合成铸铁的熔炼及增碳剂的使用 附案例分析

老翻砂匠

  【摘要】由于废钢价格比新生铁价格低，现在已经广泛的使用废钢加增碳剂工艺生产铸铁，即“合成铸铁”。不但铸铁的化学成分和温度便于控制，由于增碳剂的孕育作用，还可以提高铸件的综合物理性能质量，降低生产成本。

   关键词：增碳剂；合成铸铁；氮含量；增碳剂吸收因素

  

  一、合成铸铁的概况

   由于铸件市场竞争激烈，且对铸件质量要求越来越高，而价格却是低来越低，另外由于环保要求越来越严格，很多地方的政府已经禁止用冲天炉熔炼铁液。从原材料的价格上来说，由于废钢在社会上沉淀存留量较多，废钢价格比新生铁价格低的多，所以这几年广泛地用废钢加增碳剂的方法生产铸铁，即“合成铸铁”。在生产过程中如果工艺操作正确，不但铸铁的化学成分和温度便于控制，还可以提高铸件的综合物理性能，同时也可以降低铸件的生产成本。在合成铸铁技术不断发展、不断完善的过程中，废钢的加入量也越来越多，从最初加入量约40%，现在已经提高到80%，电炉熔炼铸铁不像冲天炉那样有增碳源，为了得到合格的含碳量，添加增碳剂是必不可少的措施，这样增碳剂的选择和使用方法，将对改善铸铁组织，提高铸铁的综合物理性能是至关重要的问题。

   二．常用增碳剂的种类

   增碳剂的种类很多，可以用作铸铁增碳剂的材料也很多，生产增碳剂的工艺也不同，质量悬殊很大，价格差也很大，在保证铸件质量的前提下，应根据铸件的几何形状和质量要求，正确的选择增碳剂。

   优质增碳剂一般经过石墨化，即在高温条件下，碳原子的排列呈石墨的微观形态，如附图所示。

. O( I8 o) z$ x- a. y9 i4 d

                               
登录/注册后可看大图

   

    增碳剂石墨化

, v. q9 m; w. q, p; _- |

    根据大多数工厂的使用情况，结合笔者在生产过程中使用增碳剂的体会，仅简单介绍两种常用的增碳剂。

7 K; g# ?; _7 ~/ T

    1.人造石墨

    在常用的增碳剂中，人造石墨是品质最好的增碳剂。

/ U5 w% o& p8 m1 A/ n

    制造人造石墨的主要原料是粉状的优质煅烧石油焦，在其中加入少量其他辅料。原料配齐后压制成形，然后经2500～3000℃、非氧化性气氛中处理，使之石墨化。经高温处理后，灰分、硫、气体含量都大幅度减少。由于其生产工序多及生产周期较长，所以价格较高。

% w4 \$ z! q( i) ^

    铸造厂常用的人造石墨增碳剂，大都是制造石墨电极时的切屑，废旧电极和石墨块等循环利用的材料。

+ `0 p' L# r+ l& S  ?

    2.煅烧石油焦

    煅烧石油焦是目前广泛使用的增碳剂。

+ A  H' i1 V4 Z' j9 f7 J+ I

    石油焦是精炼原油得到的副产品。原油经过常压蒸馏或减压蒸馏得到的油渣及石油沥青，都可以作为制造石油焦的原料，再经焦化后就得到生石油焦。生石油焦中的杂质含量高，不能直接用作增碳剂，必须先经过煅烧处理。石油焦的煅烧是为了脱除硫、水分和挥发物。将生石油焦在1200～1350℃煅烧，可以使其成为基本纯净的碳。各种石油焦制品的成分列于表1（供参考）。

                               
登录/注册后可看大图

7 _8 ?3 k9 c! M

    有资料介绍：①普通煅烧石油焦增碳剂，其因为没有经过高温煅烧，或煅烧温度偏低、时间偏短，氮含量一般在9000ppm左右（1ppm=10﹣6），硫含量也高，在白纸上无法画出清晰的痕迹。②高温煅烧石油焦增碳剂，氮含量在300～500ppm，硫比前者低很多。在白纸上可以留下清楚痕迹。③质量最好的高温煅烧石油焦增碳剂，氮含量在100ppm。硫比前者更低。在白纸上可以留下清晰痕迹，手感舒适，就像6B铅笔一样。

! [8 v( ?) o0 a8 P

    根据笔者走访几个工厂所知：很多企业在购买增碳剂时，往往注意的一是增碳剂的价格，二是增碳剂中的固定碳、硫、灰分、挥发分、水分的含量，这些对稳定产品质量和降低生产成本固然是重要的，但往往忽视了一个重要的参数，那就是增碳剂中的“氮”含量。

' q9 C+ a0 {, i, \' u

    氮在铸铁中的作用具有两面性：有资料介绍，氮含量每增加10ppm，灰铸铁的强度可提高5～7MPa，同时硬度可增加3～4HBW。一般认为，当氮含量在70～120ppm，可以使石墨变短并具有尾部钝化的作用。氮能强化珠光体基体，提高铸铁力学性能，但当铸铁的含氮量超过临界点（一般认为约140ppm）时，就会使铸件产生氮气孔。

    近年，虽然国外尤其是日本很多企业，要求铸铁的氮含量在60～120ppm，钛含量要求小于0.025%。但是，氮毕竟是惰性气体。

) M0 @* f# o4 U2 |, X9 q

    通常氮以三种形态存在于铸铁中：一是溶于液态或固态铸铁中；二是与铁液中的元素形成氮化物；三是从铁液中析出，以单质气体的形式存在，形成气孔。有资料介绍：炉料中废钢的使用量为15%时，铸铁中的氮含量约为0.003%～0.005%；炉料中废钢的使用量为50%时，铸铁中的氮含量约为0.008%～0.012%；炉料全部为废钢时，氮含量可能高达0.014%以上。由于废钢的加入量不断增加，增碳剂的加入量也不断增加，所以必须重视增碳剂中的氮含量。为了避免铸件出现气孔缺陷，在购买增碳剂时，一定要选购含氮量低的品种，如有可能，应检测增碳剂中的氮含量。现在，不要说增碳剂中的氮含量，就是铸铁中的氮含量，很多企业都不能准确地进行分析。根据笔者的经验，在购买增碳剂时，要购买大型企业的产品，可以在购买前到生产厂家去考察，到已经使用过的用户处去了解，一旦使用后铸件质量稳定，就不要轻易的更换客户，即便是固定的客户，在又一次批量进货时，也要先试用几炉，确定对铸件质量没有影响时，再批量使用。

* K6 R( o7 K# @& |9 q2 C' Z

    3.案例分析

    （1）案例一 我公司和驻马店某大型铸造企业，长期以来一直使用舞钢市某公司生产的增碳剂，产品质量很稳定，后间断使用SD某公司生产的增碳剂，铸件加工后成批出现气孔，严重时铸件落砂后就可以发现。金相分析：气孔周围没有石墨，边缘白亮，呈“贫碳”现象。与“埃肯国际贸易（上海）有限公司”提供的金像图谱相对比，应该属于氮气孔。表2为出现气孔炉次化学成分检验结果。

                               
登录/注册后可看大图

    （2）案例二 河北沧州孟村县某厂，生产建筑扣件，选用的材质是QT450—10。球墨铸铁的wC控制在3.5%~3.7%， CE控制在4.5%~4.6%。其配料及化验结果见表3。

& C3 b, Z  G8 g/ j, k

                               
登录/注册后可看大图

    根据表2，计算增碳剂的吸收率：

    不计烧损增碳剂应代入碳量＝95%×3.8%=3.61%

0 Q& ], n9 c$ @! o6 w% c7 a. p' E

    不计烧损所有炉料应代入碳量＝3.61%+0.7%+0.225%=4.535%

+ B) S3 }+ T, H  X7 J8 B8 D& V( [

    增碳剂实际代入碳＝3.3%-0.7%-0.225%＝2.375%

, j8 |% {& y  f* B9 \' L: o( L

    增碳剂的吸收率＝{1-［3.61（%）-2.375（%）］÷3.61（%）}×100%≈66%

* ]7 K' n8 V  ]4 \

    需要说明的是，这种煤质增碳剂的吸收率不仅低，而且在炉料熔化完毕，且清理完毕炉口熔渣时，如果因故需要停电或降低功率时，悬挂在炉壁上未熔的增碳剂，就会漂起来布满液面；另外不仅铸件上有气孔，即便是浇注时掉到砂箱上的跑铁，厚5mm左右，断口上也会有几个小气孔。

    更换为石墨增碳剂后，增碳剂的吸收率在85%左右，不仅减少了增碳剂的加入量，而且也消除了上述的气孔现象。

    顺便浅谈一下对使用煤质增碳剂认识：由于煤的含碳量低，含硫高，燃点低（无烟煤700℃），煤质增碳剂的煅烧温度在800℃左右，其石墨化时碳原子为无序杂乱排列，碳原子相互勾连，不易摆脱本体。增碳剂宏观组织致密，质地光滑坚硬，且含杂质多，所以其溶解速度慢、吸收率低。

    碳原子经过高温处理，随着温度的提高，碳原子的排列由混乱无序到逐渐地排列有序。无烟煤燃点低，很难进行高温煅烧，没有经过高温煅烧处理，所以不仅含的杂质高，而且还保留着原始的粗大石墨。这些粗大的原始石墨（片），熔点高、稳定性强，在用中频感应电炉熔炼过程中，是无法彻底消除的，这就是通常所说的“遗传性”。这些没有彻底消失的粗大石墨，在铁液凝固时，就形成了最早的石墨核，随着其他石墨一起长大，其粗大的石墨形态如同蝌蚪状，叫做“C”型石墨。李传栻在《用感应电炉熔炼灰铸铁时的一些冶金特点》一文提出，新生铁的用量不要大于20%，就是担心新生铁中的粗大石墨，不能够彻底的溶解，而产生“遗传性”。生产配料中添加新生铁还担心“遗传性”呢，更何况煤中的碳原子，其“遗传性”就更大，会影响铸件的物理性能，即便没有马上反映出来，但工件在服役过程中，这些粗大的石墨片也就可能成为裂纹源，影响铸件的疲劳强度而产生断裂。由于煤质增碳剂的组织致密，碳原子排列混乱，其被吸收的速度慢，易漂浮在铁液表面，不能吸收的部分，由于没有彻底熔化，在电磁搅拌的作用下，或挂在炉壁上，或夹裹在铁液中，使铸件形成夹渣、碳化物孔洞等。铁液在凝固过程中，由于石墨膨胀，在没有熔化的增碳剂颗粒位置处，就易形成气孔、气缩孔。

    三、影响增碳剂吸收的因素

    （1）增碳剂的自身质量 建议使用煅后石油焦增碳剂或者石墨化增碳剂，即人造石墨。

" j4 m; l5 f- H" |

    （2）铁液的含碳量 一般情况下，铁液的含碳量越低，增碳剂的吸收率越高，当铁液的wc在3.6%以上时，再增碳就困难了。

7 E' B5 ~8 d( O& `2 |: ^

    （3）铁液的含硅量 铁液中硅的含量越高，越影响增碳剂的吸收，这是因为硅具有排碳作用，降低了碳在铁液中的溶解度。

( I) T  ~  I" P9 U# e) {, G, G

    （4）铁液的含锰量 原铁液中的锰含量高，有利于增碳剂的吸收。

    有资料介绍，初始碳量每增加0.1% , 增碳剂吸收率降低 1 %～2 %；硅量每增加0.11% , 增碳剂吸收率降低3 %～4 %；硫量每增加0.1% , 增碳剂吸收率降低1 %～2 %；锰量每增加0.1 % ,增碳剂吸收率提高2 %～3 %。由此可见, 当铁液中初始碳含量高时, 在一定的溶解极限下, 增碳剂的吸收速度慢，吸收量少, 烧损相对较多, 增碳剂吸收率低。当铁液初始碳含量较低时, 情况相反。另外, 铁液中硅和硫阻碍碳的吸收, 降低增碳剂的吸收率。而锰元素有助于碳的吸收, 提高增碳剂吸收率。就影响程度而言, 硅最大, 锰次之, 碳、硫影响较小。因此, 在实际生产过程中, 应先增锰, 再增碳, 最后增硅。

    （5）炉料和铁液质量 熔炼中防止铁液严重氧化。

* b$ e7 h5 _; _' X

    （6）炉工操作 增碳剂还没有被吸收，就不停的往外挑渣，把增碳剂和熔渣一起挑出来。

    （7）加入时间及加入方法 增碳剂不要先加入炉底，由于增碳剂的熔点高，其是依靠铁液的包围被缓慢的分解吸收的，所以如果直接加入炉底，不但延长增碳剂的分解时间，集聚的高温还可以将炉底烧成海绵状，甚至将炉底烧穿。应在炉底有少量铁液时，增碳剂随废钢一起加入，力争在炉料加入3／5时，把计算的增碳剂加入完毕。

& q( f. u6 ?% ^+ O

    （8）炉温控制 在正常的生产条件下，铁液温度较高（约1380℃），则碳较易溶于铁液，增碳效率因而较高。

* {' L/ b8 I( D* M% {: s0 O/ t

    四、增碳剂的加入方法

    我们知道用感应电炉熔炼炉料，是由感应圈经导电产生磁场，在炉料中产生电涡流，由电涡流发热藉以熔化炉料。

+ @0 N+ S7 d( v: k

    废钢的熔点比铸铁高，增碳剂的熔点更高，当废钢在熔化过程中以及熔化之后，增碳剂被加热缓慢的溶解和扩散，增碳剂中的碳才能被钢液侵蚀吸收。钢液逐渐的变成铁液，即常称之为“合成铸铁”。

    感应电炉在熔炼铁液过程中，具有电磁搅拌摩擦的特性。铁液过热温度高，过热时间长，且又有感应电流的搅拌摩擦，铁液中微细的晶态石墨即自发晶核和外来结晶核心，都会逐渐溶于铁液而消失，或浮经液面与集渣剂粘裹在一起被挑出炉外，这样使铁液中可在共晶结晶时作为石墨外来晶核的物质大幅度减少。

    由于使用中频感应电炉不但没有增碳源，而且碳还有烧损，所以为了得到合格的含碳量，添加增碳剂是必不可少的措施。在熔炼中，正确的操作方法，对铁液质量和增碳剂的吸收率也时至关重要的。具体操作方法如下：先在炉底加入30~50kg新生铁或回炉料→少量废钢→（有铁液后）增碳剂＋废钢→生铁＋回炉料。

9 A' F9 O2 Q# T6 m; E3 Q1 P

    结 语

    用废钢加增碳剂生产合成铸铁，在选用增碳剂时，要根据废钢的加入量来选择增碳剂，如果废钢的加入量少，可以选择含氮量适当高的增碳剂；如果废钢的加入量多，可以选择含氮量低的增碳剂。优质的增碳剂，不但具有增碳作用，还具有对铁液的孕育作用。由于氮毕竟是气体，且不易检测和控制，所以在购买增碳剂时，力争购买含氮量低的增碳剂为好。

（来源：《金属加工（热加工）》）

铸造小猫

增碳剂现在已经做烂掉了
; I- Y7 R; ^# w

老翻砂匠

铸造小猫 发表于 2020-7-27 16:46
增碳剂现在已经做烂掉了

同意，但又有很多新的发现，可以这么说：增碳剂，很有奥妙！

fbi-2008

如果碳原子以石墨烯状态存在于铸件会怎样？

1234lixin

学习了，收藏了

silence

学习了 谢谢

小辛666

谢谢陈工分享