增碳剂选择对合成铸铁组织性能影响的研究

任现伟

（洛阳古城机械有限公司，河南 洛阳 471000）

在铸铁行业中，相比于大量使用新生铁来说，废钢的来源更加丰富、价格也更为低廉，为了节约成本和国内过多的废钢资源再利用，铸造企业已经广泛采用废钢加增碳剂的工艺方式来生产铸铁，使用该方法生产的铸铁被称为合成铸铁。在合成铸铁生产中，通过增碳剂的应用，可提高铁液中的含碳量及稳定石墨核心的析出和长大，从而有效改善合成铸铁的各项物理性能和机械性能，进而达到提高铸铁生产质量、节约成本的目的。随着我国在合成铸铁技术上的研究不断深入，这也使废钢的加入量不断增多，时至今日，废钢加入量已经从最初应用合成铸铁时的40%增加至现有的80%左右，由于电炉熔炼铸铁与冲天炉有所不同，其并不具备增碳源，因此为了使合成铸铁的含碳量合格，就必须要添加相应的增碳剂，而这就需要对增碳剂选择对合成铸铁组织性能的影响进行相应的研究，这也是改善合成铸铁生产质量的关键所在。

1 常见的增碳剂类型

在合成铸铁生产中，增碳剂的选择对其组织性能的改善有着十分重要的影响。增碳剂的类型有很多，根据增碳剂中碳所具有的形态，可将其划分为非石墨增碳剂以及石墨增碳剂两种。其中，在石墨增碳剂中，较为典型的有废石墨电极、天然石墨颗粒、石墨电极碎屑或边角料等。另外，与石墨结构相似的碳化硅结构也同样是石墨增碳剂中较为特殊的一种。非石墨增碳剂中，较为典型的主要有煅烧石油焦、沥青焦、煅烧无烟煤等。在合成铸铁生产中，主要选择晶体态的增碳剂，增碳剂的主要成分为石墨。

2 增碳剂在合成铸铁中的增碳原理

在合成铸铁生产中，考虑到需要加入大量的废钢，相对于铸铁回炉料而言，废钢自身的含碳量低导致铸铁熔炼生产过程中的铁液内的含碳量普遍较低，因此必须要进行增碳处理。增碳剂内的碳在熔于铁液时，主要是通过扩散与溶解这两种方式来实现的，如果铁液内的碳含量为2.1%，则在选择石墨增碳剂后，其碳成分会直接溶解到铁液内。在国外，某学者就对碳元素在铁溶液中所具有的溶解性进行了实验研究，该实验是将温度置于1623-1923℃范围以内的多种不同含有碳元素的物质当作实验对象，以此分析这些物质在铁液内所产生的溶解作用。含碳物质的溶解性可利用公式表述为，在该公式中，碳元素在溶解过程中所具有的传质通量由j表示，所谓传质通量，是指当温度与碳元素一定时，碳元素以溶解和扩散这两种方式进入到铁液中的单位数量。而碳元素的饱和浓度由C进行表示，碳元素的主体浓度由Cb表示，总溶解系数则由K进行表示，总溶解系数的计算公式可表示为，在该式中，K代表固体粒子表面液u体边界层的碳传质系数，而Kp则代表界面的反应常数。该实验证明了固体粒子表面液体边界层的碳元素传质会影响铁液内碳元素的溶解。通过对煤颗粒、焦炭和石墨这三种类型的增碳剂进行应用效果对比，可以很明显的发现石墨增碳剂要具有更快的扩散溶解速度，利用显微境来对部分已经溶解的煤颗粒和焦炭增碳剂进行观察，可以发现这些增碳剂的表面有一层非常薄的膜，正是这层膜的存在影响了碳元素在铁液中的扩散溶解速度。

3 增碳剂选择对合成铸铁的影响研究

（1）粒度影响.增碳剂的使用过程主要包括氧化损耗与溶解扩散两个过程，在选择增碳剂时，其粒径不同，则其氧化损耗和溶解扩散过程也会随之不同，铁液对增碳剂的吸收率是由增碳剂所具有的氧化损耗速度和溶解扩散速度所决定的。通常而言，增碳剂粒度越小，则其氧化损耗速度和溶解扩散速度也就越快，反之亦然。对于增碳剂粒度来说，其是由炉膛的容量和直径所决定的，炉膛的容量与直径越大，则增碳剂的粒度也就越大，反之也同样如此。如果是采取1t以下的电炉进行合成铸铁熔炼，需要确保增碳剂的粒度在0.5至2.5mm以内，如果电炉的规格在1至3t，则其粒度应在2.5至5mm以内，如果电炉规格为3至10t，则其粒度应在5至20mm以内，如果增碳剂是用来包内覆盖的，则其粒度应控制在0.5至1mm以内。

（2）加入量的影响。在熔炉温度与铁液化学成分一定的情况下，铁液对碳元素的溶解是存在一个饱和浓度的，当饱和度一定时，增加的增碳剂越多，则碳元素的溶解扩散时间就越长，对碳元素的损耗也就越大，铁液对碳元素的吸收量也就越少。

（3）温度影响。在合成铸铁生产中，铁液内的氧元素会与硅元素和碳元素进行反应，平衡温度会因碳元素与硅元素含量的不同而改变，当铁液比平衡温度高时，则氧元素优先会和碳元素反应，进而生成一氧化碳与二氧化碳，此时碳元素在铁液内的氧化损耗速度会增加。由此可见，铁液温度比平衡温度高时，则铁液对增碳剂的吸收率会下降，而铁液温度比平衡温度低时，则增碳剂中的碳所具有饱和溶解度会下降，相应的其溶解扩散速度也会降低，这也使铁液对碳元素的收得率较低。只有增碳剂在平衡温度时使用，才能使铁液对增碳剂的吸收效率达到最高。

（4）搅拌影响。对铁液进行搅拌有助于对增碳剂的吸收，当增碳剂进入到铁液中但尚未完全溶解时，对铁液的搅拌时间越长，则铁液对增碳剂的吸收率就越高。对铁液进行搅拌可以减少增碳剂的保温时间，缩短合成铸铁的生产周期，防止合金元素在铁液中被烧损。不过，过长的搅拌时间不仅会严重影响熔炉的使用寿命，而且还会加剧碳元素在铁液内的消耗，因此必须要确保增碳剂在被完全溶解时尽可能减少铁液的搅拌时间。

（5）铁液成分影响。如果铁液内的碳元素初始含量比较高，则溶解极限一定时，铁液对增碳剂的吸收速度较慢，对合金元素的烧损较多，如果铁液内的碳元素初始含量较低，则铁液对增碳剂的吸收恰恰与前者相反。并且，铁液中含有的硫元素与硅元素会影响到碳元素的吸收，而锰元素则有助于铁液对碳元素的吸收。从铁液中硫、硅及锰这三种化学成分的影响程度来看，硅元素的影响程度最大，锰元素影响程度适中，硫元素的影响程度最小。因此，在合成铸铁生产过程中，需要先增加锰元素，再增加碳元素，最后再增加硅元素。

4 合成铸铁的组织性能影响研究

从合成铸铁的微观组织结构来看，当增碳剂被投入到铁液中时，大量的碳元素会在铁液内弥散分布，由于碳元素是以非均质结晶呈现出来的，因此会使铁液的过冷度下降，从而加快铸铁对石墨组织的生成。此时，考虑到合成铸铁没有用生铁或使用了少量生铁，这也使生铁在铁液中产生的遗传作用被大幅削弱，进而使石墨在铁液内的分枝成长性变低，从而使合成铸铁内的石墨组织变得短小而均匀。由于合成铸铁生产需要使用大量的增碳剂，而增碳剂中氮含量过高极易造成铸件氮气孔缺陷，适量的氮含量可以稳定珠光体、促进珠光体化，提高铸件硬度和抗拉强度。但是，如果氮含量≥0.02%，就会在铸件凝固后期从铁液中析出，最终形成存在于枝晶间的皮下气孔，严重降低和削弱了铸件的机械组织性能，甚至可能造成铸件在使用过程中的严重安全事故。在合成铸铁生产中，增碳剂的使用会大幅增加石墨晶核在铁液中的数量，从而弥补石墨晶核数量少在电炉熔炼中所造成的不利影响。在CE相同时，相比于普通的铸铁，采用合成铸铁生产的灰铸铁和球墨铸铁以及蠕墨铸铁在抗拉强度上要高出30MPa以上，其硬度要高出至少10HB，并且铸件的硬度也比前者更均匀，更为重要的是，我们研究的是采用合成铸铁生产的铸件，可以大幅度的减少和弥补因为铸件结构和浇注系统设计不合理造成的铸件缩松、缩孔类缺陷。经生产实践证明，在利用电炉进行铸铁熔炼生产时，采取废钢与增碳剂相结合的方式，应根据合成铸铁的种类来选择合适的增碳剂，如生产球墨铸铁时应选用含硫含量较低的增碳剂，以避免增碳剂带入过多的硫量，造成铸件球化不良和球化级别低下等铸造缺陷，并严格按照合成铸铁的铸件的技术要求和工艺方案来进行铸铁件的生产，使铸铁件的硬度和均匀性变得更高。

5 结语

废钢加增碳剂作为一项重要的铸铁工艺，探寻增碳剂选择对合成铸铁组织性能的影响，将为该项工艺的改进打下坚实的理论基础，从而有助于降低生产成本，提高铸件的生产质量。在选择增碳剂时，除了要考虑其熔炼方式以外，还要考虑回炉料的加入量、增碳剂的利用率与加入时间及铁液过热温度等影响因素，只有这样才能提高增碳剂的使用效率。