【铸造知识 | 合成铸铁的熔炼及增碳剂的使用 】

合成铸铁的熔炼及增碳剂的使用

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

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。

增碳剂石墨化

      根据大多数工厂的使用情况，结合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。

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。

     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。

      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。

3.案例分析

（1）案例一  某大型铸造企业，长期以来一直使用某公司生产的增碳剂，产品质量很稳定，后间断使用另一公司生产的增碳剂，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。

（2）案例二  河北某厂，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。

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%

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

增碳剂实际代入碳＝3.3%-0.7%-0.225%＝2.375%

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

     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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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。