การวิเคราะห์ระดับมืออาชีพของจุดหลอมเหลวเหล็ก

I. คำจำกัดความของวัสดุและระบบองค์ประกอบของเหล็กหมู

หมูเหล็กเป็นโลหะผสมคาร์บอนเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนตั้งแต่ 2.11% ถึง 4.3% นอกเหนือจากเหล็ก (FE) องค์ประกอบทางเคมีส่วนใหญ่ยังรวมถึงองค์ประกอบต่าง ๆ เช่นคาร์บอน (C), ซิลิกอน (SI), แมงกานีส (MN), ฟอสฟอรัส (P) และซัลเฟอร์ (S) ตามสัณฐานวิทยาของสถานการณ์กราไฟท์และแอปพลิเคชัน Iron Iron สามารถจำแนกได้เป็น:

• เหล็กกล้าเหล็กเหล็ก: มีปริมาณซิลิกอน <1.75%คาร์บอนมีอยู่ในรูปแบบของซีเมนต์ (Fe₃c) และพื้นผิวที่แตกหักเป็นสีเงินสีขาว ส่วนใหญ่จะใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับการแปลงเหล็ก

• Foundry Pig Iron: มีปริมาณซิลิกอน 1.25%–3.6%คาร์บอนส่วนใหญ่มีอยู่ในรูปของกราไฟท์และพื้นผิวที่แตกหักเป็นสีเทา เหมาะสำหรับการคัดเลือกนักแสดง

• เหล็กดัด: ผ่านการรักษาแบบ shheroidization กราไฟท์แสดงรูปร่างทรงกลมที่มีคุณสมบัติเชิงกลเหนือกว่าเหล็กหล่อธรรมดาและอัตราการยืดตัว 2%–20%

ii. ลักษณะพื้นฐานและข้อมูลเชิงทฤษฎีของจุดหลอมเหลวของเหล็กหมู

(a) ช่วงจุดหลอมเหลวและปฏิกิริยายูเทคติก

จุดหลอมเหลวของเหล็กบริสุทธิ์คือ 1,538 ° C ในขณะที่เหล็กหมูต่ำลงอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากองค์ประกอบคาร์บอนและโลหะผสม ลักษณะจุดหลอมละลายของมันมีดังนี้:

• ช่วงการหลอมละลาย: จุดหลอมเหลวของเหล็กหมูมักจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 1,148 ° C ถึง 1,250 ° C ซึ่งพิจารณาจากปริมาณคาร์บอนและองค์ประกอบโลหะผสมโดยเฉพาะ

• Eutectic Point: เมื่อปริมาณคาร์บอนอยู่ที่ 4.3%เหล็กหมูจะผ่านปฏิกิริยายูเทคติก (L →γ+Fe₃c) ที่ 1,148 ° C สร้างโครงสร้าง Ledeburite

• การเปรียบเทียบกับเหล็ก: เหล็กมีปริมาณคาร์บอน <2.11%และจุดหลอมเหลวลดลงจาก 1,538 ° C เป็นประมาณ 1,300 ° C เมื่อปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้นซึ่งสูงกว่าเหล็กหมูอย่างมีนัยสำคัญ

(b) ข้อมูลจุดหลอมเหลวขององค์ประกอบทั่วไป

iii. ปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อจุดหลอมเหลวของเหล็กหมูและกลไกของพวกเขา

(a) บทบาทที่โดดเด่นของเนื้อหาคาร์บอน

คาร์บอนเป็นองค์ประกอบหลักที่มีผลต่อจุดหลอมเหลวของเหล็กหมูและผลกระทบตามกฎหมายเชิงเส้นโดยประมาณ:

• ความสัมพันธ์เชิงปริมาณ: สำหรับปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น 0.1% จุดหลอมเหลวลดลงประมาณ 13 ° C

• การวิเคราะห์กลไก: คาร์บอนก่อให้เกิดการแก้ปัญหาที่เป็นของแข็งคริสตจักรหรือซีเมนต์ในเหล็กรบกวนการจัดเรียงของอะตอมเหล็กปกติและพลังงานพันธะโลหะที่อ่อนลงซึ่งจะช่วยลดจุดหลอมเหลว

(b) ผลเสริมฤทธิ์กันขององค์ประกอบการผสม

1. ซิลิกอน (ใช่):

• ผล: สำหรับการเพิ่มขึ้นของปริมาณซิลิกอนทุกครั้งจุดหลอมเหลวจะเพิ่มขึ้นประมาณ 30 ° C

• กลไก: SI ก่อให้เกิดการแก้ปัญหาการทดแทนที่เป็นของแข็งด้วย FE เพิ่มการบิดเบือนตาข่ายและเพิ่มแรงพันธะระหว่างอะตอม

• ผลกระทบ: ผลกระทบต่อจุดหลอมเหลวนั้นอ่อนแอและการเพิ่มขึ้นของปริมาณแมงกานีสจะช่วยลดจุดหลอมเหลวเล็กน้อย

• ผลข้างเคียง: MN ทำปฏิกิริยากับ S เพื่อสร้าง MNs จุดที่มีจุดสูง (1,600 ° C) บรรเทาอันตรายที่รุนแรงของซัลเฟอร์

• ผลกระทบ: สำหรับปริมาณฟอสฟอรัสเพิ่มขึ้น 0.1% จุดหลอมเหลวจะลดลงประมาณ 5 ° C

• ความเสี่ยง: ฟอสฟอรัสแยกที่ขอบเขตของเมล็ดเพื่อสร้างเฟสยูเทคติกจุดต่ำจุดต่ำ (Fe₃p-Fe) ซึ่งทำให้รุนแรงขึ้นอย่างรุนแรง

• อันตราย: กำมะถันก่อตัวเป็น fes-fe eutectic (จุดหลอมเหลว 985 ° C) ด้วยเหล็กทำให้ชิ้นงานแตกระหว่างการทำงานร้อน (ปรากฏการณ์สั้น ๆ ร้อน)

• มาตรฐานการควบคุม: ปริมาณกำมะถันในเหล็กหมูอุตสาหกรรมมักจะ <0.05%

iv. การประยุกต์ใช้จุดหลอมเหลวของเหล็กหมูในการผลิตอุตสาหกรรม

(a) การควบคุมอุณหภูมิในกระบวนการหล่อ

1. การตั้งค่าอุณหภูมิหลอมละลาย:

• อุณหภูมิหลอมเหลวของเหล็กหล่อสีเทาโดยทั่วไปคือ 1,350–1,450 ° C (150–250 ° C สูงกว่าจุดหลอมเหลว) เพื่อให้แน่ใจว่าการไหลของเหล็กหลอมเหลว

• เนื่องจากความจำเป็นในการรักษา spheroidization อุณหภูมิหลอมเหลวของเหล็กดัดควรเพิ่มขึ้นเป็น 1,400–1,500 ° C เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันก่อนวัยอันควรของตัวแทน spheroidizing

• การหล่อเตียงเครื่องมือเครื่องจักร: การใช้เหล็กหล่อสีเทาที่มีจุดหลอมเหลวต่ำและการไหลที่ดี

• ดิสก์เบรกรถยนต์: เลือกเหล็กหล่อกราไฟท์เวอร์มิซิสโดยมีจุดหลอมเหลวประมาณ 1,200 ° C และอุณหภูมิเท 1,350 ° C เพื่อให้แน่ใจว่ามีความต้านทานการสึกหรอและการกระจายความร้อน

(b) พื้นฐานทางอุณหพลศาสตร์ของกระบวนการทำเหล็ก

1. การทำเตาหลอมเหล็กระเบิด:

• อุณหภูมิของเตาจะต้องรักษาไว้ที่ 1,400–1,500 ° C เพื่อละลายเหล็กหมู (จุดหลอมเหลว 1,148–1,250 ° C) และแยกออกจากตะกรัน

• จุดหลอมเหลวของตะกรันถูกควบคุมที่ 1,300–1,400 ° C และการแยกเหล็กตะกรันทำได้โดยการปรับอัตราส่วน CAO/SIO₂ (พื้นฐาน)

• อุณหภูมิการเป่าต้องสูงถึง 1,600–1,650 ° C เพื่อออกซิไดซ์คาร์บอนในเหล็กหมู (C+O₂→ CO) ลดปริมาณคาร์บอนให้ต่ำกว่า 2.11%

• อุณหภูมิจุดสิ้นสุดจะถูกตรวจสอบแบบเรียลไทม์โดยเทอร์โมคัปเปิลโดยมีการควบคุมข้อผิดพลาดที่อุณหภูมิ± 10 ° C

  
  

V. วิธีการวัดและมาตรฐานสำหรับจุดหลอมเหลวของเหล็กหมู

(a) การวิเคราะห์ความร้อน (GB/T 4336-2016)

1. หลักการ: กำหนดอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสโดยการบันทึกจุดเปลี่ยนอุณหภูมิในเส้นโค้งการระบายความร้อนของตัวอย่าง

2. อุปกรณ์: เตาต้านทาน (ความแม่นยำในการควบคุมอุณหภูมิ± 5 ° C), ระบบเก็บข้อมูล

3. ขั้นตอน: ให้ความร้อนกับตัวอย่าง 1,600 ° C ที่ 10 ° C/นาทีถือเป็นเวลา 30 นาทีจากนั้นเย็นด้วยเตาเผาและพล็อตเส้นโค้งเวลาอุณหภูมิ จุดเปลี่ยนเป็นช่วงการหลอมละลาย

(b) ความแปรปรวนแบบสแกนที่แตกต่างกัน (DSC, ASTM E793-19)

1. ความแม่นยำ: สามารถแม่นยำถึง± 1 ° C สามารถตรวจจับผลกระทบความร้อนเล็กน้อย

2. แอปพลิเคชัน: การทดสอบ DSC ของเหล็กหล่อสีเทา (C 3.2%, SI 1.8%) แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิการหลอมละลายเริ่มต้นคือ 1,182 ° C อุณหภูมิหลอมละลายที่สมบูรณ์คือ 1,235 ° C และเอนทัลปีหลอมละลายคือ 210 J/g

VI. การวิจัยชายแดนและการพัฒนาเทคโนโลยีของจุดหลอมเหลวของเหล็กหมู

(a) การพัฒนาวัสดุใหม่

1. เหล็กหล่อการหล่ออุณหภูมิต่ำ: โดยการเพิ่มองค์ประกอบเช่น BI และ SN จุดหลอมละลายจะลดลงต่ำกว่า 1,100 ° C สำหรับสารตั้งต้นบรรจุภัณฑ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์

2. เหล็กหล่อที่ทนต่อการสึกหรออุณหภูมิสูง: การเพิ่ม CR (12%–15%) และ Ni (3%–5%) เพิ่มจุดหลอมเหลวเป็น 1,300 ° C เหมาะสำหรับการติดเชื้อในเตาเผาซีเมนต์

(b) เทคโนโลยีการจำลองเชิงตัวเลข

การใช้ซอฟต์แวร์ Thermo-Calc เพื่อสร้างแบบจำลองไดอะแกรมเฟส Quinary Fe-C-C-Si-MN-P-S แบบจำลองจุดหลอมเหลวและเส้นทางการแข็งตัวขององค์ประกอบที่แตกต่างกันสามารถทำนายได้ ตัวอย่างเช่น:

• จุดละลายจำลองขององค์ประกอบเหล็กหมู (C 3.5%, Si 2.0%, Mn 0.8%, P 0.1%, S 0.03%) คือ 1,205 ° C โดยมีข้อผิดพลาด <0.3%เมื่อเทียบกับค่าการทดลอง (1,208 ° C)

vii. ทรัพยากรอ้างอิงที่เชื่อถือได้

1. โลหะวิทยาของเหล็กและเหล็กกล้า (Zhu Yingxiong, 2018): การอธิบายความสัมพันธ์ทางอุณหพลศาสตร์อย่างเป็นระบบระหว่างองค์ประกอบเหล็กหมูและจุดหลอมเหลว

2. American Society สำหรับการทดสอบและวัสดุ (ASTM) มาตรฐาน: สเปคมาตรฐาน ASTM A48-18 สำหรับการหล่อเหล็กสีเทา

3. Wikipedia "Iron Iron": รายการ: https://en.wikipedia.org/wiki/pig_iron (เข้าถึง 2 กรกฎาคม 2025)

ในฐานะที่เป็นพารามิเตอร์หลักของคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของวัสดุการควบคุมที่แม่นยำของจุดหลอมเหลวของเหล็กหมูวิ่งผ่านกระบวนการทั้งหมดตั้งแต่การถลุงแร่ไปจนถึงผลิตภัณฑ์สุดท้าย การบรรลุการจับคู่กันระหว่างจุดหลอมเหลวและคุณสมบัติผ่านการออกแบบองค์ประกอบและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการยังคงเป็นจุดสนใจของการวิจัยในด้านของวัสดุเหล็กและเหล็กกล้า