中頻感應電爐熔煉鑄鐵增碳劑的選擇及應用

■ 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產物，在金屬熔煉時可降低鐵液中氧的含量，提高鑄件力學性能。目前，感應電爐在鑄鐵熔煉中已廣泛使用，由于工業廢鋼價格較低，在鐵液熔煉時使用量大幅增加，通過添加增碳劑調整鐵液的碳含量，在保證鐵液質量的同時生產成本也大幅降低。

1. 鑄鐵用增碳劑分類

根據增碳劑中碳的晶體結構，增碳劑可分為非晶態和結晶態；根據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中應用最廣泛，其生產工藝是將原材料石油焦在石墨化爐中經過2200～2600℃的高溫加熱，使石油焦無定形的亂層結構碳晶轉化變成三維有序石墨晶體的高溫熱處理過程，即經過石墨化過程，達到石墨化狀態。

非石墨化增碳劑主要有：煅燒石油焦、煤質增碳劑等，煅燒石油焦是指石油焦經1200～1500℃高溫加熱處理，處理溫度較低，晶體結構未發生改變。煤質增碳劑由于灰分和揮發分較高，現在感應電爐熔煉時已很少使用。

衡量增碳劑優劣的指標主要有固定碳含量、硫分、揮發分、灰分、氮含量及水分等。石墨化增碳劑經高溫石墨化處理后，硫分、氮含量大大低于非石墨化增碳劑。

（1）固定碳、灰分、揮發分 增碳劑的固定碳不同于含碳量，固定碳值是根據樣品的水分、揮發分、灰分及硫分計算得出的，而含碳量可直接用儀器檢測出來。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程中會產生大量煙塵、爐渣，增加能耗，加大扒渣勞動強度。

（2）硫含量 在普通鑄鐵中，硫元素具有穩定滲碳體，阻止石墨化擴展的作用，在生產球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵件時應選用含硫量低的石墨化增碳劑，若硫含量過高將影響球化效果，消耗更多的球化劑，增加生產成本；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。

（3）氮含量 是衡量增碳劑品質好壞的一個重要指標。一般鑄造廠在購買增碳劑時，一是關注增碳劑的價格；二是關注增碳劑中的固定碳、硫、灰分、揮發分及水分的含量，而對氮含量關注較少。普通煅燒石油焦增碳劑，煅燒溫度偏低，氮、硫含量偏高。生產灰鑄鐵件時，由于爐料中廢鋼自身會帶入一部分氮元素，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，鐵液中的氮含量會大幅度提高。鐵液中過量溶解的N會阻礙石墨化，增加碳化物的穩定性，促進D型石墨的形成，提高硬度，惡化鑄件可加工性。對于灰鑄鐵，適量的N元素可以使石墨片長度縮短，彎曲程度增加，端部鈍化，長寬比減小，能夠穩定基體的珠光體，起到細化晶粒組織，提高鑄件抗拉強度及硬度的作用。有資料介紹，當鐵液中wN＞0.012%時，鑄件有出現氮氣孔缺陷的可能。氮氣孔常見于鑄件內部、表面或近表面，呈大小不等的圓形、長方形及不規則形態，是鑄造生產中常見缺陷之一。

石墨化增碳劑經高溫脫硫脫氮處理，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

在生產球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵件時應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影響球化效果，消耗更多的球化劑，增加生產成本；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。

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 使用感應電爐熔煉時，加入方式對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，應在爐底有部分鐵液時隨爐料一起分批加入。這是因為增碳劑的熔點較高，必須依靠鐵液的包圍才會被緩慢分解吸收，若直接加入爐底，不易被吸收且降低爐襯的使用壽命。在電爐升溫過程中鐵液的攪拌作用使碳更容易被鐵液吸收。

（2）鐵液化學成分對增碳劑吸收率的影響 鐵液中硅含量過高會影響增碳劑的吸收，這是因為硅有排碳作用，降低了碳在鐵液中的溶解度，硅含量每增加0.11%，增碳劑吸收率下降3%～4%。因此，在加料時增碳劑加入時間應在加硅鐵之前。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）鐵液溫度對增碳劑吸收率的影響 一般認為，鐵液溫度越高，作用時間越長，增碳劑吸收速率較快。據相關資料介紹，感應電爐內鐵液溫度較高時，碳含量不升反降。這是因為：①石墨碳主要損失與向爐外大氣的氣相擴散。②鐵液中的氧化性與C-Si-O的平衡關系，鐵液中的CO不斷地被氧化為CO2，而CO2又會被C還原，反應產生CO，CO2氣體上浮溢出鐵液表面，使鐵液中的碳含量下降。使用感應電爐進行熔煉時增碳應在溫度較低時進行，增硅在溫度較高時進行。

（4）增碳劑粒度對吸收率的影響 增碳劑越細小，加入時與鐵液的接觸面積越大，熔解快，容易吸收，但若粒度過于細小，易被氧化，損耗大；顆粒大，熔解速度慢，損耗較小，因此應根據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，石墨化石油焦增碳劑主要應用于球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵件的生產。

跟蹤每種同一批次的增碳劑使用時的增碳效果，統計其吸收率，數據見表2。電爐型號為10t/h、15t/h中頻感應電爐，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 （質量分數） (%)

表2 不同類型增碳劑吸收率統計

5. 結語

石墨化增碳劑與非石墨化增碳劑在中頻感應電爐熔煉條件下，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三種元素都會對鑄件性能產生較為顯著的影響。要根據產品特性，選用合適的增碳劑，在保證產品質量的前提下降低生產成本。

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

[2] 呂賢枝.氮對灰鑄鐵件的影響[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：機械工業出版社，1996.