增碳劑選擇對合成鑄鐵組織性能影響的研究

任現偉

（洛陽古城機械有限公司，河南 洛陽 471000）

在鑄鐵行業中，相比于大量使用新生鐵來說，廢鋼的來源更加豐富、價格也更為低廉，為了節約成本和國內過多的廢鋼資源再利用，鑄造企業已經廣泛采用廢鋼加增碳劑的工藝方式來生產鑄鐵，使用該方法生產的鑄鐵被稱為合成鑄鐵。在合成鑄鐵生產中，通過增碳劑的應用，可提高鐵液中的含碳量及穩定石墨核心的析出和長大，從而有效改善合成鑄鐵的各項物理性能和機械性能，進而達到提高鑄鐵生產質量、節約成本的目的。隨著我國在合成鑄鐵技術上的研究不斷深入，這也使廢鋼的加入量不斷增多，時至今日，廢鋼加入量已經從最初應用合成鑄鐵時的40%增加至現有的80%左右，由于電爐熔煉鑄鐵與沖天爐有所不同，其并不具備增碳源，因此為了使合成鑄鐵的含碳量合格，就必須要添加相應的增碳劑，而這就需要對增碳劑選擇對合成鑄鐵組織性能的影響進行相應的研究，這也是改善合成鑄鐵生產質量的關鍵所在。

1 常見的增碳劑類型

在合成鑄鐵生產中，增碳劑的選擇對其組織性能的改善有著十分重要的影響。增碳劑的類型有很多，根據增碳劑中碳所具有的形態，可將其劃分為非石墨增碳劑以及石墨增碳劑兩種。其中，在石墨增碳劑中，較為典型的有廢石墨電極、天然石墨顆粒、石墨電極碎屑或邊角料等。另外，與石墨結構相似的碳化硅結構也同樣是石墨增碳劑中較為特殊的一種。非石墨增碳劑中，較為典型的主要有煅燒石油焦、瀝青焦、煅燒無煙煤等。在合成鑄鐵生產中，主要選擇晶體態的增碳劑，增碳劑的主要成分為石墨。

2 增碳劑在合成鑄鐵中的增碳原理

在合成鑄鐵生產中，考慮到需要加入大量的廢鋼，相對于鑄鐵回爐料而言，廢鋼自身的含碳量低導致鑄鐵熔煉生產過程中的鐵液內的含碳量普遍較低，因此必須要進行增碳處理。增碳劑內的碳在熔于鐵液時，主要是通過擴散與溶解這兩種方式來實現的，如果鐵液內的碳含量為2.1%，則在選擇石墨增碳劑后，其碳成分會直接溶解到鐵液內。在國外，某學者就對碳元素在鐵溶液中所具有的溶解性進行了實驗研究，該實驗是將溫度置于1623-1923℃范圍以內的多種不同含有碳元素的物質當作實驗對象，以此分析這些物質在鐵液內所產生的溶解作用。含碳物質的溶解性可利用公式表述為，在該公式中，碳元素在溶解過程中所具有的傳質通量由j表示，所謂傳質通量，是指當溫度與碳元素一定時，碳元素以溶解和擴散這兩種方式進入到鐵液中的單位數量。而碳元素的飽和濃度由C進行表示，碳元素的主體濃度由Cb表示，總溶解系數則由K進行表示，總溶解系數的計算公式可表示為，在該式中，K代表固體粒子表面液u體邊界層的碳傳質系數，而Kp則代表界面的反應常數。該實驗證明了固體粒子表面液體邊界層的碳元素傳質會影響鐵液內碳元素的溶解。通過對煤顆粒、焦炭和石墨這三種類型的增碳劑進行應用效果對比，可以很明顯的發現石墨增碳劑要具有更快的擴散溶解速度，利用顯微境來對部分已經溶解的煤顆粒和焦炭增碳劑進行觀察，可以發現這些增碳劑的表面有一層非常薄的膜，正是這層膜的存在影響了碳元素在鐵液中的擴散溶解速度。

3 增碳劑選擇對合成鑄鐵的影響研究

（1）粒度影響.增碳劑的使用過程主要包括氧化損耗與溶解擴散兩個過程，在選擇增碳劑時，其粒徑不同，則其氧化損耗和溶解擴散過程也會隨之不同，鐵液對增碳劑的吸收率是由增碳劑所具有的氧化損耗速度和溶解擴散速度所決定的。通常而言，增碳劑粒度越小，則其氧化損耗速度和溶解擴散速度也就越快，反之亦然。對于增碳劑粒度來說，其是由爐膛的容量和直徑所決定的，爐膛的容量與直徑越大，則增碳劑的粒度也就越大，反之也同樣如此。如果是采取1t以下的電爐進行合成鑄鐵熔煉，需要確保增碳劑的粒度在0.5至2.5mm以內，如果電爐的規格在1至3t，則其粒度應在2.5至5mm以內，如果電爐規格為3至10t，則其粒度應在5至20mm以內，如果增碳劑是用來包內覆蓋的，則其粒度應控制在0.5至1mm以內。

（2）加入量的影響。在熔爐溫度與鐵液化學成分一定的情況下，鐵液對碳元素的溶解是存在一個飽和濃度的，當飽和度一定時，增加的增碳劑越多，則碳元素的溶解擴散時間就越長，對碳元素的損耗也就越大，鐵液對碳元素的吸收量也就越少。

（3）溫度影響。在合成鑄鐵生產中，鐵液內的氧元素會與硅元素和碳元素進行反應，平衡溫度會因碳元素與硅元素含量的不同而改變，當鐵液比平衡溫度高時，則氧元素優先會和碳元素反應，進而生成一氧化碳與二氧化碳，此時碳元素在鐵液內的氧化損耗速度會增加。由此可見，鐵液溫度比平衡溫度高時，則鐵液對增碳劑的吸收率會下降，而鐵液溫度比平衡溫度低時，則增碳劑中的碳所具有飽和溶解度會下降，相應的其溶解擴散速度也會降低，這也使鐵液對碳元素的收得率較低。只有增碳劑在平衡溫度時使用，才能使鐵液對增碳劑的吸收效率達到最高。

（4）攪拌影響。對鐵液進行攪拌有助于對增碳劑的吸收，當增碳劑進入到鐵液中但尚未完全溶解時，對鐵液的攪拌時間越長，則鐵液對增碳劑的吸收率就越高。對鐵液進行攪拌可以減少增碳劑的保溫時間，縮短合成鑄鐵的生產周期，防止合金元素在鐵液中被燒損。不過，過長的攪拌時間不僅會嚴重影響熔爐的使用壽命，而且還會加劇碳元素在鐵液內的消耗，因此必須要確保增碳劑在被完全溶解時盡可能減少鐵液的攪拌時間。

（5）鐵液成分影響。如果鐵液內的碳元素初始含量比較高，則溶解極限一定時，鐵液對增碳劑的吸收速度較慢，對合金元素的燒損較多，如果鐵液內的碳元素初始含量較低，則鐵液對增碳劑的吸收恰恰與前者相反。并且，鐵液中含有的硫元素與硅元素會影響到碳元素的吸收，而錳元素則有助于鐵液對碳元素的吸收。從鐵液中硫、硅及錳這三種化學成分的影響程度來看，硅元素的影響程度最大，錳元素影響程度適中，硫元素的影響程度最小。因此，在合成鑄鐵生產過程中，需要先增加錳元素，再增加碳元素，最后再增加硅元素。

4 合成鑄鐵的組織性能影響研究

從合成鑄鐵的微觀組織結構來看，當增碳劑被投入到鐵液中時，大量的碳元素會在鐵液內彌散分布，由于碳元素是以非均質結晶呈現出來的，因此會使鐵液的過冷度下降，從而加快鑄鐵對石墨組織的生成。此時，考慮到合成鑄鐵沒有用生鐵或使用了少量生鐵，這也使生鐵在鐵液中產生的遺傳作用被大幅削弱，進而使石墨在鐵液內的分枝成長性變低，從而使合成鑄鐵內的石墨組織變得短小而均勻。由于合成鑄鐵生產需要使用大量的增碳劑，而增碳劑中氮含量過高極易造成鑄件氮氣孔缺陷，適量的氮含量可以穩定珠光體、促進珠光體化，提高鑄件硬度和抗拉強度。但是，如果氮含量≥0.02%，就會在鑄件凝固后期從鐵液中析出，最終形成存在于枝晶間的皮下氣孔，嚴重降低和削弱了鑄件的機械組織性能，甚至可能造成鑄件在使用過程中的嚴重安全事故。在合成鑄鐵生產中，增碳劑的使用會大幅增加石墨晶核在鐵液中的數量，從而彌補石墨晶核數量少在電爐熔煉中所造成的不利影響。在CE相同時，相比于普通的鑄鐵，采用合成鑄鐵生產的灰鑄鐵和球墨鑄鐵以及蠕墨鑄鐵在抗拉強度上要高出30MPa以上，其硬度要高出至少10HB，并且鑄件的硬度也比前者更均勻，更為重要的是，我們研究的是采用合成鑄鐵生產的鑄件，可以大幅度的減少和彌補因為鑄件結構和澆注系統設計不合理造成的鑄件縮松、縮孔類缺陷。經生產實踐證明，在利用電爐進行鑄鐵熔煉生產時，采取廢鋼與增碳劑相結合的方式，應根據合成鑄鐵的種類來選擇合適的增碳劑，如生產球墨鑄鐵時應選用含硫含量較低的增碳劑，以避免增碳劑帶入過多的硫量，造成鑄件球化不良和球化級別低下等鑄造缺陷，并嚴格按照合成鑄鐵的鑄件的技術要求和工藝方案來進行鑄鐵件的生產，使鑄鐵件的硬度和均勻性變得更高。

5 結語

廢鋼加增碳劑作為一項重要的鑄鐵工藝，探尋增碳劑選擇對合成鑄鐵組織性能的影響，將為該項工藝的改進打下堅實的理論基礎，從而有助于降低生產成本，提高鑄件的生產質量。在選擇增碳劑時，除了要考慮其熔煉方式以外，還要考慮回爐料的加入量、增碳劑的利用率與加入時間及鐵液過熱溫度等影響因素，只有這樣才能提高增碳劑的使用效率。