CN115354216A - 一种低粘度铸铁及其制备方法和应用 - Google Patents

一种低粘度铸铁及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

一种低粘度铸铁，其特征在于：在1500℃下粘度为3.3‑4.2Pa·s，1600℃使粘度为2.9‑3.6Pa·s，铸铁的碳当量≥3.2，铸铁中磷的含量≤0.25%。本发明铸铁在高温下具有较低的粘度，用于打铁花时，铁水表面氧化充分，呈现的耀眼的光，且铁水容易分散、散开面积大，形成的“火花”颗粒小且多，落到地面过程中释放出更多热量，达到地面时温度较低，不易烫伤人员，安全性更高。

Description

一种低粘度铸铁及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及铸铁制备技术领域，具体涉及一种低粘度铸铁及其制备方法和应用。
背景技术
铸铁主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。含碳量在2.11％以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为2.5％～3.5％。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有1％～3％的硅，以及锰、磷、硫等元素。
打铁花是一种大型民间传统火焰，“打铁花”最早可追溯到春秋战国时期，鼎盛于明清时期。打铁匠人发现铁水四溅甚是绚烂美丽，故而将其用于节庆时期，营造烟花效果。作为中国的首批非物质文化遗产，铜梁火龙钢花是1500℃高温的铁水被拍打至高空撒出“钢花”(俗称“打铁花”)，一群光膀汉子挥舞着喷火的大龙冲入钢花之下，一条“火龙”在空中与一朵朵绽放的“钢花”相互交融，成就了“铁水流星”的壮丽景致。重庆铜梁“火龙钢花”已有近千年的历史，被誉为“巴渝十大民间艺术之首”。
“火龙钢花”表演时，表演人员通常光着膀子，是因为1500℃以上的铁水被击打至高空后，形成很小的颗粒，由于每次表演使用的铸铁存在差异，打铁花效果不稳定，有时会出现“火花”散不开，易团聚，亮度低，无法形成分散均匀的大面积花形，影响观赏效果；其次，这种散不开的“火花”在降落过程中容易掉落至表演人员衣服内部，铁水被衣物包裹，导致人体被严重烫伤，因而不穿衣服反而降低了烫伤风险，此外，操作过程中表演人员还要裹上头巾、戴上护目镜保护好眼睛，鞋口上缠上胶带，但是周围观看表演的观众也有可能被飞溅的铁水颗粒烫伤，存在较大的风险。因而如何解决上述问题，防止“火花”降落过程中烫伤表演人员和观众，是该项表演过程中面临的一大问题。
发明内容
基于解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种低粘度铸铁。
本发明第二个目的是上述铸铁的应用。
本发明第三个目的是提供上述铸铁的制备方法。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种低粘度铸铁，其特征在于：在1500℃下粘度为3.3-4.2Pa·s，1600℃使粘度为2.9-3.6Pa·s，铸铁的碳当量≥3.2，铸铁中磷的含量≤0.2％。
进一步，上述铸铁按照质量分数计含有C为2.9-3.9％、Si为0.7-1.1％、Mn≤0.5％、S≤0.2％和P≤0.2％，其余为Fe。
优选，Mn的含量控制在0.2-0.5％。
进一步，上述低粘度铸铁的应用，其特征在于：用于打铁花。
铸铁在用于打铁花过程中，经历熔化、打散、空中氧化、凝固降温等过程，这些过程与铸铁的物理性质息息相关。
为了进一步研究活化效果与铸铁物理特性的关系，通过研究计算，得到材料的热物性参数，包括密度、导热系数、凝固区间、杨氏模量、泊松比等。并分析了液、固相温度及对应的密度值、不同成分对应的凝固曲线、温度与固相率之间的关系。进一步研究比热、粘度、表面张力等相关性能对于铁花的花形、铁水在空中的分散程度、亮度等的影响。
经大量研究发现，铸铁在特定高温下，存在一定范围的粘度、含磷量以及较高的碳当量，三者同时满足时，可以打出花形分散美观、散开面积大，色泽亮丽。在调节铸铁在1500-1600℃下的粘度变化时，发现，Mn含量的变化对于铸铁在该高温下高温粘度的影响较大，随着Mn含量的增加，该温度下的粘度显著增加。
上述铸铁的制备方法，其特征在于：根据上述各组分的用量，将原料通过第一次熔炼成液体，然后加入硅铁进行第二次熔炼，出炉前进行过热熔炼，将过热熔炼后液体中加入孕育剂，进行浇铸处理。
进一步，上述第一次熔炼的温度为1340-1400℃，加入硅铁后将温度升至1140-1460℃进行第二次熔炼，熔炼时间为15min，加入的硅铁量为铁水重量的0.2％。
进一步，上述过热熔炼的温度为1500-1520℃，时间为10min。
进一步，上述孕育剂为75SiFe，粒度为0.1-0.5mm，用量为上述熔炼后液体质量的0.2％，浇铸温度为1450℃。
最具体的，上述铸铁的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
(1)第一次熔炼：按照质量分数计C为2.9-3.9％、Si为0.7-1.1％、Mn≤0.5％、S≤0.39％和P≤0.25％，其余为Fe，将原料在1340-1400℃下熔炼成铁水；
(2)第二次熔炼：在步骤(1)的液体中加入硅铁，然后升至1440-1460℃继续熔炼，熔炼时间为15min，加入的硅铁量为铁水重量的0.2％；
(3)第三次熔炼：出炉前将温度升至1500-1520℃，进行过热熔炼，时间为10min；
(4)将步骤(3)中的液体中加入孕育剂75SiFe，在1450℃下进行浇铸，孕育剂75SiFe的粒度为0.1-0.5mm，用量为上述熔炼后液体质量的0.2％。
本发明具有如下技术效果：
本发明铸铁在高温下具有较低的粘度，用于打铁花时，铁水表面氧化充分，呈现的耀眼的光，且铁水容易分散、散开面积大，形成的“火花”颗粒小且多，落到地面过程中释放出更多热量，达到地面时温度较低，不易烫伤人员，安全性更高。
附图说明
图1：本发明实施例1制备的铸铁用于打铁花时的效果图。
图2：本发明实施例2制备的铸铁用于打铁花时的效果图。
图3：本发明实施例3制备的铸铁用于打铁花时的效果图。
图4：本发明实施例4制备的铸铁用于打铁花时的效果图。
图5：本发明对比例1制备的铸铁用于打铁花时的效果图。
图6：本发明对比例2制备的铸铁用于打铁花时的效果图。
图7：本发明对比例3制备的铸铁用于打铁花时的效果图。
图8：本发明对比例4制备的铸铁用于打铁花时的效果图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
一种铸铁的制备方法，按如下步骤进行：
(1)第一次熔炼：按照质量分数计C为3.9％、Si为1.1％、Mn为0.26％、S为0.06％和P为0.11％，其余为Fe，将原料在1400℃下熔炼成铁水；
(2)第二次熔炼：在步骤(1)的液体中加入硅铁，然后升至1440℃继续熔炼，熔炼时间为15min，加入的硅铁量为铁水质量的0.2％；
(3)第三次熔炼：出炉前将温度升至1500℃，进行过热熔炼，时间为10min；
(4)将步骤(3)中的液体中加入孕育剂75SiFe，在1450℃下进行浇铸，孕育剂75SiFe的粒度为0.1-0.5mm，用量为上述熔炼后液体质量的0.2％。
实施例2
一种铸铁的制备方法，按如下步骤进行：
(1)第一次熔炼：按照质量分数计C为2.9％、Si为0.94％、Mn为0.32％、S为0.15％和P为0.05％，其余为Fe，将原料在1340℃下熔炼成铁水；
(2)第二次熔炼：在步骤(1)的液体中加入硅铁，然后升至1460℃继续熔炼，熔炼时间为15min，加入的硅铁量为铁水质量的0.2％；
(3)第三次熔炼：出炉前将温度升至1520℃，进行过热熔炼，时间为10min；
(4)将步骤(3)中的液体中加入孕育剂75SiFe，在1450℃下进行浇铸，孕育剂75SiFe的粒度为0.1-0.5mm，用量为上述熔炼后液体质量的0.2％。
实施例3
一种铸铁的制备方法，按如下步骤进行：
(1)第一次熔炼：按照质量分数计C为3.6％、Si为0.7％、Mn为0.5％、S为0.2％和P为0.2％，其余为Fe，将原料在1380℃下熔炼成铁水；
(2)第二次熔炼：在步骤(1)的液体中加入硅铁，然后升至1450℃继续熔炼，熔炼时间为15min，加入的硅铁量为铁水质量的0.2％；
(3)第三次熔炼：出炉前将温度升至150010℃，进行过热熔炼，时间为()；
(4)将步骤(3)中的液体中加入孕育剂75SiFe，在1450℃下进行浇铸，孕育剂75SiFe的粒度为0.1-0.5mm，用量为上述熔炼后液体质量的0.2％。
实施例4
一种铸铁的制备方法，按照实施例1的操作步骤，调整铸铁中各组分比例如下：按照质量分数计C为3.0％、Si为0.8％、Mn为0.2％、S为0.18％和P为0.1％，其余为Fe。
对比例1
按照实施例1的方法，调整各组分用量比例，制备铸铁，比例如下：
按照质量分数计C为3.54％、Si为1.56％、Mn为0.24％、S为0.15％和P为0.20％，其余为Fe。
对比例2
按照实施例1的方法，调整各组分用量比例，制备铸铁，比例如下：
按照质量分数计C为3.12％、Si为0.9％、Mn为1.65％、S为0.012％和P为0.10％，其余为Fe。
对比例3
按照实施例1的方法，调整各组分用量比例，制备铸铁，比例如下：
按照质量分数计C为2.36％、Si为0.90％、Mn为0.26％、S为0.05％和P为0.1％，其余为Fe。
对比例4
按照实施例1的方法，调整各组分用量比例，制备铸铁，比例如下：
按照质量分数计C为3.46％、Si为0.8％、Mn为0.36％、S为0.077％和P为0.37％，其余为Fe。
通过JMatPro计算得出各个方案制备的铸铁在高温下粘度如表1所示：
Figure BDA0003814800400000061
可以明显看出，实施例1-4中通过调整铸铁中各组分的含量，使其在1500℃下粘度为3.3-4.2Pa·s，1600℃使粘度为2.9-3.6Pa·s，同时P含量≤0.2％、碳当量≥3.2，制备的铸铁用于铁打花的效果如图1-图4所示，打出的火花明亮，花型大，火花细腻且密集，具有较好的观赏性，且铁水在该条件下，细腻分散，落到地面时，不会烫伤表演者和观众。对比例1和对比例2中虽然碳当量和P的含量均复合要求，但是由于Si和Mn的含量分别上升，导致其在1500-1600℃下的粘度明显过高，其制备的铸铁用于打铁花的效果如图5和图6所示；对比例3由于碳含量较低，导致碳当量过低高温下粘度过高，制备的铸铁用于打铁花的效果如7所示；对比例4高温下粘度和碳当量均复合要求，但是对比例4中P含量较高，导致其制备的铸铁用于打铁花效果较差，具体如图8所示。对比文件1-4中，火花亮度第，呈现出暗红色大颗粒的火花，且分散不开，无法形成花型，观赏性较差，且大颗粒的铁水落到地面时，其依然蕴含较高的热量，极易烫伤人。

Claims (7)

1.一种低粘度铸铁，其特征在于：在1500℃下粘度为3.3-4.2Pa·s，1600℃使粘度为2.9-3.6Pa·s，铸铁的碳当量≥3.2，铸铁中磷的含量≤0.2%。
2.如权利要求1所述的一种低粘度铸铁，其特征在于：所述铸铁按照质量分数计含有C为2.9-3.9%、Si为0.7-1.1%、Mn≤0.5%、S≤0.2%和P≤0.2%，其余为Fe。
3.如权利要求1或2所述的低粘度铸铁的应用，其特征在于：用于打铁花。
4.一种如权利要求1或2所述的低粘度铸铁的制备方法，其特征在于：根据所述各组分的用量，将原料通过第一次熔炼成液体，然后加入硅铁进行第二次熔炼，出炉前进行过热熔炼，将过热熔炼后液体中加入孕育剂，进行浇铸处理。
5.一种如权利要求4所述的低粘度铸铁的制备方法，其特征在于：所述第一次熔炼的温度为1340-1400℃，加入硅铁后将温度升至1140-1460℃进行第二次熔炼，熔炼时间为15min，加入的硅铁量为铁水质量的0.2%。
6.一种如权利要求4或5所述的低粘度铸铁的制备方法，其特征在于：所述过热熔炼的温度为1500-1520℃，时间为10min。
7.一种如权利要求4-6任一项所述的低粘度铸铁的制备方法，其特征在于：上述孕育剂为75SiFe，粒度为0.1-0.5mm，用量为上述熔炼后液体质量的0.2%，浇铸温度为1450℃。
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