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2023-06-22
热剂生产中的氧化铁控制和能耗优化
【摘要】：氧化铁是热剂中含量最多并起主要作用的材料，因此必须严格按照热剂技术规程加工。大大降低了生产过程的能耗。为了热剂的稳定反应，控制FeO和Fe2O3的含量是必需的手段。铁粉加入量较大，一般占热剂重量的10%。
1.热剂原材料的要求和加工工艺
原材料的化学成分的选择和加工工艺以及加工后材料的化学成分、颗粒度、各项材料的配合比等对热剂具有特别重要的意义。
工业用铝（铝的质量分数为99.5%）在658℃熔化，化学纯铝（铝的质量分数为99.99%）熔点为660℃，铝的沸点为2000℃。
对加工后铝粉的化学成分一般要求铝粉中金属铝的质量分数应大于98%，杂质要少。
铝与空气接触很容易被氧化，而铝热焊要求铝粉不被氧化，因为氧化铝不但在反应中延缓了燃烧作用，而且降低了还原能力，影响焊接质量。所以制成的铝粉应避免潮湿，有时由于储藏或处理不当，可能形成氢氧化铝，在高温反应下，会产生水，分解成氢和氧，以致引起气孔等缺陷，所以热剂除要求铝粉化学成分合适外，一般对铝粉活性也有一定的要求。
铝粉粒度大小对反应速度影响很大，粒度太大反应时间长，而且热量损失大，所以热剂对铝粉粒度有一定的要求范围。一般采用粒度小于0.6mm的铝粉，并且要求不同粒度的铝粉按一定的比例进行配制。
（2）氧化铁 热剂主要材料之一，氧化铁一方面可以供给反应时需要的大量氧产生热量，另一方面还原的铁可以作为焊接的填充金属。
氧化铁的3种化合物有不同的理论含氧量：氧化亚铁（FeO）的理论含氧量（质量分数）是22.22%；三氧化二铁（Fe2O3）的理论含氧量（质量分数）是30.0%；磁性氧化铁（Fe3O4）的理论含氧量（质量分数）是27.58%。
氧化铁是轧钢厂的废品，最好要求热轧普通碳素钢时，从钢材表面脱落的碎氧化铁皮。从氧化铁的来源方面，希望能有固定不变的粒度范围和一定的化学成分，氧化铁原料中氧化亚铁（FeO）含量较高，为了达到热剂要求的FeO和Fe2O3含量，氧化铁皮可以通过氧化法增加氧含量。氧化铁的氧化是从表面氧化逐渐深入到颗粒内部，所以氧化铁颗粒的表层由三氧化二铁组成，而核心部分则由氧化亚铁组成，在表层与核心之间还有一小层磁性氧化铁，大颗粒的氧化铁中氧化亚铁的含量比小颗粒为高，也就是说，氧含量随粒度增大而减小。
焊剂一般要求氧化铁原材料FeO的质量分数在60%左右，硫、磷杂质的质量分数都需在0.05%以下，否则影响铝热钢含硫、磷量，所以必须严格选择氧化铁原材料。
对加工后氧化铁化学成分的要求：一般要求氧化铁中FeO和Fe2O3控制在一定的稳定范围内，同时要求硫、磷的质量分数都必须在0.05%以下。氧化铁中主要成分是Fe2O3，其次是FeO，磁性氧化铁含量很少，所以要正确控制FeO和Fe2O3含量。假如FeO含量高，那么Fe2O3含量就低，同样数量的氧化铁，供给铝粉的氧就要减少，热剂就不能充分反应，氧化铁就不能完全被还原，就有多余的氧化铁进入焊缝内，使焊缝质量受到影响，所以一定要严格按照热剂技术规程要求进行控制。
氧化铁的粒度大小与热剂反应速度是直接有关的，为了控制反应速度，对氧化铁的粒度要有规定，一般要求在一定范围内，过细的氧化铁最好不使用，因为这些小颗粒含硅酸盐最多。
氧化铁是热剂中含量最多并起主要作用的材料，因此必须严格按照热剂技术规程加工。加工好的氧化铁应该使其氧化亚铁FeO含量、粒度在热剂要求范围内，要干燥、无杂质、无油污。合格的氧化铁要储存好。如氧化铁存放超过规定的时间，在使用前必须经过化学分析，合格的方可使用。
随着技术进步，氧化铁的加工工艺也在逐步简化。例如大部分生产商已取消焙烧工序。大大降低了生产过程的能耗。为了热剂的稳定反应，控制FeO和Fe2O3的含量是必需的手段。对原料的适度氧化是非常必要的。
（3）铁粉 为了控制铝热钢液温度和增加钢液生成量，在热剂中加入适量的铁粉。这里所指的铁粉并不一定是粉状物，有时是直径较小的铁片，有时是球状铁珠。其目的是控制热剂反应物的温度，有时也依赖其较高的含碳量来增加焊缝含碳量。
铁粉加入量较大，一般占热剂重量的10%。热剂的纯度很大程度取决于铁粉的纯度。如果依赖铁粉增碳，一定要控制铁粉的S、P含量。
（4）铁合金 为了提高焊缝的强度和硬度，在热剂中，须加入一定数量的铁合金，例如锰铁、硅铁以及其他的铁合金等。其加入合金数量根据铝热钢的化学成分，以及对焊缝硬度、强度等力学性能的要求而定。
（5）热剂的引燃物（高温火柴）热剂的燃烧反应是用特制的引燃剂（高温火柴）点燃的。高温火柴燃烧温度在1300℃以上，它是由铝粉、镁粉和粘结剂等制成。
高温火柴由引燃层和高温层组成，将引燃层擦燃后即引燃高温层，发生剧烈燃烧，产生高温将热剂引燃。高温火柴要求化学性能比较稳定，在一般情况下不能燃烧，但在猛烈撞击下或与磷面摩擦时，即能发生燃烧。它容易受潮，受潮后水分不易去掉，致使燃烧温度降低，甚至擦不燃，保存时要特别注意。
高温火柴属于易燃危险品，必须妥善保管，避免受潮和撞击，不得与热剂混装和保存，未用完的火柴应放回塑料袋的火柴盒内。
2.焊接钢轨用的热剂的制造
（1）配制 热剂配方经研究试验，在化学成分和各项机械性能达到要求后，生产工厂要严格按照热剂技术规程要求备料配制。
（2）称量、混合和包装 各种材料的称量要准确，尤其是铝，可用自动称量装置，分别称量每包热剂的铝粉、氧化铁、铁粉。对每包热剂单独进行混合，混合要求均匀，否则影响正常的铝热反应和钢液温度的均匀性，不能保证焊接接头的质量。混匀后把热剂放入塑料包装袋中，装好后复查重量，放入总包装袋中。整个过程应按照热剂技术规程进行，严防受潮，严禁烟火。
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