铸铁的增碳原理和常用的增碳剂.docx

冲天炉熔炼铸铁时，熔融的铁以液滴通过灼热的底焦，增碳效果很好，通常可以通过调整底焦高度、控制炉料配比和铁液温度来控制增碳量，有必要采用增碳剂的情况很少。
感应电炉熔炼铸铁时，炉内没有碳源，炉料中废钢的用量又多，增碳剂一般都是必不可少的。增碳剂的品种及其特征，不仅影响增碳效率，对铸件的冶金质量也有重要的影响。一、铁液中的碳碳在常压下的熔点为3550℃，沸点为4194℃，3500℃开始升华，是熔点最高的元素。在常温下，各种含碳材料中的碳基本上都不具活性，在高温下却有很强的反应能力。在有氧的条件下加热，无定形碳在350℃以上就会发生氧化反应，石墨则在450℃以上发生氧化反应。碳氧化所产生的CO2在高温下是不稳定的，易于释放氧而形成CO。大气中的CO2在1000℃下基本上都转变为CO，残留的CO2不到1％。 
铁液中的碳，主要以两种状态存在：一种是溶于铁液中，称之为溶解碳另一种是以亚微观的颗粒悬浮于铁液中，也称为游离碳，其形态是晶态石墨。灰铸铁铁液凝固过程中，溶解碳主要以石墨的形态析出，少量固溶于共晶奥氏体。共析转变时，固溶于奥氏体中的碳，一部分以化合碳Fe3C析出，一部分扩散到已形成的石墨上。常温下，除合金含量高的奥氏体铸铁外，固溶于铁中的碳很少。 
    凝固后的铸铁中碳含量的测定值，是其中化合碳量、游离碳含量和少量固溶碳量的总和。 
    浇注铁液制成的铸件中，微观组织中化合碳的含量，化合碳的形态和弥散程度，游离碳的形态和尺寸，都取决于铸铁的化学成分、铁液的过热程度、铁液的处理过程和铸件的冷却速率。对于控制铸铁质量，这些都是至关重要的问题。 
    除此以外，在高温下，铁液中的碳易于被氧化成为CO，所以有人认为铁液中的碳也是一种“气体形成元素”。CO在铁液中的溶解度很小，形成后即释放于邻近液面的大气中。 
    铁液中硅含量高，则溶解于其中的碳以石墨析出的倾向大，在这种条件下，要使铁液增碳当然困难。铁液中硅含量低，增碳就比较容易。因此，铸铁熔炼过程中的增碳应在增硅以前进行。 
    对铸铁进行孕育处理时，细小的孕育剂弥散分布，产生大量硅浓度高的微区促使该处的 碳以微细的晶态石墨析出，形成铁液共晶凝固阶段的石墨化核心。铁液经孕育处理后，随着放置时间的延长，高浓度的硅又逐渐向周边扩散，硅浓度降低后，微细的晶态石墨又会逐渐溶于铁液，孕育作用也就随之逐渐衰退。 
   为了使铸铁组织中石墨的形态和尺寸符合要求，铁液中必须有这样的微细晶态石墨，作为共晶凝固时的石墨化晶核。除此以外，铁液中还需要氧化物、硫化物、硫氧复合化合物之类的夹杂物，作为石墨的外来晶核。
    如果铁液在感应电炉中保持时间很长（20小时以上），由于长时间处于高温状态，又有感应电流的搅拌作用，微细的晶态石墨和外来结晶核心都逐渐溶于铁液，石墨化的核心大幅度减少。这样的铁液，过冷度很大，对孕育处理的回应能力极差，不可能通过孕育处理使铸铁具有符合要求的微观组织，因而，即使化学成分完全符合要求，也不能用以浇注铸件。这种缺乏石墨结晶核心的铁液，美国通常称之为“周一晨间铁液（Monday morning iron）”，因为，大型感应电炉中贮存的铁液，经周末休假后，周一上班时就是这种状况。这是一个令人十分头痛的问题，目前，处理周一晨间铁液的方法是：加入废钢使铁液激冷，同时加入硅铁，以促进析出微细的晶态石墨，增加石墨化所必需的核心。二、增碳剂 
    可以用作铸铁增碳剂的材料很多，常用的有人造石墨、煅烧石油焦、天然石墨、焦炭、无烟煤以及用这类材料组配成的混合料。 
1、人造石墨 
    上述各种增碳剂中，品质最好的是人造石墨。 
    制造人造石墨的主要原料是粉状的优质煅烧石油焦，在其中加沥青作为粘结剂，再加入少量其他辅料。各种原材料配合好以后，将其压制成形，然后在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。 
    由于人造石墨制品的价格昂贵，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，以降低生产成本。 
    熔炼球墨铸铁时，为使铸铁的冶金质量上乘，增碳剂宜首选人造石墨，为此，最好向附近用电弧炉炼钢的企业或电解铝生产企业购买废电极，自行破碎到要求的粒度。 
2、石油焦石油焦是目前广泛应用的增碳剂。 
    石油焦是精炼原油得到的副产品，原油经常压蒸馏或减压蒸馏得到的渣油及石油沥青，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。生石油焦的产量大约不到所用原油量的5％。美国生石油焦的年产量约3000万吨。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。 
    生石油焦有海绵状、针状、粒状和流态等品种。 
    海绵状石油焦是用延迟焦化法制得的，由于其中硫和金属含量较高，通常用作煅烧时的燃料，也可作为煅烧石油焦的原料。经煅烧的海绵焦，主要用于制铝业和用作增碳剂。 
    针状石油焦，是用芳香烃的含量高、杂质含量低的原料，由延迟焦化法制得的。这种焦炭具有易于破裂的针状结构，有时称之为石墨焦，煅烧后主要用于制造石墨电极。 
    粒状石油焦呈硬质颗粒状，是用硫和沥青烯含量高的原料，用延迟焦化法制得的，主要用作燃料。 
    流态石油焦，是在流态床内用连续焦化法制得的，呈细小颗粒状，结构无方向性，硫含量高、挥发分低。 
    石油焦的煅烧，是为了除去硫、水分和挥发分。将生石油焦于1200～1350℃煅烧，可以使其成为基本上纯净的碳。煅烧石油焦的最大用户是制铝业，70％用以制造使铝矾土还原的阳极。美国生产的煅烧石油焦，用于铸铁增碳剂的约占6％。各种石油焦制品的大致成分列于表1供参考。

3、天然石墨天然石墨可分为鳞片石墨和微晶石墨两类。微晶石墨灰分含量高，一般不用作铸铁的增碳剂。鳞片石墨有很多品种：高碳鳞片石墨需用化学方法萃取，或加热到高温使其中的氧化物分解、挥发，这种鳞片石墨产量不多、价格高，一般也不用作增碳剂；低碳鳞片石墨中的灰分含量高，不宜用作增碳剂；用作增碳剂的主要是中碳鳞片石墨，但用量也不多。 
天然石墨的大致成分见表2。

4、焦炭和无烟煤电弧炉炼钢过程中，可以在装料时配加焦炭或无烟煤作为增碳剂。由于其灰分和挥发分含量较高，感应电炉熔炼铸铁时很少用作增碳剂。 
   关于铸铁行业常用的几种增碳剂的成分和堆密度，表3中列出了一些典型的测定数据，供参照。

三、增碳剂的选用 
    选用增碳剂时，一般都应该注意以下几点。1、固定碳和灰分的含量 
    固定碳和灰分是增碳剂中此消彼长的两个对立参数，也是影响增碳效率的两个最重要的参数。增碳剂中的固定碳含量高、灰分低，则增碳效率高，反之则增碳效率低。由于生产条件下影响的因素很多，很难严格评定两参数各自对增碳效率的影响。 
    灰分高，对增碳有抑制作用，而且还会使炉渣量增多，从而延长作业时间，增加电耗，增加冶炼过程中的劳动量。采用熔沟式感应电炉，如增碳剂加入炉内，尤应选用低灰分的品种，以免熔沟中聚集氧化物而影响电效率。 
    从增碳效率考虑，当然希望增碳剂的固定碳含量高一些、灰分低一些，但同时也要考虑生产成本的因素和对铁液质量的影响。 
    增碳剂的加入方式对增碳效率也有很大的影响。 
a、增碳剂在装料时加入炉内 
    装料时将增碳剂与炉料混匀，置于感应电炉的底层和中部，增碳效率较高。关于不同增碳剂的增碳效率，美国有人在保持其他条件不变的情况下进行过对比试验，此处简述其要点如下： 
    在无心感应电炉中熔炼灰铸铁，铸铁的目标碳当量为4.03%（C 3.4%、Si 1.9%、Mn 0.55%）。 
    炉料的配比是：铸造生铁16％；回炉料30％；废钢52％；增碳剂2％。 
增碳剂与金属炉料同时加入炉内，不同增碳剂的增碳效率见表4。

b、出铁时加增碳剂 出铁时在包内加增碳剂，增碳效率比加入炉内者低得多。美国有人在包内加入不同增碳剂进行过对比试验，其要点如下：熔炼的铸铁是低碳当量铸铁，目标成分是：C 2.55%；Si 1.7%；Mn 0.4%。出铁时，铁液温度为1510～1530℃。增碳剂加在包内，然后冲入铁液，试验的结果见表5。

2、硫含量 
    熔炼球墨铸铁时，应采用硫含量低的增碳剂，虽然低硫增碳剂的价格高，但却是必需的。 
    熔炼灰铸铁时，宜采用硫含量较高的增碳剂。这样，不仅可以降低生产成本，而且还可增强铁液对孕育处理的回应能力，得到冶金质量高的铸件。在这种条件下，片面地追求增碳剂“质量高”而选用低硫的品牌，不仅增加生产成本，而且还对产品质量有负面影响。 
3、氮含量 
    灰铸铁中含有少量的氮，有促成珠光体的作用，有助于改善铸铁的力学性能。如果氮含量在0.01%以上，则铸件就易于产生“氮致气孔”。 
    通常，废钢中的氮含量高于铸造生铁。用感应电炉熔炼铸铁时，由于炉料中所用的铸造生铁锭少、废钢多，制得的铸铁中氮含量会相应较高。炉料中废钢用量为15%时，铸铁中的氮含量约为0.003~0.005%；废钢用量为50%时，氮含量可达0.008~0.012%；炉料全部为废钢时，氮含量可能高达0.014%以上。 
   此外，由于炉料中使用大量废钢，必须用增碳剂，而大多数增碳剂中氮含量都比较高，这又是导致铸铁中氮含量增高的另一因素。 
   近十多年来，随着感应电炉的应用不断增多，增碳剂中的氮含量日益受到重视。为避免铸件产生气孔缺陷，感应电炉熔炼铸铁时所用的增碳剂，一定要选购含氮量低的品种，如有可能，应核查增碳剂的氮含量。当前的困难在于：分析增碳剂中的氮含量，尚缺乏简便而准确的方法。 四、工艺因素对增碳效率的影响 
    除增碳剂中的固定碳含量和灰分对其在铸铁中的增碳效率有重要的影响外，增碳剂的粒度、加入的方式、铁液的温度以及炉内的搅拌作用等工艺因素都对增碳效率有明显的影响。在生产条件下，往往是多种因素同时起作用，难以对每一因素的影响作准确的说明，需要通过试验来优化工艺。 
1、加入方式 
    增碳剂在装料时随金属炉料一同加入炉内，由于作用的时间长，增碳效率比出铁时加入铁液时高得多，由表4和表5中的数据，对这一点可以有概略的了解。 
2、铁液的温度 
    出铁时将增碳剂加入包内，然后冲入铁液，增碳效率与铁液的温度有关。在正常的生产条件下，铁液温度较高，则碳较易溶于铁液，增碳效率因而较高。 
3、增碳剂的粒度 
    一般说来，增碳剂的颗粒小，则其与铁液接触的界面面积大，增碳的效率就会较高，但太细的颗粒易于被大气中的氧所氧化，也易于被对流的空气或抽尘所致的气流带走，因此，增碳剂颗粒尺寸的下限值以1.5mm为宜，而且其中不应含有0.15mm以下的细粉。 
    颗粒尺寸的最大值，应该以能在作业时间内溶入铁液为度。如果增碳剂在装料时随金属炉料一同加入，碳与金属的作用时间长，增碳剂的颗粒尺寸可以较大，上限值一般可为12mm。如果在出铁时加入铁液中，则颗粒尺寸宜小一些，上限值一般为6.5mm。 
4、搅拌作用 
    搅拌有利于改善增碳剂和铁液的接触状况，提高其增碳效率。在增碳剂与炉料一同加入炉内的情况下，有感应电流的搅拌作用，增碳的效果较好。向包内加增碳剂时，增碳剂可先置于包底，出铁时使铁液直冲增碳剂，或连续地将增碳剂投向液流，不可在出铁后投放在包内的液面上。5、避免增碳剂卷入炉渣增碳剂如果卷入炉渣，就不能与铁液接触，当然会严重影响增碳的效果。