鑄造常用增碳劑的認(rèn)識及在生產(chǎn)中的使用

1前言

　　增碳劑是一種含碳量很高的黑色或灰色顆粒（或塊狀）的焦炭或石油焦后續(xù)產(chǎn)物，在金屬熔煉時可降低鐵液中氧的含量，提高鑄件力學(xué)性能。新的合成鑄鐵熔煉工藝中，廢鋼使用量大大增加，通過添加增碳劑調(diào)整鐵液的碳含量，在保證鐵液質(zhì)量的同時生產(chǎn)成本大大降低。

2.鑄鐵用增碳劑的種類

　　根據(jù)增碳劑中碳的晶體結(jié)構(gòu)，增碳劑可分為非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)；根據(jù)碳原子的存在形式可分為石墨化增碳劑和非石墨化增碳劑。石墨化增碳劑主要有石墨化石油焦和石墨電極兩類。石墨化石油焦增碳劑在鑄造行業(yè)中應(yīng)用最廣泛，其生產(chǎn)工藝是將原材料石油焦在石墨化爐中經(jīng)過2200-2600℃的高溫加熱，使石油焦無定形的亂層結(jié)構(gòu)碳晶化轉(zhuǎn)變成三維有序石墨晶體的高溫?zé)崽幚磉^程，即經(jīng)過石墨化過程，達(dá)到石墨化狀態(tài)。非石墨化增碳劑主要有：煅燒石油焦、煤質(zhì)增碳劑等等，煅燒石油焦是指石油焦經(jīng)1200-1500℃高溫加熱處理，處理溫度較低，晶體結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。煤質(zhì)增碳劑由于灰分和揮發(fā)分較高，現(xiàn)在電弧爐熔煉時已很少使用。衡量增碳劑優(yōu)劣的指標(biāo)主要有固定碳含量、硫份、揮發(fā)份、灰份、氮含量及水份等。石墨化增碳劑經(jīng)高溫石墨化處理后，硫分、氮含量大大低于非石墨化增碳劑。

2.1固定碳、灰份、揮發(fā)份

　　增碳劑的固定碳不同于含碳量，固定碳值是根據(jù)樣品的水分、揮發(fā)份、灰分、硫分計算得出的，而含碳量可直接用儀器檢測出來。固定碳含量高、灰分低，則增碳效果越好。增碳劑中的灰分含量高在熔煉過程中產(chǎn)生大量煙塵、爐渣，增加能耗，加大扒渣勞動強(qiáng)度。

2.2硫分

　　石墨化增碳劑硫含量一般低于0.05%。在普通鑄鐵中，硫元素具有穩(wěn)定滲碳體，阻止石墨化擴(kuò)展的作用，在生產(chǎn)球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵件時應(yīng)選用含硫量低的石墨化增碳劑，若硫含量過高將影響球化效果，消耗更多的球化劑，增加生產(chǎn)成本；煅燒石油焦增碳劑由于煅燒溫度較低，硫含量較高，一般在1%以下，可用于某些灰鑄鐵件的生產(chǎn)。

2.3氮含量

　　氮含量是衡量增碳劑品質(zhì)好壞的一個重要指標(biāo)。一般鑄造廠在購買增碳劑時，一是關(guān)注增碳劑的價格；二是增碳劑中的固定碳、硫、灰分、揮發(fā)分、水分的含量，對氮含量關(guān)注較少。普通煅燒石油焦增碳劑，煅燒溫度偏低，氮、硫含量偏高。生產(chǎn)灰鑄鐵件時，由于爐料中廢鋼自身會帶入一部分氮元素，若廢鋼加入比例較多，增碳劑用量也相應(yīng)加大，若使用氮含量較高的普通煅燒石油焦增碳劑，鐵水中的氮含量會大幅度提高。鐵液中過量溶解的N會阻礙石墨化，增加碳化物的穩(wěn)定性，促進(jìn)D型石墨的形成，提高硬度，惡化鑄件加工性能。對于灰鑄鐵，適量的N元素可以使石墨片長度縮短，彎曲程度增加，端部鈍化，長寬比減小，能夠穩(wěn)定基體的珠光體，起到細(xì)化晶粒組織，提高鑄件抗拉強(qiáng)度及硬度的作用。有資料介紹[1]，當(dāng)鐵水中N＞0.012%時，鑄件有出現(xiàn)氮?dú)饪兹毕莸目赡?。氮?dú)饪壮Ｒ娪阼T件內(nèi)部、表面或近表面，呈大小不等的圓形、長方形及不規(guī)則形態(tài)，是鑄造生產(chǎn)中常見缺陷之一。

　　石墨化增碳劑經(jīng)高溫脫硫脫氮處理，氮、硫元素含量很低，使用石墨化增碳劑熔煉的鐵水氮含量一般很低。

3.影響增碳劑吸收率的因素：影響增碳劑吸收率的因素主要有增碳劑的加入方式、鐵水化學(xué)成分及鐵液溫度、增碳劑粒度等。

3.1增碳劑的加入方式

　　加入方式對增碳效果影響較為顯著。增碳劑不要早于爐料加入爐底，應(yīng)在爐底有部分鐵液時隨爐料一起分批加入。這是因為增碳劑的熔點較高，必須依靠鐵液的包圍才被緩慢分解吸收，若直接加入爐底，不易被吸收且降低爐襯的使用壽命。另外，在電爐升溫過程中鐵水的攪拌作用使碳更容易被鐵水吸收。

3.2化學(xué)成分及鐵液溫度的影響

　　有資料介紹[3]，鐵液中初始碳含量越低，增碳劑的吸收率越高，當(dāng)鐵水中碳含量在3.6%以上時，其吸收率下降；鐵液中硅含量越高會影響增碳劑的吸收，這是因為硅有排碳作用，降低了碳在鐵液中的溶解度，硅含量每增加0.11%，增碳劑吸收率下降約3%-4%。所以，在加料時增碳劑加入時間應(yīng)在加硅鐵之前。鐵液中錳元素含量高，可提高增碳劑的吸收，錳元素增加0.1%，可提高增碳劑2%-3%的吸收率。

　　一般認(rèn)為，鐵液溫度越高，作用時間越長，增碳劑吸收速率較快。但有資料介紹【3】，感應(yīng)電爐內(nèi)鐵液溫度較高時，碳含量不升反降。這是因為：1.石墨碳主要損失與向爐外大氣的氣象擴(kuò)散。2.鐵水中的氧化性與C-Si-O的平衡關(guān)系，鐵水中的CO不斷地被氧化為CO2而CO2又會被C還原，反應(yīng)產(chǎn)生CO，CO2氣體上浮溢出鐵水表面，使鐵水中的碳含量下降。使用感應(yīng)電爐進(jìn)行熔煉時增碳應(yīng)在溫度較低時進(jìn)行，增硅在溫度較高時進(jìn)行[2]。

3.3增碳劑粒度對吸收率的影響

　　增碳劑越細(xì)小加入時與鐵液的接觸面積大，溶解快，容易吸收，但若粒度過于細(xì)小，易被氧化，損耗大；顆粒大，溶解速度慢，損耗較小，選擇時根據(jù)熔煉爐的類型選擇合適粒度的增碳劑。幾種增碳劑吸收率對比

4.石墨化與非石墨化增碳劑吸收率及鐵水氮含量的比較

4.1吸收率比較

　　表1所列是某廠現(xiàn)使用的增碳劑種類，普通煅燒石油焦增碳劑主用于部分灰鑄鐵件的生產(chǎn)，石墨化石油焦增碳劑主要應(yīng)用于球鐵、蠕鐵件的生產(chǎn)，

表1：增碳劑種類及各指標(biāo)一般含量

　　跟蹤每種同一批次的增碳劑使用時的增碳效果，統(tǒng)計其吸收率，數(shù)據(jù)如表2。電爐型號為10噸、15噸中頻電爐，三種增碳劑的加入方式都是隨爐料分批加入。

表2：不同類型增碳劑吸收率統(tǒng)計

　　比較這三種規(guī)格增碳劑的吸收率，相同粒度下，石墨化增碳劑的吸收率要高于煅燒石油焦增碳劑，石墨化增碳劑中粒度小的也用于鐵水包內(nèi)補(bǔ)碳，粒度細(xì)小吸收速率快。

5.結(jié)束語

　　石墨化增碳劑與非石墨化增碳劑相比，固定碳含量、灰分、揮發(fā)分以及吸收率相差不大，差異較大的是N、S兩種元素的含量，而碳、氮、硫三種元素都會對鑄件性能會產(chǎn)生較為顯著的影響。選用增碳劑時要根據(jù)產(chǎn)品特性，選用合適的增碳劑。既要保證產(chǎn)品質(zhì)量，又要考慮生產(chǎn)成本。