中頻感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵增碳劑的選擇及應(yīng)用

■ 孫永功，楊濤，王樹寶

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(shí)可降低鐵液中氧的含量，提高鑄件力學(xué)性能。目前，感應(yīng)電爐在鑄鐵熔煉中已廣泛使用，由于工業(yè)廢鋼價(jià)格較低，在鐵液熔煉時(shí)使用量大幅增加，通過(guò)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(shí)生產(chǎn)成本也大幅降低。

1. 鑄鐵用增碳劑分類

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(guò)2200～2600℃的高溫加熱，使石油焦無(wú)定形的亂層結(jié)構(gòu)碳晶轉(zhuǎn)化變成三維有序石墨晶體的高溫?zé)崽幚磉^(guò)程，即經(jīng)過(guò)石墨化過(guò)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，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)在感應(yīng)電爐熔煉時(shí)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、硫分、揮發(fā)分、灰分、氮含量及水分等。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。

（1）固定碳、灰分、揮發(fā)分 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)分、灰分及硫分計(jì)算得出的，而含碳量可直接用儀器檢測(cè)出來(lái)。固定碳含量高、灰分低，則增碳效果好。增碳劑中的灰分含量高在熔煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量煙塵、爐渣，增加能耗，加大扒渣勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）硫含量 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(shí)應(yīng)選用含硫量低的石墨化增碳劑，若硫含量過(guò)高將影響球化效果，消耗更多的球化劑，增加生產(chǎn)成本；由于煅燒石油焦增碳劑煅燒溫度較低，硫含量較高，一般在1%以下，因此可用于某些灰鑄鐵件的生產(chǎn)。

（3）氮含量 是衡量增碳劑品質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。一般鑄造廠在購(gòu)買增碳劑時(shí)，一是關(guān)注增碳劑的價(jià)格；二是關(guān)注增碳劑中的固定碳、硫、灰分、揮發(fā)分及水分的含量，而對(duì)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(shí)，由于爐料中廢鋼自身會(huì)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，鐵液中的氮含量會(huì)大幅度提高。鐵液中過(guò)量溶解的N會(huì)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，惡化鑄件可加工性。對(duì)于灰鑄鐵，適量的N元素可以使石墨片長(zhǎng)度縮短，彎曲程度增加，端部鈍化，長(zhǎng)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，當(dāng)鐵液中wN＞0.012%時(shí)，鑄件有出現(xiàn)氮?dú)饪兹毕莸目赡堋５獨(dú)饪壮Ｒ?jiàn)于鑄件內(nèi)部、表面或近表面，呈大小不等的圓形、長(zhǎng)方形及不規(guī)則形態(tài)，是鑄造生產(chǎn)中常見(jiàn)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液氮含量一般很低。

2. 鑄造增碳劑的選取

在生產(chǎn)球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵件時(shí)應(yīng)選用含硫量低的石墨化增碳劑，若使用硫含量較高的非石墨化增碳劑會(huì)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，可用于某些灰鑄鐵件的生產(chǎn)。

3. 增碳劑加入方式及影響吸收率的因素

（1）增碳劑的加入方式 使用感應(yīng)電爐熔煉時(shí)，加入方式對(duì)增碳劑吸收效果影響較為顯著。增碳劑不要早于爐料加入爐底，應(yīng)在爐底有部分鐵液時(shí)隨爐料一起分批加入。這是因?yàn)樵鎏紕┑娜埸c(diǎn)較高，必須依靠鐵液的包圍才會(huì)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。在電爐升溫過(guò)程中鐵液的攪拌作用使碳更容易被鐵液吸收。

（2）鐵液化學(xué)成分對(duì)增碳劑吸收率的影響 鐵液中硅含量過(guò)高會(huì)影響增碳劑的吸收，這是因?yàn)楣栌信盘甲饔茫档土颂荚阼F液中的溶解度，硅含量每增加0.11%，增碳劑吸收率下降3%～4%。因此，在加料時(shí)增碳劑加入時(shí)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。

（3）鐵液溫度對(duì)增碳劑吸收率的影響 一般認(rèn)為，鐵液溫度越高，作用時(shí)間越長(zhǎng)，增碳劑吸收速率較快。據(jù)相關(guān)資料介紹，感應(yīng)電爐內(nèi)鐵液溫度較高時(shí)，碳含量不升反降。這是因?yàn)椋孩偈贾饕獡p失與向爐外大氣的氣相擴(kuò)散。②鐵液中的氧化性與C-Si-O的平衡關(guān)系，鐵液中的CO不斷地被氧化為CO2，而CO2又會(huì)被C還原，反應(yīng)產(chǎn)生CO，CO2氣體上浮溢出鐵液表面，使鐵液中的碳含量下降。使用感應(yīng)電爐進(jìn)行熔煉時(shí)增碳應(yīng)在溫度較低時(shí)進(jìn)行，增硅在溫度較高時(shí)進(jìn)行。

（4）增碳劑粒度對(duì)吸收率的影響 增碳劑越細(xì)小，加入時(shí)與鐵液的接觸面積越大，熔解快，容易吸收，但若粒度過(guò)于細(xì)小，易被氧化，損耗大；顆粒大，熔解速度慢，損耗較小，因此應(yīng)根據(jù)熔煉爐的類型選擇合適粒度的增碳劑。

4.石墨化與非石墨化增碳劑吸收率的比較

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)用于球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵件的生產(chǎn)。

跟蹤每種同一批次的增碳劑使用時(shí)的增碳效果，統(tǒng)計(jì)其吸收率，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。電爐型號(hào)為10t/h、15t/h中頻感應(yīng)電爐，三種增碳劑的加入方式都是隨爐料分批加入。

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，同種類型增碳劑，粒度小的吸收效果更好。

表1 增碳劑種類及成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

表2 不同類型增碳劑吸收率統(tǒng)計(jì)

5. 結(jié)語(yǔ)

石墨化增碳劑與非石墨化增碳劑在中頻感應(yīng)電爐熔煉條件下，石墨化增碳劑吸收率要高于非石墨化增碳劑 ，兩種增碳劑固定碳含量、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C、N、S三種元素都會(huì)對(duì)鑄件性能產(chǎn)生較為顯著的影響。要根據(jù)產(chǎn)品特性，選用合適的增碳劑，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下降低生產(chǎn)成本。

[1] 許翔.增碳劑中碳、硫、氮元素含量對(duì)鑄鐵件的影響[J]. 安徽化工，2015，41（6）.

[2] 呂賢枝.氮對(duì)灰鑄鐵件的影響[J]. 金屬加工（熱加工），2017（3）.

[3] 陸文華，李隆盛，黃良余. 鑄造合金及其熔煉[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.