣一起扒出,而浪費增碳劑,影響增碳劑的使用效果。


        二、合成球墨鑄鐵的熔煉工藝

        2.1爐料配比

        一般情況下,就鑄造廠本身而言,鑄件的澆注系統占鐵水的10%左右、綜合廢品率產生的廢品占鐵水10%左右、鑄件的加工余量占鑄件質量的15%~20%左右,這些組成了鑄造回爐料大概在30%~35%左右,這些回爐料的化學成分可以完全被生產者掌握;剩下的65%~70%的爐料可以完全用廢鋼,并且,可根據廢鋼、機雜鐵、生鐵的價格差異做出靈活地取舍,控制生產成本最低。


        2.2加料順序

        為了確保增碳效果又保護爐襯,一般生產合成鑄鐵時加料順序是:3~5%的散的鋼鐵屑先加入爐底墊底,60%左右的增碳劑隨后加入,然后加入其余的成塊的廢鋼、鋼鐵屑,再加剩下的增碳劑,最后加回爐料和硅鐵、錳鐵等合金材料,生產球墨鑄鐵時為了增加鐵水中的石墨碳集團和碳分子團需要特別加10%左右的新生鐵效果更好。


        2.3增碳劑的加入量

        除碳化硅(SiC)外,石墨增碳劑的碳含量都在90%以上,然而碳的吸收率受多方面因素的影響,一般只按70%左右計算,可以簡單理解為增碳劑中只有60%左右的石墨碳被完全吸收進鐵水中,這樣,按6:100的比例加入時基本可以達到生產球墨鑄鐵所要求的碳量。


        2.4化學成分的調整和最后確定

        通過廢鋼、回爐料、增碳劑等配制合成的鐵水是否符合生產要求,首先必須要經過檢驗,若不符合要求則必須調整以符合要求;因為爐料以廢鋼為主,鐵水中的五大元素都低于鐵的要求,增碳劑增加碳含量、硅鐵增加含硅量、錳鐵增加含錳量等,如此多的元素要馬上檢驗出來馬上抉擇才不至于影響生產進度,光電直讀光譜儀正好擔當此項工作,無論國產的還是進口的,滿足鑄造生產已是多多有余了。用光譜儀分析,兩分鐘內,就能得到準確結果,通過與目標成分對比,各元素可以精準地加強控制。碳高時繼續加廢鋼到熔爐內降碳,碳低時則繼續加增碳劑增碳;硅、錳含量也根據含量結果和鐵水總量分別用硅鐵、錳鐵調整。在鐵水化學成分達到要求后,Cw3.65%~3.80%、Siw1.8%~2.0%、Mnw0.3%~0.5%、Pw≤0.7%、Sw≤0.5%按照球化處理球墨鑄鐵生產的工藝生產出球墨鑄鐵。


        三、合成鑄鐵的生產成本

        生產合成鑄鐵的廢鋼量可以加到60%以上,即多用50%以上的廢鋼,以目前新生鐵與廢鋼的差價1000元/噸計算:可以節約成本500元/噸,增加100元/噸左右的增碳劑,最終降低成本400元/噸左右,如果新生鐵與廢鋼差價大,則節約成本更多,一個生產500噸/月鑄件的工廠,可以節約20萬/月,只要二、三個月時間即可節約一臺高級的光譜儀檢測設備。


        五、結束語

        在中頻電爐中,大量利用廢鋼、鋼鐵屑和增碳劑作為爐料,完全可以生產出合格的質量達到要求的QT600-3、QT700-3甚至QT800-3球墨鑄鐵產品,而且還可以降低生產成本產生巨大的經濟效益。

        圖片

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        資料來源:作者:高連國

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