التحليل المهني لنقطة ذوبان الحديد الخنزير

1. تعريف المواد ونظام تكوين الحديد الخنزير

Pig Iron عبارة عن سبيكة كربون حديدية مع محتوى الكربون يتراوح من 2.11 ٪ إلى 4.3 ٪. بالإضافة إلى الحديد (Fe) ، يشمل تركيبه الكيميائي بشكل أساسي عناصر مثل الكربون (C) ، والسيليكون (SI) ، والمنغنيز (MN) ، والفوسفور (P) ، والكبريت (S). وفقًا لمورفولوجيا سيناريوهات الجرافيت وسيناريوهات التطبيق ، يمكن تصنيف حديد الخنزير إلى:

• حديد الخنزير الصلب: مع محتوى السيليكون <1.75 ٪ ، يوجد الكربون في شكل الأسمنت (Fe₃c) ، وسطح الكسر هو الفضة البيضاء. يتم استخدامه بشكل أساسي كمواد خام لصناعة الصلب المحول.

• مسبك خنزير الحديد: مع محتوى السيليكون بنسبة 1.25 ٪ - 3.6 ٪ ، يوجد في الغالب الكربون في شكل الجرافيت ، وسطح الكسر رمادي. انها مناسبة لإنتاج الإنتاج.

• الحديد الدكتايل: من خلال معالجة الكروية ، يعرض الجرافيت شكلًا كرويًا ، مع خصائص ميكانيكية متفوقة على الحديد الزهر العادي ومعدل استطالة قدره 2 ٪ -20 ٪.

الثاني. الخصائص الأساسية والبيانات النظرية لنقطة ذوبان الحديد الخنزير

(أ) نطاق نقاط الانصهار ورد الفعل الناقص

تبلغ نقطة انصهار الحديد النقي 1538 درجة مئوية ، في حين أن تلك الموجودة في حديد الخنزير أقل بكثير بسبب عناصرها الكربونية والسبائك. خصائص نقطة الانصهار هي كما يلي:

• نطاق الانصهار: تتراوح نقطة انصهار حديد الخنزير عادةً من 1،148 درجة مئوية إلى 1،250 درجة مئوية ، تحددها محتوى الكربون وتكوين السبائك على وجه التحديد.

• نقطة انصهار: عندما يكون محتوى الكربون 4.3 ٪ ، يخضع الحديد الخنزير لتفاعل الانصهار (L → γ+FE₃C) عند 1،148 درجة مئوية ، مما يشكل بنية Ledeburite.

• مقارنة مع الصلب: يحتوي الصلب على محتوى كربون أقل من 2.11 ٪ ، وتنخفض نقطة الانصهار من 1،538 درجة مئوية إلى حوالي 1300 درجة مئوية مع زيادة محتوى الكربون ، وهو أعلى بكثير من تلك الموجودة في حديد الخنزير.

(ب) بيانات نقطة الانصهار من التركيبات النموذجية

ثالثا. العوامل الرئيسية التي تؤثر على نقطة انصهار حديد الخنزير وآلياتها

(أ) الدور المهيمن لمحتوى الكربون

الكربون هو العنصر الأساسي الذي يؤثر على نقطة انصهار حديد الخنزير ، ويتبع تأثيره قانونًا خطيًا تقريبيًا:

• العلاقة الكمية: لكل زيادة بنسبة 0.1 ٪ في محتوى الكربون ، تنخفض نقطة الانصهار بحوالي 13 درجة مئوية.

• تحليل الآلية: يشكل الكربون محاليل صلبة خلالية أو أسمنت في الحديد ، مما يعطل الترتيب المنتظم لذرات الحديد وإضعاف طاقة الرابطة المعدنية ، وبالتالي خفض نقطة الانصهار.

(ب) الآثار التآزرية لعناصر صناعة السبائك

1. السيليكون (نعم):

• التأثير: لكل زيادة بنسبة 1 ٪ في محتوى السيليكون ، تزداد نقطة الانصهار بحوالي 30 درجة مئوية.

• الآلية: تشكل SI حلولًا صلبة بديلة مع FE ، مما يزيد من تشويه الشبكة وتعزيز قوة الترابط بين الدوران.

• التأثير: التأثير على نقطة الانصهار ضعيف ، وزيادة في محتوى المنغنيز يقلل قليلاً من نقطة الانصهار.

• التأثير الجانبي: يتفاعل MN مع S لتشكيل MNs عالية النقطة (1600 درجة مئوية) ، مما يخفف من خطر الضيق الساخن للكبريت.

• التأثير: لكل زيادة بنسبة 0.1 ٪ في محتوى الفسفور ، تنخفض نقطة الانصهار بمقدار 5 درجات مئوية تقريبًا.

• المخاطر: الفوسفور يعزل الحدود في حدود الحبوب لتشكيل مراحل انصهار منخفضة النقطة (FE₃P-FE) ، مما يؤدي إلى تفاقم هشاشة البرد.

• الخطر: يشكل الكبريت FES-FE (نقطة الانصهار 985 درجة مئوية) مع الحديد ، مما تسبب في تكسير الشغل أثناء العمل الساخن (ظاهرة القصور الساخن).

• معيار التحكم: محتوى الكبريت في مكواة الخنزير الصناعية عادة ما يكون <0.05 ٪.

رابعا. تطبيقات نقطة انصهار حديد الخنزير في الإنتاج الصناعي

(أ) التحكم في درجة الحرارة في عمليات الصب

1. إعداد درجة حرارة الذوبان:

• تكون درجة حرارة انصهار الحديد الزهر الرمادي عمومًا 1،350-1،450 درجة مئوية (150-250 درجة مئوية أعلى من نقطة الانصهار) لضمان سيولة الحديد المنصهرة.

• بسبب الحاجة إلى علاج كروي ، يجب زيادة درجة حرارة ذوبان الحديد الدكتلي إلى 1400-1500 درجة مئوية لمنع الأكسدة المبكرة للعوامل الشبهية.

• صب سرير الأدوات الآلي: استخدام الحديد الزهر الرمادي مع نقطة انصهار منخفضة وسيولة جيدة ، يتم اعتماد عملية صب الرمل ، ويتم التحكم في درجة حرارة صب عند 1،380-1،420 درجة مئوية.

• أقراص فرامل السيارات: يتم تحديد الحديد الزهر للجرافيت الزراعي ، مع نقطة انصهار تبلغ حوالي 1200 درجة مئوية ودرجة حرارة صب تبلغ 1350 درجة مئوية لضمان مقاومة التآكل وتبديد الحرارة.

(ب) الأساس الديناميكي الحراري لعمليات صناعة الصلب

1. تصوير فرن الحديد:

• يجب الحفاظ على درجة حرارة الموقد عند 1400-1500 درجة مئوية لإذابة الحديد الخنزير (نقطة الانصهار 1،148-1،250 درجة مئوية) وفصلها عن الخبث.

• يتم التحكم في نقطة انصهار الخبث عند 1،300-1400 درجة مئوية ، ويتم تحقيق فصل الحديد الخبث عن طريق ضبط نسبة CAO/SIO₂ (الأساسيات).

• يجب أن تصل درجة حرارة النفخ إلى 1،600-1،650 درجة مئوية لأكسدة الكربون في الحديد الخنزير (C+O₂ → CO) ، مما يقلل من محتوى الكربون إلى أقل من 2.11 ٪.

• تتم مراقبة درجة حرارة نقطة النهاية في الوقت الفعلي بواسطة المزدوجات الحرارية ، مع التحكم في الخطأ ± 10 درجة مئوية.

  
  

خامسًا. طرق القياس التجريبية ومعاييرها لنقطة ذوبان الحديد الخنزير

(أ) التحليل الحراري (GB/T 4336-2016)

1. المبدأ: حدد درجة حرارة انتقال الطور عن طريق تسجيل نقطة انعطاف درجة الحرارة في منحنى التبريد للعينة.

2. المعدات: فرن المقاومة (دقة التحكم في درجة الحرارة ± 5 درجة مئوية) ، نظام الحصول على البيانات.

3. الإجراء: تسخين العينة إلى 1600 درجة مئوية عند 10 درجة مئوية/دقيقة ، امسك لمدة 30 دقيقة ، ثم تبرد مع الفرن ، ورسم منحنى وقت درجة الحرارة. نقطة الانعكاس هي نطاق الانصهار.

(ب) القياس المسحور التفاضلي (DSC ، ASTM E793-19)

1. الدقة: يمكن أن تكون دقيقة إلى ± 1 درجة مئوية ، قادرة على اكتشاف التأثيرات الحرارية البسيطة.

2. التطبيق: يوضح اختبار DSC للحديد الزهر الرمادي (C 3.2 ٪ ، SI 1.8 ٪) أن درجة حرارة الانصهار الأولية هي 1،182 درجة مئوية ، ودرجة حرارة الانصهار الكاملة هي 1،235 درجة مئوية ، وأن المحتوى الحراري الذوبان هو 210 J/G.

السادس. الحدود البحثي والتطورات التكنولوجية لنقطة ذوبان الحديد الخنزير

(أ) تطوير مواد جديدة

1. منخفضة درجة الحرارة الحديد الخنزير: عن طريق إضافة عناصر مثل BI و SN ، يتم تقليل نقطة الانصهار إلى أقل من 1100 درجة مئوية لركائز التغليف الإلكترونيات الدقيقة.

2. الحديد الزهر المقاوم للارتداء في درجات الحرارة العالية: إضافة CR (12 ٪-15 ٪) و NI (3 ٪-5 ٪) يزيد من نقطة الانصهار إلى 1300 درجة مئوية ، مناسبة لبطانات الفرن الأسمنتية.

(ب) تكنولوجيا المحاكاة العددية

باستخدام برنامج Thermo-Calc لإنشاء نموذج مخطط الطور Quinary Fe-C-Si-Mn-P-S ، يمكن التنبؤ بنقطة الانصهار ومسار التصلب لمؤلفات مختلفة. على سبيل المثال:

• نقطة الانصهار المحاكاة لتكوين حديدي الخنزير (C 3.5 ٪ ، SI 2.0 ٪ ، MN 0.8 ٪ ، P 0.1 ٪ ، S 0.03 ٪) هي 1،205 درجة مئوية ، مع خطأ <0.3 ٪ مقارنة بالقيمة التجريبية (1،208 درجة مئوية).

السابع. موارد مرجعية موثوقة

1. معادن الحديد والصلب (Zhu Yingxiong ، 2018): يوضح بشكل منهجي العلاقة الديناميكية الحرارية بين تكوين الحديد الخنزير ونقطة الانصهار.

2. الجمعية الأمريكية للاختبار والمواد (ASTM) المعيار: المواصفات القياسية ASTM A48-18 لعلاج الحديد الرمادي.

3. دخول ويكيبيديا "الخنزير الحديد": https://en.wikipedia.org/wiki/pig_iron (تم الوصول إليه في 2 يوليو 2025).

كمعلمة أساسية للخصائص الديناميكية الحرارية للمواد ، يمتد التحكم الدقيق لنقطة انصهار حديد الخنزير عبر العملية بأكملها من صهر الخام إلى المنتجات النهائية. لا يزال تحقيق المطابقة التآزرية بين نقطة الانصهار والخصائص من خلال تصميم التكوين وتحسين العملية محورًا للبحث في مجال المواد الحديد والصلب.