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    增碳劑及使用方法
     

    增碳劑的介紹

    一種含碳量很高的黑色或者灰色顆粒(或塊狀)的焦碳后續產物,加入到金屬冶煉爐里,提高鐵液里碳的含量,一方面可以降低鐵液里氧的含量,另一方面更重要的是提高冶煉金屬或者鑄件的力學性能。
          
    增碳劑的來源很多,形態各異,根據其加工工藝和成分等不同,價格差異很大。傳統的熔煉方式類似沖天爐熔煉:使用生鐵、回爐料、廢鋼、鐵合金等作為金屬爐料;新的合成鑄鐵生產工藝:使用廢鋼作爐料,利用增碳劑來調整鐵液的碳當量。后一種生產方式更容易保證優質鐵液,同時通過少用或者取代生鐵改用廢鋼大大降低成本。通俗的說,利用增碳劑,我們能用最差的(廢鋼)煉出最好的(鑄件)。
          
    國外增碳技術已經日趨成熟,國內此項新工藝近幾年才開始發展,業內很多人對增碳劑的品質和質量了解不夠深入,有些鑄造工作者選用增碳劑存在誤區。例如混淆增碳劑的固定碳含量和含碳量的含義,固定碳值是根據樣品的水分、揮發分、灰分、硫分計算得出的,而含碳量直接測碳儀便可以獲得。有些增碳劑的灰分高,含碳量也高,但是它的固定碳值一定不會太理想。還有些鑄造工作者片面的從增碳劑的固定碳含量和其物質性質便斷定其是否優質,其結果很可能誤入歧途,導致購入的增碳劑物不所值。
        
    一、增碳劑的選擇及其指標性能
         
    在冶煉過程中,由于配料或裝料不當以及脫碳過量等原因,有時造成鋼或鐵中碳含量沒有達到預期的要求,這時要向鋼或鐵液中增碳。通常用來增碳的主要物質有無煙煤粉、增碳生鐵、電極粉、石油焦粉、瀝青焦、木炭粉和焦炭粉。對增碳劑的要求是,固定碳含量越高越好,灰分、揮發分及硫等有害雜質含量越低越好,以免污染鋼。
         
    鑄件的冶煉使用含雜志很少的石油焦經過高溫培燒后的優質增碳劑,這是增碳工藝中最重要的環節。增碳劑質量好壞決定了鐵液質量的好壞,也決定了能否獲得好的石墨化效果。簡言之,減少鐵液收縮增碳劑起到舉足輕重的作用。
          
    全廢鋼電爐熔煉時,優先選用經過了石墨化處理的增碳劑,經過高溫石墨化處理的增碳劑,碳原子才能從原來的無序排列變成片狀排列,片狀石墨才能成為石墨形核的最好核心,以利促進石墨化。因此,我們應該要選用經過高溫石墨化處理的增碳劑。因為高溫石墨化處理時,硫分被生成SO2氣體逸出而降低。所以高品質的增碳劑含硫分很低, ws 一般小于0.05%,更好的ws)甚至小于0.03%。同時,這也是判斷是否經過高溫石墨化處理以及石墨化是否良好的一個間接指標。如果選用的增碳劑沒經過高溫石墨化處理,石墨的形核能力就大大降低,石墨化能力減弱,即使也能達到同樣的碳量,但結果完全不一樣。
           
    所謂增碳劑,就是要在加入后可以有效提高鐵液中碳的含量,所以增碳劑的固定碳含量一定不能太低,否則要達到一定的含碳量,就需要加入相比高碳的增碳劑更多的樣品,這樣無疑增加了增碳劑中其他不利元素的量,使鐵液不能獲得較好的收益。
          
    低的硫、氮、氫元素是防止鑄件產生氮氣孔的關鍵,這樣就要求增碳劑的含氮量越低越好。
          
    增碳劑的其他指標,諸如水分、灰分、揮發分的量越低的固定碳量就越高,所以高的固定碳量,這些有害成分的含量一定不會高。
         
    針對不同的熔煉方式、爐型以及熔煉爐的尺寸,選擇合適的增碳劑顆粒度也很重要,可以有效提高鐵液對增碳劑的吸收速度和吸收率,避免因過小的顆粒度而引起的增碳劑氧化燒損。其粒度最好為:100kg爐小于10mm,500kg爐小于15mm,1.5噸爐小于20mm,20噸爐小于30mm。轉爐冶煉中,高碳鋼種時,使用含雜質很少的增碳劑。對頂吹轉爐煉鋼用增碳劑的要求是固定碳要高,灰分,揮發分和硫,磷,氮等雜質含量要低,且干燥,干凈,粒度適中。其固定碳C96%,揮發分≤1.0%,S≤0.5%,水分≤0.5%,粒度在1-5mm。粒度太細容易燒損,太粗加入后浮在鋼液表面,不容易被鋼水吸收。針對感應電爐的顆粒度在0.2-6mm,其中鋼和其他黑色金屬顆粒度在1.4-9.5mm,高碳鋼要求低氮,顆粒度在0.5-5mm,等等具體需要根據具體的爐型冶煉工件的種類等等細節具體判斷和選用。
        
    二、加增碳劑熔煉新工藝對比傳統工藝
          
    生鐵中有許多粗大的過共晶石墨,這種粗大的石墨具有遺傳性,熔煉溫度低,粗大石墨不易被消除,粗大的石墨從液態遺傳到了固態鑄鐵組織中,一方面降低鑄鐵所能達到的強度,降低了材料的性能,另一方面使凝固過程中本來應該產生的石墨化析出的膨脹作用削弱,使鐵液凝固過程中的收縮傾向增大。
          
    在沖天爐熔煉時,盡量降低生鐵爐料的用量,使用增碳劑來保證高碳當量,相對提高廢鋼用量。這樣,在高溫熔煉的條件下,可以滲碳方式獲得活性好,石墨化作用更顯著的碳。在鑄件上反映出石墨的形態更好,從而有利于提高力學性能,減少收縮傾向,改善加工性能。
          
    電爐熔煉時,同樣通過低生鐵用量甚至零用量,以滲碳方式獲得優質鐵液。
          
    從材質性能上來說,過去那種大比例的生鐵用量做法,與同樣成分的高廢鋼用量相比,其力學性能也要低半個牌號。因此,加增碳劑熔煉的新工藝比傳統上那種大比例的生鐵用量相比無論從成本還是成品性能都要優越。
        
    三、增碳劑對熔煉的影響及使用
          
    同樣的化學成分,采用不同的熔煉工藝、不同配料和配料比,鐵液的冶金質量完全不同。獲得好的滲碳效果,電爐采用的是增碳技術,沖天爐采用的是高溫熔煉技術。增碳劑對熔煉的影響主要有三方面。
          1.
    鐵液增碳技術,在熔煉過程中特別是電爐熔煉,可以增加石墨晶核。沖天爐熔煉中加入碳化硅還能增加鐵液的長效石墨晶核,同時減少鐵液氧化。
          2.
    增碳是防止或減輕收縮傾向最好的措施。由于鐵液凝固過程中的具有石墨化膨脹的作用,因此良好的石墨化會減少鐵液的收縮傾向。
          3.
    在高的碳量條件下,為獲得高強度的灰鑄鐵鑄件,熔煉過程采用全廢鋼加增碳劑的工藝,使鐵液更加純凈,生產的鑄件材料性能高。
          
    熔煉要用不含油污的干凈料,避免產生漏電或浮渣過多的現象。某廠前幾爐因使用了油浸廢鐵屑,使線圈出現電火花,曾認為是爐襯料含鐵太高而產生漏電。其實是因為熔煉的鐵屑含有油污,容易出現碳沉積。碳積沉部位是在爐襯冷面,甚至沉積到隔熱層中,由于爐襯尚未充分燒結,CO滲入爐襯后部,發生COC+O2反應,生成C沉積在爐襯冷面或隔熱材料的氣孔中。當產生碳沉積時,會造成爐體接地漏電,造成線圈冒火花。改用純凈料即可避免。另外一個廠因為采購的廢鋼來源混亂,甚至表層涂附有油漆、石灰、煤等物質,造成浮渣多,在后期除渣工作消耗了大量的人力與物力。
          
    一般認為,鐵水溫度越高,作用時間越長,碳的吸收率越高。但實際正好相反,在感應電爐內是低溫增碳,高溫增硅,即在高溫時,非但不增碳,反而是降碳,這是因為:石墨碳主要損失于向爐外大氣的氣相擴散;鐵水中的氧化性與C-Si-O的平衡有關,鐵水中的CO不斷地被氧化為CO2,CO2又會被C還原,反應產生的CO,CO2氣體上浮溢出鐵水表面,使鐵水中的碳含量下降。反應速度與平衡溫度有關,而平衡溫度又隨著碳硅含量的不同而變化。對于球鐵原鐵水,平衡溫度大約為1450±20,灰鐵原鐵水約為1400±20。鐵水在平衡溫度以上碳的氧化變得劇烈。反應的結果使鐵水中的碳不斷地被氧化燒損,硅的燒損減少。這時在鐵水表面加入的增碳劑使鐵水中的增碳和降碳達到平衡。
          
    根據以上分析,下面是增碳劑在感應電爐內增碳的正確使用方法:
          1.
    使用5T以上的電爐,原料單一穩定,我們推薦分散加入法。根據含碳量的要求,按配料比,將增碳劑與金屬爐料隨各批料一同加入電爐中下部位,一層金屬爐料一層增碳劑,碳的吸收率可達90%-95%,增碳劑在熔化時不要打渣,否則易裹在廢渣里,影響碳的吸收;
          2.
    使用3T左右中頻感應電爐,原料單一穩定,我們推薦集中加入法。在爐內先熔化或剩余少量鐵水時,將需配加的增碳劑一次性加在鐵水表面,并立即加金屬爐料,將增碳劑全部壓入鐵水中,使增碳劑與鐵水充分接觸,吸收率在90%以上;
          3.
    使用小型中頻電爐,原料夾有生鐵等高碳物質的,我們推薦增碳劑微調。鋼/鐵水熔化后,調整碳分,可以加在鋼/鐵水表面,通過電爐熔煉時鋼(鐵)水的渦流攪拌或人工攪拌使本產品溶解吸收,碳的吸收率在93%左右。
          
    四、優質增碳劑具備的特性
          1.
    顆粒大小適中,孔隙度大,吸收速度快。
          2.
    化學成分純凈,高碳、低硫、有害成分極微,吸收率高。
          3.
    產品石墨晶體結構好,提高原鐵液的形核能力。在孕育中增加球墨鑄鐵的墨球數量,在電爐鐵液中增加石墨晶核。細化、均勻化石墨在鑄件中的分布。
          4.
    性能優異、穩定。
          
    選用合適的增碳劑有助于降低冶煉生產成本,提高冶煉金屬及鑄件的質量,讓冶煉金屬廠、鑄造廠受益。

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