廢石墨磚再利用代替增碳劑的研究

王學政，王 亮，宋曉瑞

(1.山東第一醫科大學(山東省醫學科學院)，山東 泰安 271016；2.中汽認證中心有限公司，北京 100044)

在鋼鐵的冶煉過程中，常常會因為其冶煉、保溫等因素，使得鐵液中碳元素損耗量增大，造成鐵液中的含碳量有所降低，導致鐵液中的含碳量達不到預期的理論值。為了補足鋼鐵熔煉過程中燒損的碳含量而添加的含碳類物質稱之為增碳劑。使用增碳劑不僅可以補充鋼鐵冶煉過程中碳的燒損，確保鋼鐵特定牌號碳含量滿足要求，還可以用于爐后調整。在進行除渣、除氣處理之后的鋼包中加入一定量的增碳劑[1-17]，可調整鋼包中鐵水的碳含量，達到一包多牌號的目的。增碳劑采用的材料主要有石墨、類石墨、電極塊、焦炭、碳化硅等材料。

但是通常鑄造公司的鑄造車間，在其熔煉鋼鐵的生產過程中，平均每年將產生廢石墨磚100～150 t，這些廢石墨磚在過去都是以1 500元/t的價格向外銷售。同時，鑄造車間又以5 500元/t的價格采購生產用的增碳劑。特別是近幾年鑄造車間的球磨鑄鐵的生產，增碳劑需求量大，具體如表1所示。每噸球墨鑄鐵需要的增碳劑量為2%。如果能把廢石墨磚作為增碳劑在鑄鐵生產中得到使用，那么在減少鑄造廢棄物處理的同時，在不影響產品質量的前提下循環再利用廢石墨磚，不但可以顯著降低生產成本，提高經濟效益，而且還減少了企業對環境破壞和影響，有利于資源的循環再利用。

表1 2012—2018年采購增碳劑的情況一覽表 t

1 石墨磚和鑄造增碳劑的比較

石墨磚和鑄造增碳劑同為石墨化產品，兩者含碳量相差不大，具體比較見表2。將石墨磚和鑄造增碳劑進行相關的試驗后，對比其吸收率、原鐵水含S量、爐前金相、Y型試塊等，具體實驗如下。

表2 石墨磚和鑄造增碳劑的成分比較

1.1 吸收率

經車間實驗測試，鐵水對破碎石墨磚的吸收率約為74.5%，低于正常使用的增碳劑平均吸收率81.7%。

1.2 原鐵水的含硫量

熔煉鐵水時，應注意鐵水中硫的含量。通過添加增碳劑，比較容易將硫等元素也加到鐵水中，導致鐵水質量下降，因此，增碳劑中的硫的含量要嚴格控制。表3為廢石墨磚和鑄造增碳劑的含硫量一覽表，從表3中可以看出，使用廢石墨磚增碳的鐵水含硫量微高于增碳劑，但其含硫量均在允許的范圍內，對鐵水質量的影響基本可以忽略。

表3 廢石墨磚和鑄造增碳劑的含硫量一覽表

1.3 爐前金相

表4為廢石墨磚和鑄造增碳劑的爐前金相情況，從表4中可以看出，使用廢石墨塊增碳其球化級別中2級占比5.1%，高于增碳劑的3.8%，球徑7級的比增碳劑的高出約30%，且球徑較小。

1.4 Y試塊金相檢測報告

表5是從Y試塊金相檢測球化報告，從表5中可以看出廢石墨磚的球化1級2級的比例高于增碳劑，4級比例也較高，因此，廢石墨磚的球化穩定性不如增碳劑。使用碎石墨磚增碳時的Y形試塊金相組織如圖1所示。

圖1 使用碎石墨磚增碳時Y形試塊的金相組織

1.5 物理性能

表6為廢石墨磚和增碳劑的鑄件的物理性能一覽表，從表6中鑄件的物理性能比較可以看出，以廢石墨磚增碳的鑄件在抗拉強度和延伸率上低于正常使用的增碳劑的鑄件，但硬度稍高；而且兩種鑄件的物理性能均滿足設計要求。

表6 廢石墨磚和增碳劑的鑄件的物理性能一覽表

因此，通過以上的檢測比較，廢石墨磚可以代替增碳劑在鑄鐵生產中使用，且對鑄鐵質量影響很小，廢石墨磚的吸收率接近增碳劑，可以在鑄鐵生產中作為增碳劑使用。

1.6 廢石墨磚增碳試驗

1.6.1 廢石墨磚成分的檢測

檢測廢石墨磚的成分，特別是其固定碳和灰分的含量等。固定碳和灰分是增碳劑中重要的成分，也是影響增碳效率的兩個最重要的參數。因為廢石墨磚中的固定碳含量高、灰分低，則增碳效率高；反之則增碳效率低。廢石墨磚中灰分高，對鐵水的增碳有抑制作用，而且還會使鐵水中的爐渣量增多，增加電耗，增加冶煉過程中的勞動量，并延長了作業時間。因此，要嚴格對廢石墨磚的成分進行控制。

除增碳劑中的固定碳含量和灰分對其在鑄鐵中的增碳效率有重要的影響外，增碳劑的粒度、加入的方式、鐵液的溫度，以及爐內的攪拌作用等工藝因素都對增碳效率有明顯的影響。

1.6.2 廢石墨磚的塊度

一般說來，增碳劑的顆粒小，則其與鐵液接觸的表面的面積大，增碳的效率就會較高，但太細的顆粒易被大氣中的氧所氧化，同時也易被對流的空氣所帶走。因此，增碳劑顆粒要具有一定的尺寸。

實驗證明，廢石墨磚塊度≤20 mm，鐵水的增碳效果最佳。未破碎石墨磚在生產中無法全部熔化吸收，塊度20～70 mm的破碎石墨磚吸收率數據波動大，不穩定，偶爾有少量未熔化石墨塊扒渣時帶出。只有塊度≤20 mm時，可以全部被鐵水吸收。當最大塊度≤5 mm時，破碎成本、破碎損耗都增大。所以廢石墨磚作為增碳劑，其塊度尺寸為≤20 mm的破碎石墨磚。

1.6.3 廢石墨磚的加入量

采用與增碳劑同樣的爐料配比及加入量，進行對比實驗。廢石墨磚的最佳加入量為1.5%。

由圖4可知，隨著亞硝酸鹽濃度的增加，魯氏酵母菌的生長受到不同程度的抑制。當亞硝酸鹽濃度為0.005%時，魯氏酵母菌的吸光度值驟然下降，生長速度明顯遲緩；亞硝酸鹽濃度達到0.015%時，魯氏酵母菌仍保持一定程度的生長；當亞硝酸鹽濃度升高至0.020%時，吸光度值明顯小于0.6，處于生長滯緩階段。由此說明，魯氏酵母菌具有較高的耐受亞硝酸鹽能力，可作為發酵香腸的發酵劑使用。

2 熔煉工藝

除增碳劑中的固定碳含量和灰分對其在鑄鐵中的增碳效率有重要的影響外，增碳劑的粒度、加入的方式、鐵液的溫度，以及爐內的攪拌作用等工藝因素都對增碳效率有明顯的影響。在生產條件下，往往是多種因素同時起作用，難以對每一因素的影響進行準確的說明，需要通過試驗來優化工藝。

2.1 加入方式

增碳劑在裝料時隨金屬爐料一同加入爐內，由于作用的時間長，增碳效率比出鐵時加入鐵液時高得多，由表2和表3中的數據可以有概略的了解。

2.2 廢石墨磚的加入位置

在固態爐料中加入，位置盡量靠近電爐線圈底部。

2.3 攪拌作用

攪拌有利于改善增碳劑和鐵液的接觸狀況，提高其增碳效率。在增碳劑與爐料一同加入爐內的情況下，有感應電流的攪拌作用，增碳的效果較好。向包內加增碳劑時，增碳劑可先置于包底，出鐵時使鐵液直沖增碳劑，或連續地將增碳劑投向金屬液流，不可在出鐵后投放在包內的液面上。

2.4 爐料要求

爐料要求干凈，避免石墨磚被爐渣包裹，不利于石墨塊的吸收。避免增碳劑卷入爐渣增碳劑如被卷入爐渣中，就不能與鐵液接觸，會嚴重影響增碳效果。因此，如采用在出鐵時增碳的工藝，應特別注意避免渣、鐵混出。

2.5 澆注鑄件類別

考慮到石墨塊有可能對鑄件質量產生影響，鐵水允許澆注的鑄件為非加銅鑄件。石墨塊顆粒尺寸的下限值以1.5 mm為宜，而且其中不應含有0.15 mm以下的細粉。顆粒尺寸的最大值應該以能在作業時間內溶入鐵液為宜。如果增碳劑在裝料時隨金屬爐料一同加入，碳與金屬的作用時間長，增碳劑的顆粒尺寸可以較大，上限值一般可為12 mm。如果在出鐵時加入鐵液中，則顆粒尺寸宜小一些，上限值一般為6.5 mm。

3 試驗數據

在2016—2017年車間生產中，采取本工藝并對產品進行跟蹤，共跟蹤墊板54件、飛輪70件，未發現鑄件因更換增碳劑造成產品質量問題。

4 試驗結論

試驗對比吸收率、原鐵水含S量、爐前金相、Y型試塊金相等，證明了廢石墨磚用于鑄鐵件生產增碳的可行性，且對鑄鐵質量影響甚微，可以作為增碳劑在鑄鐵生產中使用。關鍵技術及創新點如下：

(1)確定了破碎廢石墨磚代替增碳劑用于鑄鐵件生產的可行性，在不影響鑄件質量的前提下達到了降低生產成本的目的。

(2)掌握了用廢石墨磚做增碳劑的工藝。破碎的最佳塊度及最大吸收率：需破碎至≤20 mm塊度加入；合理加入時間節點，按工藝要求在熔煉的中前期加入，吸收率最好。吸收率可以達到74.5%，接近部分外購增碳劑吸收率。

(3)應用后經濟效益：①截至2017年8月24日，已經使用了約60 t廢舊石墨磚，節約增碳劑54 t。節約成本5 500元/t×54 t-1 500元/t×60 t=20.7萬元。②應用在鑄鐵件生產上，每噸球墨鑄鐵可節省成本0.018 t×5 500元/t-0.02 t×1 500元/t=69元。每噸灰鑄鐵可節省成本0.009 t×5 500元/t-0.01 t×1 500元/t=34.5元。③目前鑄造有限公司產生的所有廢石墨磚都不再外銷。④每年按產生廢石墨塊150 t，可代替135 t增碳劑使用，按石墨塊單價1 500元/t、增碳劑單價5 500元/t計算，年可節約生產成本：5 500×135-1 500×150=60萬元。