合成鑄鐵溶煉過程中增碳劑與碳化娃的**配伍 （二）

二、高增碳率是獲取優(yōu)質(zhì)鐵液的主要條件

采用廢鋼+增碳劑+合金的工藝路線，熔煉合成鑄鐵能**程度實(shí)現(xiàn)高的增碳率，高的鑄鐵石墨化程度，高的鐵液純凈度，高的熔煉水平的鑄造工藝。

在高碳當(dāng)量下，如何提高強(qiáng)度，前提是鐵液具有高的增碳率，只有高的增碳率才能充分石墨化，高的增碳率決定于活性碳含量。只有高活性碳含量的鐵液，在凝固過程中才能進(jìn)行石墨化。電爐熔煉如果新生鐵用的多，新生鐵中的粗大石墨在感應(yīng)爐溶煉的工況下（1 550°C 10 min)是不能溶解充分的，它是以游離石墨形態(tài)存在，這種沒能充分溶解的碳就不能參與石墨化，在凝固過程中被保留下來(lái)，就稱之為石墨的遺傳性。

感應(yīng)電爐條件下，爐料中的新生鐵帶來(lái)的碳和采用廢鋼+增碳劑所達(dá)到的碳，雖然含量相同，但特性不一樣。用全廢鋼增碳工藝熔煉的鐵液與成份相同的，經(jīng)沖天爐或沖天爐+感應(yīng)爐雙聯(lián)熔煉的鐵澆注試樣，在相同的澆注參數(shù)下，鐵液的白口傾向、鐵液收縮傾向、截面硬度的差異、石墨形態(tài)、力學(xué)性能均顯示全廢鋼感應(yīng)爐熔煉的鐵液更好。沖天爐熔煉HT200鐵液的成分，如果感應(yīng)爐全廢鋼增碳工藝，已達(dá)到HT300的水平,熔煉水平提高兩個(gè)檔次，當(dāng)感應(yīng)電爐全廢鋼增碳工藝碳含量降到3.1-3.2%，灰鑄鐵的性能可達(dá)到HT350水平。表1是國(guó)內(nèi)外機(jī)床鑄件碳當(dāng)量對(duì)比。

表1國(guó)內(nèi)外機(jī)床鑄件碳當(dāng)量對(duì)比

國(guó)外感應(yīng)電爐熔煉采用廢鋼+增碳劑工藝,新生鐵加入量低于10%,以前國(guó)內(nèi)做HT300以上鑄件是在大幅度降低碳當(dāng)量及合金化的條件下達(dá)到的。此時(shí)鐵液的縮孔增加、疏松增加、應(yīng)力增加、加工性能變差，截面性能差異大?，F(xiàn)在用全廢鋼增碳工藝熔煉鑄鐵，可以在高碳當(dāng)量下獲得高的強(qiáng)度。如果用這樣的高純度，高石墨化基礎(chǔ)的鐵液做球墨鑄鐵，石墨球數(shù)從未使用增碳劑的42個(gè)/mm2增 200個(gè)/mm2，這對(duì)改善球墨鑄鐵厚大斷面石墨形態(tài)變差“斷面效應(yīng)”好處不言而喻。碳作為自發(fā)自發(fā)形核核心有個(gè)好處，它不自溶，是長(zhǎng)效結(jié)晶核心，不象孕育劑，作為外來(lái)形核核心，會(huì)自溶、衰退。這對(duì)有低溫沖擊功能要求的球墨鑄鐵有很大好處，提高低溫沖擊值，且無(wú)須熱處理，更不需要合金化。這是其他熔煉工藝無(wú)法論比擬的。

三、增碳劑的品質(zhì)和增碳效果

感應(yīng)電爐熔煉時(shí)，加入到爐內(nèi)或鐵液包中能提高鐵液中的碳量，并能降低鐵液中的氧含量，還能提高金屬和鑄件的力學(xué)性能的黑色或灰色的顆粒或塊狀的焦碳后續(xù)物稱為增碳劑。增碳劑中以單質(zhì)形式存在的碳，熔點(diǎn)為3550°C，沸點(diǎn)為4 194°C，3500°C 開始升華。各種碳材料基本都不具備活性，在高溫下有很強(qiáng)的反應(yīng)能力，在有氧的條件下加熱，無(wú)定形碳在350°C以上會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，石墨則在450°C 以上發(fā)生氧化反應(yīng)。

在鐵液的溫度下，碳是不能熔化的，增碳劑中的碳主要通過溶解和擴(kuò)散兩種方式溶于鐵液。當(dāng)鐵液含碳在2.1%時(shí)，石墨化增碳劑中的石墨直接在鐵液中溶解——直溶。而非石墨增碳劑的直溶現(xiàn)象基本不存在，只是隨著時(shí)間推移，碳在鐵液中逐漸的擴(kuò)散溶解。這使石墨化增碳劑的增碳速度明顯高于非石墨增碳劑。國(guó)外某大學(xué)曾對(duì)各種增碳劑在鐵夜中溶解進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明，碳在鐵液中的溶解受到固體粒子表面液體邊界層的碳傳質(zhì)的控制。用焦炭和煤粒所得結(jié)果與石墨所得的結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)石墨增碳劑在鐵液中的擴(kuò)散溶解速度明顯 快于焦炭和煤粒一類樣品，發(fā)現(xiàn)在樣品表面形成一層很薄的粘性灰層，這是影響其在鐵液中擴(kuò)散和溶解性能的主要原因。

表2用常用增碳劑及成分

增碳劑的固定碳含量和含碳量的含義，固定碳值是根據(jù)樣品的水分、揮發(fā)分、灰分、硫分計(jì)算出的。而含碳量直接用碳硫測(cè)定儀便可獲得。片面從增碳劑的固定碳含量和其他物質(zhì)斷定是否優(yōu)質(zhì)是不可取的。不少小型鑄造廠購(gòu)買增碳劑時(shí)，只注意增碳劑的價(jià)格和增碳劑的固定碳、灰分、揮發(fā)分等， 往往忽視了一個(gè)重要元素--氮的含量的參數(shù)。通常氮以3種形態(tài)存在于鑄鐵中：①是以液態(tài)和固態(tài)在鑄鐵中;②是與鐵液中的某種元素形成氮化物，如氮化硼等;③是從鐵液析出，以單質(zhì)氣體的形式存在， 當(dāng)含氮量超過臨界點(diǎn)（一般認(rèn)為約140x10,時(shí)，就會(huì)使鑄件產(chǎn)生氮?dú)饪?。氮在鑄鐵中的作用具有兩面性，有關(guān)資料介紹：氮含量每增加10x10-6，灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度可提高5-7 MPa，同時(shí)硬度可增加 3-4HBW。通常認(rèn)為鐵液含氮量＜100x10-6則可穩(wěn)定珠光體，使片狀石墨變短變粗，端部鈍化。在厚壁灰鐵中出現(xiàn)緊實(shí)狀石墨，故能有效的提高抗拉強(qiáng)度。 若含氮量超過140x10-6灰鑄鐵鐵液則易在厚壁部分產(chǎn)生縮松缺陷。因此，合成鑄鐵應(yīng)選擇含氮量低的優(yōu)質(zhì)增碳劑或石墨電極碎作增碳劑。由于增碳劑中的氮含量缺乏簡(jiǎn)便而準(zhǔn)確的方法，經(jīng)驗(yàn)告訴我們，經(jīng)2 000°C以上高溫石墨化處理的增碳劑，硫和氮的含量大幅降低，只要是硫含量在0.05%的石墨化增碳劑相應(yīng)的氮含量也低。

為進(jìn)一步理解不同品種增碳劑的品質(zhì)和冶金效果，將以石油焦為原料生產(chǎn)的兩種增碳劑作以比較， 見表3。

表中可見石墨化增碳劑的增碳效果優(yōu)于煅燒石油焦增碳劑。即便是晶體石墨增碳劑，石墨化增碳劑與石墨電極碎的增碳效果與吸收率不甚相同。多孔的“松糕”結(jié)構(gòu)的晶狀石墨化增碳劑的比表面積大，有更大的表面浸潤(rùn)于鐵液，加快C的溶解和擴(kuò)散，故其增碳效果和吸收率比致密的石墨電極碎屑高 5%-15%，所以增碳劑的空隙率對(duì)增碳效果和增碳吸收率至關(guān)重要，同樣道理，煅燒石油焦增碳劑的增碳效果和吸收率優(yōu)于鍛煤增碳劑。

表3 石油焦為原料的增碳劑的特性比照

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