Ferrosilicium er en af de få tilføjelser, der forekommer i næsten ethvert jern- og stålstøberi, uanset hvilken legering, der hældes. Det er en jern-siliciumlegering, der normalt indeholder 45 % til 75 % silicium, og den udfører to ret forskellige opgaver: deoxidation af smeltet metal og inokulering af støbejern. At forstå, hvilket job der bliver bedt om det, og på hvilket siliciumniveau, er grundlaget for god støberipraksis.
Hvad Ferro Silicon gør i et støberi
Silicium har en høj affinitet for oxygen, hvilket gør ferrosilicium til et effektivt deoxidationsmiddel, og det har stor indflydelse på, hvordan kulstof opfører sig i støbejern, hvilket gør det til det standard grafitiserende podemiddel. Disse to effekter er grunden til, at ferrosilicium købes i forskellige kvaliteter og størrelsesfraktioner for forskellige punkter i smelte-, holde- og hældesekvensen.
Deoxidation af smeltet stål og jern før støbning, hvilket reducerer oxidindeslutninger og forbedrer renheden.
Podning af gråt og duktilt jern for at fremme gunstig grafitmorfologi og reducere kulde.
Legering af silicium i stål og i specialjern, hvor silicium hæver styrken ved temperatur og forbedrer de elektriske egenskaber.
Kontrol af kulstofækvivalenten gennem siliciumindholdet i jernet.
Deoxidation: Den første pligt
Når ferrosilicium tilsættes til en smelte, reagerer silicium med opløst oxygen og danner silica, som fjernes i slaggen eller som indeslutninger, der flyder ud. På massebasis kombineres et kilogram silicium med omkring 1,14 kg ilt, så tilsætningshastigheden følger direkte af varmens iltniveau. Tre praktiske konsekvenser følger:
| Effekt | Praktisk konsekvens |
|---|---|
| Silica kommer ind i slaggen | Slaggevolumen stiger og viskositeten stiger, så kalktilsætning og slaggekonditionering er normalt nødvendig |
| Silicium hæver kulstofækvivalenten | I støbejern, CE=C + Si/3 + P/3, så hver 1 % silicium virker som omkring en tredjedel af en procent kulstof |
| Reaktionen er eksoterm | Hæver badtemperaturen lidt, men tilsætningen skal fordeles godt for at undgå lokaliseret angreb på ildfaste materialer |
Ved stålfremstilling og stålstøbning tilsættes ferrosilicium normalt sent i processen, efter kulstofkogningen er afsluttet, så siliciumet ikke oxideres og går tabt. I jernstøberier kombineres deoxidation og podning ofte i en enkelt sen tilsætning, hvilket gør valg af kvalitet og dimensionering kritisk.
Podning og grafitnodulering
Den anden og mere specialiserede rolle er i støbejern. Et korrekt podet gråjern størkner med en fin, ensartet grafitstruktur og lav afkøling, hvorimod et upodet jern af samme sammensætning kan fryse med underkølet grafit, karbider og hårde kanter. Ferrosiliciumpodning virker ved at tilvejebringe adskillige kernedannelsessteder og ved lokalt at hæve siliciumkoncentrationen i størkningsøjeblikket, hvilket favoriserer grafitvækst frem for carbiddannelse.
I duktilt jern er rækkefølgen anderledes. Nodulisering udføres med en magnesiumbærende ferrosiliciumbehandlingslegering, typisk indeholdende 5 % til 10 % magnesium, hvorefter en endelig ferrosiliciumpodning påføres for at øge nodultallet og undertrykke de carbider, der indføres ved magnesiumbehandlingen. De to tilføjelser skal behandles som separate trin, fordi deres formål og deres ideelle karakterer er forskellige.
Podemidler leveres sædvanligvis i fine størrelser, sædvanligvis 0,2 til 1 mm eller 1 til 3 mm, for hurtigt at opløses i smeltestrømmen eller i øsen.
Typiske podningstilsætninger er omkring 0,2 % til 0,6 % af smeltemassen, justeret for hældetemperatur, holdetid og snittykkelse.
Podning falmer med tiden, så tilsætningen bør placeres så sent som muligt før hældning.
Typiske ferrosiliciumkvaliteter og deres anvendelser
| Grad | Siliciumindhold | Typisk brug |
|---|---|---|
| FeSi45 | 40 % til 47 % | Omkostnings-følsom deoxidation, legeringstilsætninger i lav-legeret støbestål |
| FeSi65 | 65 % til 70 % | Generel deoxidation og legering, gråjernspodning i større sektioner |
| FeSi70 | 70 % til 75 % | Podning af gråt jern, forfining af grafitmorfologi |
| FeSi72 | 72 % til 76 % | Duktilt jernpost-podning, legering i specialjern |
| FeSi75 | 74 % til 80 % | Nodulisering og podning af duktilt jern, applikationer med høj-styrke |
Kvaliteter er defineret i GB/T 2272 for siliciumindhold og urenhedsgrænser, i ISO 5445 for leveringsbetingelser og i ASTM A100 for standard ferrosilicium til stålfremstilling. Højere siliciumkvaliteter har mindre egenvægt pr. siliciumenhed, hvilket sænker fragt- og slaggevolumen, men de opløses også forskelligt og koster mere pr. ton, så det rigtige valg afhænger af, om smeltemetoden og specifikationen er opfyldt.
Håndtering, dimensionering og praktiske noter
Siliciumindhold over ca. 50 % gør legeringen gradvist mere skør, så fine størrelser genererer betydelige fine partikler under håndtering; afskærmede og støvfrie-fraktioner giver en mere reproducerbar genvinding.
Standard klumpstørrelser går fra 0 til 3 mm op til 100 mm, med støberipodestofkvaliteter leveret i den fine ende af området og bulk-deoxidation i den grove ende.
Ferrosilicium skal opbevares tørt. Fugtige pulverkvaliteter kan generere brint, når de reagerer med fugt, så ventilation og forseglet emballage betyder noget i lukkede rum.
Siliciumindholdet i det færdige jern eller stål skal kontrolleres efter behandling frem for at antages, da genvindingen varierer med tilsætningsmetode, temperatur og slaggeforhold.
Højrenhedskvaliteter anvendes, hvor aluminium- og calciumbidraget skal holdes lavt, f.eks. i speciallegeringer og i den silikotermiske reduktion af calcineret dolomit til magnesiumproduktion.
At vælge en enkelt ferrosiliciumkvalitet til hvert job er sjældent den billigste vej. Opdeling af specifikationen mellem en grov, økonomisk kvalitet til bulk deoxidation og en fin, nøje specificeret kvalitet til sen podning giver normalt bedre støbekvalitet for det samme totale siliciumforbrug.
FAQ
Q: Hvad gør ferrosilicium i støbeindustrien?
A: Det deoxiderer smeltet metal ved at kombinere med opløst oxygen, og det inokulerer støbejern ved at fremme gunstig grafitdannelse og reducere kulde og karbider.
Q: Hvad er forskellen mellem ferrosilicium, der bruges til deoxidation og til podning?
A: Legeringsfamilien er den samme, men kvaliteten og størrelsen er forskellig. Deoxidation bruger grove klumper af ethvert standard siliciumniveau, mens podning bruger fine, nøje specificerede kvaliteter, der opløses hurtigt i smeltestrømmen.
Q: Hvilken ferrosiliciumkvalitet bruges til duktilt jern?
A: Nodulisering bruger en magnesiumholdig ferrosiliciumbehandlingslegering, typisk med 5 % til 10 % magnesium, efterfulgt af en fin FeSi75 eller FeSi72 efter-podning for at øge nodultallet.
Q: Hvor meget hæver ferrosilicium kulstofækvivalenten af støbejern?
A: Kulstofækvivalenten beregnes som kulstof plus en tredjedel af silicium plus en tredjedel af fosfor, så 1 % silicium hæver kulstofækvivalenten med omkring 0,33 %.
Spørgsmål: Hvorfor skal podning tilsættes lige før hældning?
A: Dens virkning forsvinder med holdetiden, fordi de kerner, den giver, mister deres styrke i smelten. Tilføjelse af det sent eller ved at bruge en sen-stream-teknik giver den bedste struktur og den laveste kulde.
Q: Øger ferrosilicium slaggevolumen?
A: Ja. Silicaen dannet under deoxidation rapporterer til slaggen, hvilket øger både volumen og viskositet, så slaggekonditionering med kalk er normalt påkrævet for at holde processen funktionsdygtig.
Q: Hvilke standarder gælder for ferrosilicium?
A: GB/T 2272 definerer siliciumindhold og urenhedsgrænser, ISO 5445 dækker leveringsbetingelser, og ASTM A100 specificerer ferrosilicium til stålfremstilling.
