晶體石墨增碳劑的應用

王銳(商都縣豐彥驕新材料有限公司，內蒙古 商都 013450)

0 引言

鑄件的組織形式影響著鑄件的力學性能，然而鑄件的凝固過程和化學成分影響鑄件的組織。鑄件的凝固過程具有兩種形核條件，分別是奧氏形核和石墨形核。在鑄造過程中，當晶體石墨增碳劑與鑄造材料相結合，并通過一系列化學因素的催化有效形成先共晶和共晶石墨晶核，其最終形成的物質還含有鈣、鋇、錳等活性元素，它屬于一種氧硫復雜化合物。接近核心具有一定核心的物質在進行鑄造微觀組織和凝固過程中會逐漸形成石墨形核，鐵液中溶解性能較差和尺寸恰好的石墨質點可以促進先共晶和共晶石墨稀釋出核心。為了將球鐵鑄造中的石墨球數量得以增加，需要重點加強增加形成球狀石墨核心的技術措施。

1 晶體石墨增碳劑的具體運用

1.1 感應電爐生產高強度灰鑄鐵

鑄件的強度高低和收縮之間存在一定的矛盾，鑄件性能的提高會改變石墨的形態，嚴重甚至產生惡化，在一定程度上降低了石墨化效果，將鑄件的收縮程度加深。要有效化解鑄件質量的強度與收縮之間的問題，主要的運用原則是在電爐溶解及合成鑄鐵期間將廢鋼的使用數量增添到最大化，而摒棄生鐵的使用。對其施加石墨增碳劑，提高鑄件內部的碳當量，重點是碳含量的增加，電爐生產灰鑄鐵期間會出現凝固，由液態轉為固態的階段中會稀釋出數量龐大的石墨，并造成灰鑄鐵呈現出膨脹的現象，碳當量較高以及微合金化工藝與碳當量較低及工藝中沒有添加合金的工藝相比較，前者的收縮傾向較小，即使發生收縮，其收縮程度也處于可接受范圍之內。采用鐵液預處理技術，更好地解決鑄件的強度高和收縮兩者之間存在的沖突和問題。隨著合成鑄件的理論知識積累和豐富的實踐經驗，我國已經熟練掌握合成鑄鐵的工藝技術，改變以往沖天爐的鑄鐵方式，采用晶體石墨增碳劑，可以增加鐵液的結晶核心，對鐵液中石墨成分的增加也有很大的促進作用，加快石墨晶核形核的組成速度，有效提高了灰鑄鐵的性能[1]。

1.2 解決電爐鐵液凝固收縮

感應電爐在進行高強度的鑄造及生產鑄鐵的階段中，需要應用到數量足夠龐大的廢鋼，增碳劑也需要根據廢鋼的添加量進行有效攝取。但是大多數情況下，增碳劑投入的數值也是不小的。有效運用增碳技術的前提條件是選擇品質優秀的晶體石墨增碳劑，增碳劑的品質越優秀，最終獲取的鑄鐵也會取得更好的效果。石墨形成完善的形態，其數量也急劇上升并均勻分散在鑄鐵周圍，鐵液在液態轉為固態的凝固過渡階段中所稀釋出的石墨會產生一定的膨脹，鐵液的收縮傾向小于生鐵熔煉鐵液的收縮傾向。增碳劑的添加量和品質的好壞直接影響著高強度鑄鐵的質量和形態，也是高強度鑄鐵過程中廢鋼的投入數量的基本要求。在熔煉工藝中，晶體石墨增碳劑處于十分重要的位置。鐵液在凝固過程中發生的氧化反應對周圍的空氣造成了不利的影響，是一種有害的化學反應，在一定程度上增加了鐵液的非金屬摻雜物，提升了其所含有的氣體含量，也增加了鑄件的收縮效果。由于電爐熔煉有效應用了增碳技術，可以在凝固過程中增添鐵液中非均質晶核的預處理劑，給鐵液的變化提供了更多的空間。鐵液中的氧化鐵、氧化錳、二氧化鋅等其他氧化物依次進行氧化反應，并進行還原脫氧，鐵液原有的氧含量降到正常濃度的標準，使得鐵液的質量更加純凈天然。

1.3 鐵液預處理技術

預處理技術的應用原理在于對石墨性孕育介質有效處理并改善原來的鐵液，這是一項流程較為繁瑣的工藝處理方法。在鐵液熔煉一段時間后，也就是熔煉的中后期階段，將晶體石墨增碳劑科學合理加入其中，當具體范圍維持在0.05%～0.10%的時候，會在鐵液中逐漸形成大面積分散的非均質結晶核心，有效提高了形核能力，大大減少了石墨發生異常變化和形態的概率，也在一定程度上降低了鐵液的過冷度。當進行預處理技術之后，鐵液需要維持5 min 后及時出鐵。

1.4 球鐵生產中的運用

晶體石墨增碳劑在球鐵生產過程中可以大大減少雜質元素和有害元素的含量，而且還對石墨的遺傳特性進行了制約?，F階段我國生鐵雜質元素如：砷、鉛、鈦、銻等含量較高，尤其是鈦元素的含量約占0.05%～0.07%，鈦元素的含量越高，反球化元素銻和鉛的活性就會有所升高，也增加了其元素的反球化能力。磷元素是一種有害元素，它的含量維持在0.04%～0.06% 范圍之間，往往會使球鐵在凝固過程中形成磷共晶并分析出來，對球鐵材料的韌性和可塑性造成了一定的影響。因此在生產高塑性和高韌性的大型球墨鑄鐵的階段中，國內外大多數選取鈦元素含量小于0.02% 的高鐵生產，選擇對球化元素造成一定干擾的鋅元素和硫元素等，還可以選擇穩定基體珠光體元素或碳化物元素的含量低的材料，要求最后形成的雜質元素總含量小于0.1%，所包容的鈦元素含量不得超過0.03%，這樣才可以有效降低雜質元素和具有毒害性能的因素對球鐵鑄造產生的影響。

2 晶體石墨增碳劑的使用方法及影響增碳劑吸收率的因素

2.1 晶體石墨增碳劑的運用方法

常見的增碳方法主要有兩種：一種是在鑄鐵由固態熔化為液態的過程中與爐料分批投放至熔化爐內進行增碳處理；另一種是爐料被熔化完全后將增碳處理作用于鐵液表面位置[2]。

2.1.1 爐內投入法

晶體石墨增碳劑適用于感應電爐熔煉，但由于工藝技術所提出的各方面需求，增碳劑的使用和途徑分為兩種：一是在電爐熔煉中期階段使用晶體石墨增碳劑的時候，可以按照規范的比例或者碳當量加入電爐下部物料，其回收率可以高達95%以上；二是在電爐熔煉過程中如果含碳量過少，而且無法對含碳量進行有效調節時，這時需要做的第一步措施就是將電爐內部的殘渣清理干凈，清理結束后再加入晶體石墨增碳劑，通過鐵水的高溫加熱、電磁或人工的攪拌進行溶解吸收碳，其回收率可以達到90% 左右。

2.1.2 爐外增碳

爐外增碳主要包括兩種具體措施，第一種是包內噴灑石墨粉，將晶體石墨磨成石墨粉作為增碳劑，吹氣量達到一定程度后會使得鐵液中的碳含量由原來的2% 變為3%，隨著體液中碳含量的數量增加，碳的利用率會下降。增碳后的鐵液溫度會有所上升，石墨粉的噴射通常以氮氣作為媒介物質，在現代的工業條件下，最便捷的方法是采用壓縮空氣，壓縮空氣中產生氧化反應并出現燃燒會形成一氧化碳，一氧化碳帶來的熱可以有效補償部分溫度，增碳效果極其顯著。第二種是出鐵階段使用晶體石墨增碳劑，將適當的晶體石墨增碳劑放入塑料袋中或采用鐵出口槽的流量進行沖洗，體液放出后進行均勻攪拌，有效溶解吸收碳元素，最終碳回收率達到50% 左右。

2.2 影響增碳劑吸收率的因素

2.2.1 加入方式

在鑄造過程中加入石墨增碳劑后，需要使增碳劑和鐵液有效結合并進行潤濕工作，這種做法的主要目的在于避免增碳劑因密度的不同漂浮于鐵液的表面并出現燃燒狀況。如果需要加入大量的石墨增碳劑時，需要采取分批投入的方式。除此之外，在鐵液的表面進行增碳技術的時候，需要重點關注鐵液的攪拌方法和力度以及分批加入增碳劑的間隔時間、速度等，以確保增碳劑可以完全被鐵液吸收。石墨增碳劑與鐵液的區別濕潤程度影響著增碳劑的吸收，進行有效的濕潤工作可以讓增碳劑吸收率達到90%～95% 范圍內，甚至吸收率會達到最高點。

2.2.2 鐵液的化學成分

一般情況下，增加鐵液中所具備的硅元素、磷元素、硫元素含量會對碳元素含量造成制約效應，致使鐵液吸收碳元素的能力有所下降。換句話說，也就是大大降低了增碳劑吸收率。與之相反，如果將鐵液中的錳元素含量增加，對鐵液吸收碳元素起到一定的促進作用，有效提高了增碳劑的吸收率。所以，在球鐵生產過程中進行增碳技術處理時，需要進行先脫硫后增碳，先增碳后補硅，并始終將這種原則作為鑄造工藝的標準要求。

2.2.3 增碳劑的品質

如果晶體石墨增碳劑的品質不相同，那么其增碳劑吸收率的效果也會有所不同。品質更加優化的石墨增碳劑的吸收率較穩定，對鑄鐵的生產與控制有一定的積極作用，而且可以在一定程度上節約增碳技術所產生的能耗及材料等資源的消耗，大大降低了鑄鐵生產所投入的資金成本。增碳劑的碳含量越高效果就會越顯著，揮發物和氫氣、氧氣、氮氣等含量越低越好。

2.2.4 鐵液攪拌的影響

均勻攪拌對于碳的溶解和擴散有一定的幫助，可以有效避免晶體石墨增碳劑漂浮于鐵液表面出現燃燒現象。在增碳劑還沒有溶解完成前，攪拌時間越長，增碳劑的吸收率越高。均勻攪拌還可以在一定程度上減少增碳保溫的時間，有效縮短生產周期，防止鐵液中含有的合金元素被損壞。但是長期攪拌會對電爐的使用期限產生負面影響，而且在增碳劑徹底溶解后，攪拌會急劇消耗鐵液中的碳。所以，科學合理的鐵液攪拌時間需要根據增碳劑的溶解程度及時調整[3]。

3 結語

近年來，鑄鐵工程因具備的優勢并依靠日益增進的鑄造技術而發展壯大，但是一些大型鐵件在內部和外表的鑄造質量要求更為嚴格。所以為減輕原材料中存在的干擾因素，通過晶體石墨增碳劑的融入提升鑄鐵的質量，解決鐵液碳含量損耗的問題。