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感應電爐熔煉增碳劑應用大有講究

  隨著環保要求的不斷提升,對資源消耗越來越重視,生鐵、焦炭價格不斷攀升,導致鑄件成本的增加,越來越多的鑄造廠家開始使用電爐熔煉,以替代傳統的沖天爐熔煉。2011年初,我廠中小件車間也采用了電爐熔煉工藝取代傳統的沖天爐熔煉工藝。電爐熔煉大量使用廢鋼既可以降低成本,又可以提高鑄件力學性能,但使用的增碳劑種類和增碳工藝起著很關鍵的作用。
  1.增碳劑的主要種類
  用作鑄鐵增碳劑的材料很多,常用的有人造石墨、煅燒石油焦、天然石墨、焦炭、無煙煤,以及用這類材料配成的混合料。
 。1)人造石墨 上述各種增碳劑中,品質最好的是人造石墨。制造人造石墨的主要原料是粉狀的優質煅燒石油焦,在其中加瀝青作為粘結劑,再加入少量其他輔料。各種原材料配合好后,將其壓制成形,然后在2500~3000℃、非氧化性氣氛中處理,使之石墨化。經高溫處理后,灰分、硫、氣體含量都大幅度減少。如果沒有經過高溫煅燒或煅燒溫度不足的石油焦,會嚴重影響增碳劑的品質,因此增碳劑質量的好壞,主要看其石墨化程度,好的增碳劑含石墨碳(質量分數)在95%~98%,硫含量在0.02%~0.05%,氮含量在(100~200)×10﹣6。
 。2)石油焦 是目前廣泛應用的增碳劑。石油焦是精煉原油得到的副產品,原油經常壓蒸餾或減壓蒸餾得到的渣油及石油瀝青,都可以作為制造石油焦的原料,再經焦化后就得到生石油焦,生石油焦中的雜質含量高,不能直接用作增碳劑,必須先經過煅燒處理。
 。3)天然石墨 可分為鱗片石墨和微晶石墨兩類。微晶石墨灰分含量高,一般不用作鑄鐵的增碳劑。鱗片石墨有很多品種:高碳鱗片石墨需用化學方法萃取,或加熱到高溫使其中的氧化物分解、揮發,這種鱗片石墨產量不多,價格高,一般也不作增碳劑;低碳鱗片石墨中的灰分含量高,不宜用作增碳劑。用作增碳劑的主要是中碳石墨,但用量也不多。
 。4)焦炭和無煙煤 感應電爐熔煉過程中,可以在裝料時配加焦炭或無煙煤作為增碳劑。由于其灰分和揮發分含量較高,感應電爐熔煉鑄鐵很少用作增碳劑,碳含量在80%~90%,硫含量在0.5%以上,氮含量在(500~4000)×10﹣6,這種增碳劑價格較低,屬于低檔次的增碳劑。
  2.鐵液增碳原理
  合成鑄鐵熔煉過程中,由于廢鋼加入量大,鐵液C含量低,必須采用增碳劑增碳。增碳劑中以單質形式存在的碳,熔化溫度為3727℃,在鐵液溫度下不能融化,因此,增碳劑中的碳主要通過溶解和擴散兩種方式溶于鐵液。當鐵液的石墨增碳劑含量在2.1%時,石墨可直接在鐵液中溶解直溶。而非石墨增碳的直溶現象基本不存在,只是隨著時間的推移,碳在鐵液中逐漸地擴散溶解。對于感應電爐熔煉鑄鐵的增碳,采用晶體石墨增碳的增碳速度顯著高于非石墨增碳劑。
  試驗表明,碳在鐵液中的溶解受到固體粒子表面液體邊界層的碳傳質的控制。用焦炭和煤顆粒所得的結果與用石墨所得的結果對比,發現石墨增碳劑在鐵液中的擴散溶解速度明顯快于焦炭和煤顆粒一類的增碳劑。用電子顯微鏡觀察部分溶解的焦炭和煤顆粒樣品,發現在樣品表面形成了一層很薄的粘性灰層,這是影響其在鐵液中擴散溶解性能的主要因素。
  3.影響增碳效果的因素
 。1)增碳劑粒度的影響 增碳劑吸收率的高低取決于增碳劑溶解擴散速度和氧化損耗速度的綜合作用。在一般情況下,增碳劑顆粒小,溶解速度快,損耗速度大;增碳劑顆粒大,溶解速度慢,損耗速度小。增碳劑粒度大小的選擇與爐膛直徑和容量有關。一般情況下,爐膛的直徑和容量大,增碳劑的粒度要大一些;反之,增碳劑的粒度要小一些。
 。2)增碳劑加入量的影響 在一定的溫度和化學成分相同的條件下,鐵液中碳的飽和濃度一定。在一定飽和度下,增碳劑加入量越多,溶解擴散所需時間就越長,相應損耗量就越大,吸收率就會降低。
 。3)溫度對增碳劑吸收率的影響 原則上鐵液溫度越高,越有利于增碳劑的吸收溶解,反之,增碳劑難以溶解,增碳劑吸收率降低。但是鐵液溫度過高時,增碳劑雖然更容易充分溶解,但是碳的燒損率會增加,最終導致碳含量降低,增碳劑總體吸收率降低。一般鐵液溫度在1460~1550℃時,增碳劑吸收效率最好。
 。4)鐵液攪拌對增碳劑吸收率的影響 攪拌有利于碳的溶解和擴散,避免增碳劑浮在鐵液表面而被燒損。在增碳劑未完全溶解前,攪拌時間長,吸收率高。攪拌還可以減少增碳保溫時間,使生產周期縮短,避免鐵液中合金元素燒損。但攪拌時間過長,不僅對爐子的使用壽命有很大影響,而且在增碳劑溶解后,攪拌會加劇鐵液中碳的損耗。因此,適宜的鐵液攪拌時間應以保證增碳劑完全溶解為適宜。
 。5)鐵液化學成分對增碳劑吸收率的影響 當鐵液中初始碳含量高時,在一定的溶解極限下,增碳劑的吸收速度慢,吸收量少,燒損相對較多,增碳劑吸收率低。當鐵液初始碳含量較低時,情況相反。另外,鐵液中硅和硫阻礙碳的吸收,降低增碳劑的吸收率;而錳元素有助于碳的吸收,提高增碳劑吸收率。就影響程度而言,硅最大,錳次之,碳、硫影響較小。因此,實際生產過程中,應先增錳,再增碳,后增硅。
  4.不同增碳劑對鑄鐵性能的影響
 。1)試驗條件 使用兩臺5t中頻無芯感應電爐熔煉,最大功率為3000kW,頻率為500Hz。按車間日常配料單(機體回爐料50%、生鐵20%、廢鋼30%)進行配料,使用一種低氮煅燒型增碳劑和一種石墨型增碳分別熔煉一爐鐵液,按工藝要求調整好化學成分后分別澆注一種缸體主軸承蓋。
  生產工藝:增碳劑在加料過程中分批次加入電爐進行熔煉,出鐵液過程加入0.4%一次孕育劑進行孕育(硅鋇孕育劑),澆注過程中加入0.1%二次隨流孕育劑(硅鋇孕育劑)。使用DISA2013造型線。
 。2)力學性能 為驗證兩種不同增碳劑對鑄鐵性能的影響,同時為了避免鐵液成分對結果的影響,將不同增碳劑熔煉的鐵液成分調整到基本一致。為了更充分驗證結果,試驗過程中除了兩爐鐵液分別澆注了一組?30mm試棒外,每爐鐵液澆注的鑄件還分別隨機挑取12件本體檢測布氏硬度(6件/箱,檢測兩箱)。
  從表2可以看,在成分幾乎相同的情況下,使用石墨型增碳劑生產的試棒強度明顯高于使用煅燒型增碳劑熔煉所澆注的試棒,且石墨型增碳劑生產的鑄件加工性能明顯優于使用煅燒型增碳劑生產的鑄件(該鑄件硬度過高時,加工時鑄件邊緣會出現蹦刀現象)。
 。3)石墨微觀組織 使用石墨型增碳劑的試樣的石墨形態均為A型石墨,且石墨數量較多、尺寸更加細小。
  從以上試驗結果得出如下結論:優質的石墨型增碳劑不僅可以提高鑄件的力學性能,改善金相組織,還可以改善鑄件的加工性能。
  結語
 。1)影響增碳劑吸收率的因素有增碳劑粒度、增碳劑加入量、增碳溫度、鐵液攪拌時間和鐵液的化學成分。
 。2)優質的石墨型增碳劑不僅可以提高鑄件的力學性能,改善金相組織,還可以改善鑄件的加工性能。因此,在感應電爐熔煉工藝生產缸體、缸蓋等關鍵產品時,建議使用優質石墨型增碳劑。
 


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