Una lettura obbligata per i principianti della fusione: come controllare in modo sicuro ed efficiente il contenuto di carbonio e silicio durante la fusione della ghisa?

Parte I: La sicurezza è fondamentale

Qualsiasi operazione che coinvolga metallo fuso comporta rischi estremamente elevati. Come a Fusione di ghisa principiante, devi posizionare sicurezza sopra ogni altra cosa e attenersi rigorosamente ai seguenti standard operativi:

1. Attuazione rigorosa dei dispositivi di protezione individuale (DPI)

• Protezione completa del corpo: Devi indossare abiti conformi agli standard tute ignifughe/abiti da lavoro in pelle per proteggere dal calore radiante e prevenire schizzi di metallo fuso.
• Protezione degli occhi e del viso: Abbigliamento specializzato scudi integrali (con filtri colorati per proteggere dalla luce intensa e dalle radiazioni infrarosse) e sicurezza glasses .
• Protezione delle mani: Utilizzare guanti a manico lungo e resistenti al calore .
• Protezione del piede: Indossare sicurezza boots (devono essere progettati per resistere agli urti, alle forature e per impedire l'ingresso di metallo fuso).
• Utilizzo dello strumento: Assicurarsi che tutti gli strumenti che entrano in contatto con il metallo fuso lo siano a manico lungo e sono stati confermati asciutti e preriscaldati prima dell'uso.

2. Prevenzione dei rischi esplosivi

• Deumidificazione rigorosa: Questa è la misura di sicurezza più critica. Se il metallo fuso entra in contatto con umidità (anche in tracce negli utensili, nei materiali di carica o nelle leghe), genererà immediatamente un grande volume di vapore, provocando una violenta esplosione di vapore che schizza metallo fuso ovunque.
• Preriscaldamento della carica: Prima di aggiungere al forno rottami di recupero, rottami di acciaio o anche additivi leganti (come ferrosilicio, carburanti), deve essere ben cotto e preriscaldato to drive off adsorbed surface and internal moisture. Preheating temperatures should ensure complete drying, e.g., reaching $\ge 200^{\circ}C$.

3. Gas tossici e controllo ambientale

• Ventilazione: Durante la fusione, in particolare, verrà generata una grande quantità di fumi carbon monoxide ($\text{CO}$) dall'ossidazione e dalla combustione sulla superficie fusa. La fonderia deve averlo ventilazione di scarico locale altamente efficiente e una buona ventilazione generale del negozio.
• Monitoraggio dell'aria: It is recommended to be equipped with $\text{CO}$ monitors to ensure the air quality in the working area meets safety standards.

Parte II: controllo efficiente del contenuto di carbonio e silicio

Le proprietà della ghisa sono determinate principalmente dal contenuto di carbonio ($%C$) e dal contenuto di silicio ($%Si$), che insieme governano il comportamento di solidificazione e la microstruttura finale. Questo viene spesso valutato utilizzando il Carbonio equivalente (CE) :

$$CE = %C \frac{%Si %P}{3}$$

1. Controllo e regolazione del contenuto di carbonio ($%C$) (carburazione)

Il carbonio è l'elemento fondamentale per la formazione della grafite e la determinazione della fluidità della ghisa. Quando il carbonio viene perso durante la fusione o è insufficiente nella carica, a carburatore deve essere aggiunto.

• Selezione del carburatore: La purezza e la dimensione delle particelle del carburatore influenzano direttamente la sua velocità di dissoluzione e efficienza di carburazione (la percentuale di carbonio aggiunto assorbito dal ferro fuso).
  • Grafite ad elevata purezza/Grafite artificiale: Elevata purezza, carbonio fisso $>98%$, tasso di assorbimento più elevato (solitamente $>90%$), adatto per fusioni con requisiti elevati o fusione in forni a induzione.
  • Coke di petrolio: Carbonio fisso conveniente tra $ 90% -95% $, un carburatore comunemente usato.
• Metodo di addizione ottimale: L'efficienza della carburazione è strettamente correlata alla posizione e ai tempi dell'aggiunta.
  • Aggiunta a carica media (forno elettrico): Questo è il più consigliato metodo. Mescolare il carburatore con parte della carica (come rottami di recupero o rottami di acciaio) e posizionarlo nella parte centrale e inferiore della vasca di fusione. Durante la fusione, il carburatore ha un tempo di contatto più lungo nella zona surriscaldata per dissolversi, ottenendo tassi di assorbimento più elevati.
  • Aggiunta di superficie prima della maschiatura: Adatto per piccoli aggiustamenti. Il le scorie devono essere accuratamente scremate prima, quindi il carburatore viene cosparso uniformemente sulla superficie, utilizzando agitazione elettromagnetica (nei forni ad induzione) o agitazione manuale per favorire la dissoluzione. Questo metodo è relativamente meno efficiente ma più facile da usare.

2. Controllo e regolazione del contenuto di silicio ($%Si$) (siliconizzazione)

Il silicio è un forte promotore della grafitizzazione , fondamentale per prevenire la formazione della ghisa bianca.

• Fonte principale di silicio: Ferrosilicon ($\text{FeSi}$) . $\text{FeSi}75$ (containing approx. $75%$ silicon) is commonly used.
  • Metodo di aggiunta: Solitamente aggiunto al metallo liquido subito prima della spillatura . Per garantire l'omogeneità, è opportuno aggiungerlo dopo aver scremato le scorie, e mantenuto per un tempo di ammollo sufficiente (circa 5-10 minuti) per consentirne la completa fusione e miscelazione.
  • Importanza del preriscaldamento: I grumi di ferrosilicio devono essere preriscaldati per evitare esplosioni di vapore dovute all'umidità.
• Additivo combinato carbonio-silicio: Silicon Carbide ($\text{SiC}$) è un eccellente additivo composito.
  • Principio: $\text{SiC}$ does not melt in the iron melt but dissociates via the reaction $\text{SiC} \rightarrow [\text{Si}] [\text{C}]$, releasing both silicon and carbon into the iron.
  • Vantaggi: Aumenta contemporaneamente $%C$ e $%Si$ e ha ottimi risultati pre-inoculazione effetti, contribuendo alla formazione di grafite fine. Di solito viene aggiunto al carica as a supplement or alternative to $\text{FeSi}$ and carburizers.

3. Evitare e compensare le perdite per ossidazione

Durante il processo di fusione, soprattutto nelle fasi successive di fusione e surriscaldamento, carbonio e silicio possono andare perduti a causa della reazione con l'atmosfera o con gli ossidi presenti nelle scorie:

• Reazioni di burn-off:
  • $2[\text{C}] \text{O}_2 \rightarrow 2\text{CO} \uparrow$
  • $[\text{Si}] \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2$ (enters the slag)
• Contromisure:
  • Controllo delle scorie: Puntuale removal of slag containing high iron oxide ($\text{FeO}$) . $\text{FeO}$ in the slag will continuously oxidize the $\text{C}$ and $\text{Si}$ in the molten iron.
  • Compensazione: Nel determinare la composizione finale, un certo indennità di burn-off dovrebbe essere preso in considerazione, il che significa che la quantità aggiunta dovrebbe leggermente superare il valore target per compensare le normali perdite durante la fusione.

Parte III: Confronto tra i materiali comuni di controllo del carbonio e del silicio

Per aiutarti a fare una scelta informata, la tabella seguente elenca i materiali comuni per la regolazione del carbonio e del silicio e le loro caratteristiche principali: