I. Definizione del materiale e sistema di composizione del ghisa
Il ghisa è una lega di ferro con carbonio con un contenuto di carbonio che va dal 2,11% al 4,3%. Oltre al ferro (FE), la sua composizione chimica comprende principalmente elementi come carbonio (C), silicio (SI), manganese (MN), fosforo (P) e zolfo. Secondo la morfologia dei scenari di grafite e applicazione, il ghisa può essere classificato in:
Gassa in acciaio: con un contenuto di silicio <1,75%, esiste il carbonio sotto forma di cementite (Fe₃C) e la superficie della frattura è bianca d'argento. È utilizzato principalmente come materia prima per il convertitore in acciaio.
FODDTRY PIT IHA: con un contenuto di silicio dell'1,25%-3,6%, il carbonio esiste principalmente sotto forma di grafite e la superficie della frattura è grigia. È adatto per la produzione di casting.
Ferro duttile: attraverso il trattamento con sferoidizzazione, la grafite presenta una forma sferica, con proprietà meccaniche superiori alla ghisa ordinaria e un tasso di allungamento del 2%-20%.
Ii. Caratteristiche di base e dati teorici del punto di fusione del ghiola
(A) intervallo di punti di fusione e reazione eutettica
Il punto di fusione del ferro puro è di 1.538 ° C, mentre quello del ghisa è significativamente più basso a causa dei suoi elementi di carbonio e lega. Le sue caratteristiche del punto di fusione sono le seguenti:
Range di fusione: il punto di fusione del ghisa varia in genere da 1.148 ° C a 1.250 ° C, specificamente determinato dal contenuto di carbonio e dalla composizione in lega.
Punto eutettico: quando il contenuto di carbonio è del 4,3%, il ghisa subisce una reazione eutettica (L → γ+Fe₃c) a 1.148 ° C, formando una struttura di ledeburiti.
Confronto con l'acciaio: l'acciaio ha un contenuto di carbonio <2,11%e il suo punto di fusione diminuisce da 1.538 ° C a circa 1.300 ° C all'aumentare del contenuto di carbonio, che è significativamente superiore a quello del ghisa.
(B) Dati del punto di fusione delle composizioni tipiche
| Tipo di materiale | Contenuto di carbonio (%) | Punto di fusione (° C) | Caratteristiche principali |
|---|
| Ferro puro | 0 | 1,538 | Reticolo cubico incentrato sul viso, eccellente plasticità |
| Acciaio a basso contenuto di carbonio | 0.1 | 1,510 | Buona saldabilità, bassa resistenza |
| Ghisa eutettica | 4.3 | 1,148 | Il liquido si cristallizza direttamente in Ledeburite |
| Ghisa grigia | 3.0–3.5 | 1,180–1,220 | Grafite in forma di fiocco, eccellente assorbimento di urtiN |
Iii. Fattori chiave che influenzano il punto di fusione del ghisa e i loro meccanismi
(A) Ruolo dominante del contenuto di carbonio
Il carbonio è l'elemento centrale che colpisce il punto di fusione della ghisa e il suo effetto segue una legge lineare approssimativa:
Relazione quantitativa: per ogni aumento dello 0,1% del contenuto di carbonio, il punto di fusione diminuisce di circa 13 ° C.
Analisi del meccanismo: il carbonio forma soluzioni solide interstiziali o cementite nel ferro, interrompendo la disposizione regolare degli atomi di ferro e indebolendo l'energia del legame metallico, abbassando così il punto di fusione.
(B) Effetti sinergici degli elementi legati
Silicon (Si):
Effetto: per ogni aumento dell'1% del contenuto di silicio, il punto di fusione aumenta di circa 30 ° C.
Meccanismo: Si forma soluzioni solide sostitutive con Fe, aumentando la distorsione reticolare e miglioramento della forza di legame interatomico.
Manganese (MN):
Effetto: l'impatto sul punto di fusione è debole e un aumento del contenuto di manganese riduce leggermente il punto di fusione.
Effetto collaterale: MN reagisce con S per formare MN a punto di fusione elevato (1.600 ° C), mitigando il pericolo di cortolanza calda dello zolfo.
Fosforo (p):
Effetto: per ogni aumento dello 0,1% del contenuto di fosforo, il punto di fusione diminuisce di circa 5 ° C.
Rischio: il fosforo si segrega ai confini del grano per formare fasi eutettiche a basso punto di fusione (Fe₃p-Fe), esacerbando la fragilità fredda.
Zolfo (s):
Pericolo: lo zolfo forma Fes-Fe eutettico (punto di fusione 985 ° C) con ferro, causando cracking del pezzo durante il lavoro a caldo (fenomeno a breve termine).
Standard di controllo: il contenuto di zolfo nella ghisa industriale è in genere <0,05%.
IV. Applicazioni del punto di fusione del ghisa nella produzione industriale
(A) Controllo della temperatura nei processi di fusione
Impostazione della temperatura di fusione:
La temperatura di fusione della ghisa grigia è generalmente 1.350-1.450 ° C (150–250 ° C superiore al punto di fusione) per garantire la fluidità del ferro fuso.
A causa della necessità di un trattamento con sferoidizzazione, la temperatura di fusione del ferro duttile dovrebbe essere aumentata a 1.400-1.500 ° C per prevenire l'ossidazione prematura degli agenti sferoidizzanti.
Casi di applicazione tipici:
Casting del letto di macchine utensili: utilizzando ghisa grigia con basso punto di fusione e buona fluidità, viene adottato il processo di fusione della sabbia e la temperatura di versamento è controllata a 1.380–1.420 ° C.
Viene selezionato dischi freno per automobili: la ghisa di grafite vermicolare, con un punto di fusione di circa 1.200 ° C e una temperatura di versamento di 1.350 ° C per garantire la resistenza all'usura e la dissipazione del calore.
(B) base termodinamica dei processi di produzione di acciaio
BLAST FORNACE IRMAKING:
La temperatura del focolare deve essere mantenuta a 1.400-1.500 ° C per sciogliere il ghisa (punto di fusione 1,148-1.250 ° C) e separarla dalle scorie.
Il punto di fusione delle scorie è controllato a 1.300-1.400 ° C e la separazione in ferro di scorie è ottenuta regolando il rapporto CAO/SIO₂ (basicità).
Convertitore in acciaio:
La temperatura di soffiaggio deve raggiungere 1.600–1.650 ° C per ossidare il carbonio nella ghisa (C+O₂ → CO), riducendo il contenuto di carbonio al di sotto del 2,11%.
La temperatura del punto finale viene monitorata in tempo reale dalle termocoppie, con un controllo degli errori di ± 10 ° C.
V. Metodi e standard di misurazione sperimentale per il punto di fusione della ghisa
(A) Analisi termica (GB/T 4336-2016)
Principio: determinare la temperatura di transizione di fase registrando il punto di flesso della temperatura nella curva di raffreddamento del campione.
Attrezzatura: forno di resistenza (precisione del controllo della temperatura ± 5 ° C), sistema di acquisizione dei dati.
Procedura: riscaldare il campione a 1.600 ° C a 10 ° C/min, tenere per 30 minuti, quindi raffreddare con il forno e tracciare la curva del tempo di temperatura. Il punto di flessione è l'intervallo di fusione.
(B) calorimetria a scansione differenziale (DSC, ASTM E793-19)
Precisione: può essere accurato a ± 1 ° C, in grado di rilevare effetti termici minori.
Applicazione: il test DSC di una ghisa grigia (c 3,2%, SI 1,8%) mostra che la sua temperatura di fusione iniziale è di 1.182 ° C, la temperatura di fusione completa è di 1.235 ° C e l'entalpia di fusione è di 210 J/g.
Vi. Frontiers di ricerca e sviluppi tecnologici del punto di fusione del ghiola
(A) Sviluppo di nuovi materiali
Gassa in ghisa a bassa temperatura: aggiungendo elementi come BI e SN, il punto di fusione è ridotto a meno di 1.100 ° C per i substrati di imballaggio di microelettronica.
Ghisa resistente all'usura ad alta temperatura: l'aggiunta di CR (12%–15%) e Ni (3%–5%) aumenta il punto di fusione a 1.300 ° C, adatto per fodere in forno di cemento.
(B) tecnologia di simulazione numerica
Utilizzando il software THERMO-CALC per stabilire un modello di diagramma di fase quinario Fe-Si-MN-P-S, è possibile prevedere il punto di fusione e il percorso di solidificazione delle diverse composizioni. Per esempio:
Il punto di fusione simulato di una composizione del ghisa (C 3,5%, SI 2,0%, Mn 0,8%, p 0,1%, S 0,03%) è di 1.205 ° C, con un errore <0,3%rispetto al valore sperimentale (1.208 ° C).
Vii. Risorse di riferimento autorevoli
Metallurgia di ferro e acciaio (Zhu Yingxiong, 2018): espone sistematicamente la relazione termodinamica tra composizione del ghisa e punto di fusione.
American Society for Testing and Materials (ASTM) Standard: ASTM A48-18 Specifiche standard per getti di ferro grigio.
Entrata "ghiola di ghisa" di Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/pig_iron (Accesso al 2 luglio 2025).
Come parametro fondamentale delle proprietà termodinamiche del materiale, il controllo preciso del punto di fusione della ghisa scorre attraverso l'intero processo dalla fusione del minerale ai prodotti finali. Il raggiungimento della corrispondenza sinergica tra il punto di fusione e le proprietà attraverso la progettazione della composizione e l'ottimizzazione del processo rimane un obiettivo di ricerca nel campo dei materiali di ferro e acciaio.
