淺談對合成灰鑄鐵增碳劑的認識

碳能新材 石嘴山市碳能新材料科技有限公司 2024-06-25 09:07 寧夏

隨著近年來鑄造業熔煉材料成本壓力的增加和熔煉技術的發展，鑄造廠在生產鑄鐵產品時熔煉基本不用生鐵作為爐料，即用大量廢鋼來代替生鐵，然后用增碳劑增碳，使碳含量達到工藝要求，既提高了灰鑄鐵的性能，又節約了生產成本。因此，這種工藝即“合成鑄鐵”工藝很快得到了推廣和應用。

      在合成鑄鐵技術的不斷發展和完善的過程中，廢鋼的加入量也越來越多，鐵液所需增碳量也越來越多；因此，增碳劑的選擇和使用方法，對改善灰鑄鐵組織和性能有著至關重要的影響。

      傳統工藝灰鑄鐵的生產采用廢鋼+生鐵，而合成鑄鐵采用的是廢鋼+增碳劑的生產配比工藝。隨著灰鑄鐵產品性能要求的提高，合成鑄鐵工藝逐步取代了傳統工藝，傳統工藝由于大量使用生鐵，生鐵中存在許多粗大的過共晶石墨，鐵液的熔煉溫度低，粗大石墨不易被消除，就從液態遺傳到了固態組織中，從而削弱了灰鑄鐵性能。而合成鑄鐵工藝大量使用廢鋼，然后通過增碳劑的加入來達到灰鑄鐵熔煉所需的碳當量，由于增碳劑的加入，帶來了大量的非均質石墨結晶核心，促進石墨化，降低鐵液的過冷度，促使生成以A型石墨為主的石墨組織，從而提高了灰鑄鐵的力學性能。在同等化學成分條件下，合成鑄鐵的材質性能較傳統工藝提高近1倍。同時由于合成鑄鐵工藝采用滲碳的方式，在共晶條件下析出石墨的膨脹化作用明顯，鐵液的收縮傾向減小。

      一、增碳劑的選用標準

      隨著合成鑄鐵生產工藝的發展，越來越多的人意識到增碳劑對灰鑄鐵組織和性能的重要性，逐步加深了對增碳劑的認識和研究。

      增碳劑的種類和來源有很多，根據增碳劑中碳的晶體結構，增碳劑可以分為晶體態和非晶態；根據碳在增碳劑中的存在形態又可分為石墨增碳劑和非石墨增碳劑；依據原材料不同又可分為天然石墨增碳劑和人造石墨增碳劑。在合成鑄鐵的生產過程中，由于基本不用生鐵作為爐料，為了達到碳含量的要求，要向鐵液中增碳。因可用作增碳的材料有很多，質量差異也很大，因此，應根據企業產品類型和工藝控制水平合理、正確的選擇增碳劑。

      石墨增碳劑中的C以單質形態存在，熔點為3727℃，在灰鑄鐵的熔煉溫度下是不能熔化的，因此增碳劑中的C主要通過溶解和原子擴散來實現增碳。當鐵液中的C含量在2.1%時，石墨可在鐵液中直溶，能夠提高增碳劑的吸收率，也能縮短熔煉周期，從而降低生產成本；而非石墨增碳劑只能通過原子擴散的形式來實現增碳。經過高溫石墨化的增碳劑，C原子才能從無序排列變成片狀排列，片狀石墨是石墨形核的最好核心，以利于促進石墨化，因此增碳劑應該選擇石墨化增碳劑。

      眾所周知，增碳劑的技術指標主要包括：水分、灰分、揮發分、硫分和固定碳。然而對固定碳和C含量存在有認識誤區，固定碳是根據增碳劑的水分、灰分、揮發分和硫分計算得來的，而碳含量是通過碳硫分析儀等檢測設備得來的。

      大家對增碳劑的認識上往往忽略了一個重要的指標，那就是增碳劑中的N含量；隨著合成鑄鐵工藝的發展，越來越多的人將N元素視為一個重要的合金元素，N在灰鑄鐵中的作用具有兩面性：一般認為，N含量在70~120ppm時，N具有穩定珠光體、使片狀石墨彎曲、尖端鈍化，從而提高灰鑄鐵的力學性能；當灰鑄鐵中的N含量超過平衡濃度（一般認為約140ppm）時，鑄件就會產生裂隙狀的氮氣孔缺陷；因此增碳劑的選擇，合適的氮含量是關鍵。有研究表明，氮對灰鑄鐵的影響主要表現在改善石墨形態和提高灰鑄鐵基體性能兩個方面。在初生奧氏體析出過程中，氮在奧氏體和殘留液相中的含量沒有差別，氮在石墨中的濃度卻明顯高于基體，用俄歇譜儀檢測發現共晶轉變過程中石墨表面有幾個原子層厚度的氮吸附層，在石墨長大過程中氮固溶于石墨中使晶格產生畸變，集中缺陷增多，導致石墨產生彎曲和分支傾向增加，由于吸附在表面的氮阻礙了片狀石墨的生長，因此石墨端部鈍化，石墨的長寬比減??；同時氮使初生奧氏體一次軸變短，二次臂間距減小，使共晶團細化，珠光體含量增加，從而提高了灰鑄鐵基體的強度、硬度。

      灰鑄鐵具有良好的鑄造性能、減震性能、加工性能和良好的力學性能，加之合成鑄鐵技術的發展和氮對灰鑄鐵的有益作用，灰鑄鐵仍舊是鑄造業不可替代的主題，且正向著高碳微合金化的方向發展。氮在改善灰鑄鐵石墨形態和提高基體性能方面有著積極的作用，是一種廉價量大的“合金元素”，伴隨著灰鑄鐵性能要求和產品結構的復雜性的提高，增碳劑技術指標的認識和選擇是高強度灰鑄鐵生產的關鍵。

      二、增碳劑的使用

      熔煉過程中加入增碳劑的目的是為了滿足灰鑄鐵生產工藝所需的碳含量，主要通過溶解和擴散，采用中頻爐熔煉灰鑄鐵，為了提高增碳劑的收得率，需要注意以下方面。

      （1）增碳劑的粒度 增碳劑增碳的過程包括溶解擴散過程和氧化損耗過程，增碳劑的粒度不同，溶解擴散的速度和氧化損耗的速度就不同，增碳劑收得率的高低就取決于增碳劑溶解擴散速度 和氧化損耗速度的綜合作用。一般情況下，增碳劑的粒度小，溶解擴散速度快，氧化損耗的速度也快，主要看溶解擴散和氧化損耗哪個占主導作用。因此，增碳劑粒度大小的選擇與爐膛直徑和容量有關，爐膛直徑和容量大，增碳劑的粒度要大些，反之，增碳劑的粒度要小些。

      （2）加入方法，將增碳劑隨廢鋼等爐料分層加入電爐中下部，可以使增碳劑與廢鋼充分接觸，廢鋼熔化后，鐵液中的碳含量低，更有利于增碳劑的擴散，從而提高增碳劑的收得率（可達90%~95%）。

      （3）爐溫控制。一 般認為鐵液溫度越高，作用時間越長，碳的吸收率越高，恰恰相反，感應電爐中低溫增碳，高溫增硅；這與C-Si-O的平衡有關，C主要損失于向大氣的擴散，C-Si-O的平衡溫度與鐵液中C、Si含量有關，鐵液溫度在平衡溫度以上時，優先發生碳的氧化，C氧化生成CO和CO2。因此，在平衡溫度以上時碳的吸收率降低；反之在平衡溫度以下時，碳的飽和溶解度也低，溶解擴散速度降低，因此碳的吸收率也降低；因而在平衡溫度時增碳劑的收得率最高，灰鑄鐵的平衡溫 度一般為(1400±20) ℃。

      （4）爐工操作。增碳劑還未完全溶解吸收時，就頻繁地往外扒渣，將增碳劑和熔渣一起扒出，增碳劑的收得率降低。

      三、結論

      （1）合成鑄鐵生產優先選擇石墨型增碳劑， 石墨型增碳劑利于石墨化、增加石墨核心數量。

      （2）利用增碳劑生產合成鑄鐵，應合理控制鐵液N含量。N元素具有增加珠光體含量、 細化共晶團及改善石墨形態功效的合金化作用。低于下限達不到合金化效果、高于上限容易產生N氣孔，因此調整廢鋼加入量來控制N含量。

      （3）增碳劑粒度應根據熔煉爐大小選擇，熔煉應在出爐前不少于10min加入完畢且與廢鋼分批加入，這樣增碳劑可以充分溶解、擴散、吸收，收得率達到90%~95%。

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