高韌性球鐵的生產(chǎn)質(zhì)量控制的關(guān)鍵是獲得鑄件的組織中高的鐵素體含量、較高的球化率、直徑細(xì)小而多的石墨數(shù)，這是高韌性球鐵力學(xué)性能合格的根本。要獲得高韌性球鐵必須有優(yōu)質(zhì)的鑄造生鐵來保證，盡年來，生鐵供不應(yīng)求，價(jià)格日趨上漲，使鑄造廠面臨嚴(yán)峻的經(jīng)營(yíng)形勢(shì)。針對(duì)這一問題，本文論述電爐熔煉同樣的球化劑、孕育劑，不改變球化及孕育處理工藝，采用晶體石墨增碳劑+工業(yè)碳素廢鐵+大量回爐料生產(chǎn)高附加值高性能球鐵合成鑄鐵工藝，更有益于成功獲得合格的高韌性球鐵，而且生產(chǎn)及管理成本低，顯著提高鑄造廠效益的幾個(gè)實(shí)例。
由于鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展，生鐵資源日益緊缺，優(yōu)質(zhì)球生鐵供不應(yīng)求，價(jià)格日趨上漲。可供資源將持續(xù)緊張，高位運(yùn)行，勞動(dòng)力成本持續(xù)上行的趨勢(shì)形成，可以斷定一個(gè)鑄造高成本的時(shí)代來臨。高耗能、高污染排放，生產(chǎn)低附加值鑄件的企業(yè)將首先被淘汰出局。應(yīng)用電爐合成鑄鐵技術(shù)提高鑄件質(zhì)量，降低鑄造成本，提高鑄造廠效益成為鑄造企業(yè)發(fā)展的根本。
電爐熔煉合成鑄鐵的關(guān)鍵是增碳劑、調(diào)Mn造渣輔料、工業(yè)碳素廢鐵的選擇及加入，以及冶煉質(zhì)量控制，使用增碳劑增加含碳量調(diào)整化學(xué)成分，改善鑄鐵的組織和性能；利用價(jià)格相對(duì)低廉的工業(yè)碳素廢鐵。降低成本；為了獲得更好增碳效果，生產(chǎn)中選用晶體石墨增碳劑。晶體石墨增碳劑主要用于高韌性球鐵鑄件（風(fēng)電球鐵鑄件）、奧貝球鐵鑄件及大型復(fù)雜的灰鑄鐵及球鐵柴油機(jī)缸體、缸蓋的生產(chǎn)；應(yīng)用晶體石墨增碳劑+廢鋼+大量回爐料是低成本生產(chǎn)高附加值高性能球鐵鑄件的新技術(shù)。本文著重介紹熔煉合成鑄鐵用的晶體石墨增碳劑及熔煉合成鑄鐵顯著提高鑄造廠效益的幾個(gè)實(shí)例。
1碳及晶體石墨增碳劑材料特性
碳在常壓下的熔點(diǎn)為3550℃，沸點(diǎn)為4194℃，3500℃開始升華，是熔點(diǎn)很高的元素。且在高溫下不發(fā)生晶態(tài)變化，幾乎不軟化、不變形。碳的同素異構(gòu)體有無定形碳、石墨和金剛石。不同結(jié)構(gòu)的碳密度不相同，無定形碳密度約為1.98g/cm3，石墨密度約為2.3g/cm3，金剛石密度約為3.51g/cm3，性能差別大。含碳晶體有一重要的特點(diǎn)是在無氧條件下加熱，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)向更完整、更緊密的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。無定形碳，如焦炭、木炭、炭黑等，在高溫作用下可轉(zhuǎn)變?yōu)槭Ｊ诟邷亍⒏邏鹤饔孟驴赊D(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?/p>
1.1碳質(zhì)材料
碳質(zhì)材料是由碳元素組成的一類非金屬材料。由于晶體結(jié)構(gòu)和層片配列的變化，可以衍生出品種繁多的同素異構(gòu)體。所有的同素異構(gòu)體，在晶體結(jié)構(gòu)上都是以金剛石或石墨為基礎(chǔ)的。
1.1.1金剛石
金剛石晶體屬等軸晶系，原子晶格為面心正立方，原子間距為0.154nm，是碳的同素異構(gòu)體中原子排列很緊密的一種。金剛石是莫氏硬度值為10，絕對(duì)硬度約為10000kgf/mm。
1.1.2石墨
石墨為六方層片狀結(jié)晶，石墨質(zhì)軟（莫氏硬度2～3）、呈黑色、有光澤、并有潤(rùn)滑感。石墨可分為天然石墨和人造石墨兩類，都是鑄造行業(yè)中廣泛應(yīng)用的材料。
（1）天然石墨天然石墨中有鱗片狀石墨和微晶石墨兩種。中國(guó)是天然石墨產(chǎn)量很大的國(guó)家，產(chǎn)地主要有湖南、內(nèi)蒙、黑龍江、福建、廣東、吉林等省（區(qū)）。俄羅斯、朝鮮、韓國(guó)、澳大利亞、墨西哥、馬達(dá)加斯加、印度、斯里蘭卡、加拿大和美國(guó)也有高儲(chǔ)量的天然石墨礦。其中斯里蘭卡出產(chǎn)的塊狀石墨是目前所知的純度很高的天然石墨，其中的碳含量接近100％。通常開采得到的天然石墨中混有大量脈石和其他雜質(zhì)，如要求品位較高，就需要用浮選法提取。先將礦料粉碎、加水研磨制成礦漿，再用石灰或堿將礦漿調(diào)成弱堿性，并加入水玻璃抑制脈石，然后用篩分設(shè)備將石墨從大量脈石中分離出來。在浮選槽內(nèi)加入煤油之類的捕集劑，再經(jīng)離心分離和干燥，可以得到含碳量為70～95％的石墨。含碳量在95％以上的石墨，需用化學(xué)方法萃取，或加熱到高溫使其中的氧化物雜質(zhì)分解、揮發(fā)。
（2）人造石墨在高溫和惰性氣氛中，無定形碳可以轉(zhuǎn)變?yōu)槭Ｏ葘⒏惶嫉奶假|(zhì)材料壓制成形，加熱到2500～3000℃、在非氧化性氣氛中進(jìn)行石墨化。晶體石墨增碳劑大部分都是采用這種制備的。
1.1.3無定形碳
無定形碳也是六方層片狀結(jié)晶，與石墨不同之處在于六角形的配列不完整，層間距離略大。常見的無定形碳材料有焦炭、木炭、炭黑、活性炭等。
1.2增碳劑的類別及成分
增碳劑的主要成分是碳。但碳在增碳劑中的存在形式可能是非晶態(tài)或結(jié)晶態(tài)。增碳劑相同，與非晶體增碳劑相比，晶體增碳劑的增碳速度明顯的快，未作球化處理原鐵液的白口深度小，球墨鑄鐵基體中鐵素體含量高，石墨球數(shù)多，石墨形態(tài)更圓整。依據(jù)碳在增碳劑中的存在形態(tài)，分為石墨增碳劑和非石墨增碳劑。石墨增碳劑有廢石墨電極、石墨電極邊角料及碎屑、自然石墨壓粒、石墨化焦等，此外，碳化硅（SiC)具有和石墨相似的六方結(jié)構(gòu)也被列為石墨增碳劑的一種特殊形態(tài)。廢石墨增碳劑如瀝青焦、煅燒石墨焦、乙炔焦炭壓粒，煅燒無煙煤增碳劑等。常用增碳劑的主要成分表1，晶體石墨增碳劑的化學(xué)成分：碳含量≥96%，水份≤1.5%，灰分＜1%，F(xiàn)e2O3＜0.5%，Al2O3＜0.45%，不含硫、磷。
2增碳劑的增碳行為
增碳劑的增碳是通過碳在鐵液中的溶解和擴(kuò)散進(jìn)行的。當(dāng)鐵碳合金的含碳量在2.1%時(shí)，石墨增碳劑中的石墨可直接在鐵液中溶解直溶。而非石墨增碳劑的直溶現(xiàn)象幾乎不存在，只是隨著時(shí)間的推移，碳在鐵液中逐漸的擴(kuò)散溶解。石墨增碳劑的增碳速度顯著的高于非石墨增碳劑。對(duì)所有石墨鑄鐵，石墨增碳劑中的石墨，可作為先共晶晶核和共晶石墨晶核。由不同的配料比使用碳質(zhì)增碳劑和不采用增碳工藝，在鐵液化學(xué)成分中含量相同條件下，經(jīng)過增碳處理的鑄鐵中氮含量增加，但可以形成氮化硼等，可以作為石墨結(jié)晶核心的基底，為石墨創(chuàng)造良好的形核成長(zhǎng)條件。因此，增碳劑在增加鐵液含碳量的同時(shí)，能改善鐵液凝固后的組織和性能。
增碳速度是單位時(shí)間內(nèi)碳增加的百分?jǐn)?shù)。吸收率是增碳劑中碳被鐵液吸收的比率。鐵液增碳速度以及對(duì)增碳劑中碳的吸收率受下列因素影響。
①增碳劑種類；
②增碳劑顆粒；
③增碳處理溫度；
④鐵液組成；
⑤鐵液的攪拌程度。
石墨電極的增碳效率較快，在電爐熔煉時(shí)，一般吸收率85%左右。鐵液攪拌越強(qiáng)，增碳效率越高，在1450℃可達(dá)到90%。
3晶體石墨增碳劑對(duì)鑄件微觀組織及質(zhì)量的影響
由于鑄件的力學(xué)性能取決于鑄件的組織，而鑄件的組織取決于鑄件的化學(xué)成分及凝固過程，鑄鐵凝固過程有2種重要的形核條件，一是奧氏體形核，另一種是石墨形核，石墨和鑄造硅鐵在Ca、Ba、Sr、Al、Ce、Zr、Mn等元素的促進(jìn)下有利于先共晶及共晶石墨晶核的形成，研究表明含有上述活性元素的氧硫復(fù)雜化合物具有活性的結(jié)晶核心，在鑄鐵凝固過程促進(jìn)石墨形核，鐵液中適當(dāng)尺寸、沒有溶解的石墨質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)先共晶和共晶石墨析出核心，為了增加球鐵的石墨球數(shù)量，必須加強(qiáng)增加形成球狀石墨核心的技術(shù)措施，其中鐵液的石墨質(zhì)點(diǎn)有助于提高球狀石墨核心數(shù)量，結(jié)晶核心總是異質(zhì)的核心，晶體結(jié)構(gòu)的碳可以顯著提高鐵液的形核狀態(tài)，其中有六方結(jié)構(gòu)的石墨增碳劑，碳化硅（SC）由于具有和石墨相似的六方結(jié)構(gòu)，也被看作是石墨增碳劑的一種特殊形態(tài)。石墨結(jié)構(gòu)的增碳劑增加鐵液中晶核點(diǎn)的數(shù)量，提高鐵液的形核能力。生產(chǎn)實(shí)踐表明使用質(zhì)地致密的石墨增碳劑后球鐵的鐵素體含量平均提高10%-15%，對(duì)延伸率有特別要求的鐵素體球墨鑄鐵是非常有價(jià)值的。用石墨結(jié)構(gòu)的增碳劑生產(chǎn)球墨鑄鐵得到的石墨球數(shù)量是使用非石墨增碳劑球鐵得到的石墨球數(shù)量的400%。
高韌性球鐵的生產(chǎn)關(guān)鍵是獲得鑄件的組織中高的鐵素體含量，較高的球化率，直徑細(xì)小而多的石墨數(shù)。同樣的鑄造生產(chǎn)應(yīng)用晶體石墨增碳劑會(huì)促進(jìn)這些有益的結(jié)果形成，就是說應(yīng)用晶體石墨增碳劑+工業(yè)碳素廢鐵+大量回爐料電爐熔煉是低成本生產(chǎn)高附加值高性能球鐵鑄件的新技術(shù)。
4晶體石墨增碳劑的使用方法及晶體石墨粒度要求
增碳劑使用過程中，增碳劑有增碳吸收和氧化損耗。不同形態(tài)和顆粒大小的增碳劑對(duì)吸收和損耗有不同的影響，例如石墨壓塊（粒）、石墨電極碎屑，具有較大的表面面積浸潤(rùn)在鐵液中，增碳吸收率高；增碳劑顆粒小，在增碳速度較快的同時(shí)，氧化損耗速度也較快等。因此，生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)熔爐類型，爐膛直徑和容量大小，以及增碳劑的加入方法等，正確選擇增碳劑類型及顆粒大小。使用增碳劑增碳的主要方法，是將增碳劑作為爐料直接投入爐內(nèi)的投入法，在工藝要求爐外增碳時(shí)，常采用包內(nèi)噴粉或出鐵增碳法。
4.1爐內(nèi)投入法
適用于感應(yīng)爐熔煉時(shí)使用，依據(jù)工藝要求具體方法有為：
①中頻電爐熔煉，可按配比或碳當(dāng)量要求隨爐料加入電爐中下部位，回收率可達(dá)95%以上；
②鐵液熔清后碳量不足調(diào)整碳分時(shí)，先打凈爐中熔渣，再加增碳劑，通過鐵液升溫，電磁攪拌和人工攪拌使碳溶解吸收，回收率可在90%左右；有的工廠采用所謂低溫增碳工藝，即爐料只熔化一部分，熔化的鐵液溫度較低情況下，全部增碳劑一次性加入鐵液中，同時(shí)用固體爐料將其壓入鐵液中不讓其露出鐵液表面。
4.1.1配料及加料順序與晶體石墨增碳劑的使用方法
鋼鐵料配料大多都采用20%-30%的回爐料+工業(yè)碳素廢鐵，回爐料配量以車間回爐料的多少定，不超過30%為宜。加料順序是爐底先加入回爐料，隨后加入工業(yè)碳素廢鐵，大功率送電。
在爐料熔化60%時(shí)加入配料晶體增碳劑總量的一半，加入晶體增碳劑后繼續(xù)提高爐溫加料熔化，剩余部分的60%在爐料全部熔化打完渣后加入，不斷攪拌直到增碳劑完全溶解后取樣分析。取樣后爐內(nèi)鐵液用覆蓋劑保護(hù)，爐子保溫。
后來剩余晶體增碳劑（粒度0.5~1.0mm）覆蓋在包中球化劑上，起促進(jìn)石墨形核及孕育作用。
4.1.2晶體石墨粒度要求
對(duì)于1t以下電爐熔煉晶體石墨粒度要求0.5~2.5mm，1t-3t電爐熔煉晶體石墨粒度要求2.5~5mm，3t-10t電爐熔煉晶體石墨粒度要求5.0~20mm，覆蓋在澆包中球化劑上的晶體石墨粒度要求0.5~1.0mm。
4.2爐外增碳
選用焦炭粉做增碳劑，包內(nèi)噴粉，吹入量為40kg/t，預(yù)期能使鐵液含碳量從2%增到4%，增碳過程隨著鐵液碳含量逐漸升高，碳量利用率下降，增碳前鐵液溫度1600℃，增碳后平均為1299℃。噴焦炭粉增碳，一般采用氮?dú)庾鬏d體，在工業(yè)生產(chǎn)條件下，用壓縮空氣更方便，而且壓縮空氣中配入過量碳粉吹入高溫鐵液中，與壓縮空氣中的氧燃燒產(chǎn)生CO，化學(xué)反應(yīng)熱可補(bǔ)償部分溫降，而且CO的還原氣氛利于改善增碳效果。
出鐵時(shí)增碳，可將粒度0.5～1.0㎜的增碳劑放到包內(nèi)，或從出鐵槽隨流沖入，出完鐵液后充分?jǐn)嚢瑁M可能使碳溶解吸收，碳的回收率在55%左右。
5晶體石墨增碳劑的新用途
在生產(chǎn)高韌性風(fēng)電球鐵鑄件、奧貝球鐵鑄件及大型復(fù)雜球鐵柴油機(jī)缸體、缸蓋過程中，經(jīng)常遇到球化分級(jí)比2級(jí)低又比3級(jí)高，石墨球不圓整，石墨球直徑達(dá)不到6級(jí)以上，EPC生產(chǎn)灰鑄鐵重卡變速機(jī)箱體出現(xiàn)了D型石墨等，采取了常規(guī)的工藝措施都難以解決問題，在生產(chǎn)原來配料、熔化、球化、孕育工藝不進(jìn)行大的改變情況下，出鐵時(shí)按1.5-2.0Kg/t鐵液包中沖入0.5~1.0mm的晶體增碳劑（覆蓋在球化劑上），這些問題就得到解決。換句話可以理解運(yùn)用特定晶體增碳劑會(huì)對(duì)提高高韌性球鐵風(fēng)電鑄件、奧貝球鐵鑄件、及大型復(fù)雜球鐵柴油機(jī)缸體、缸蓋的球化率、改善石墨球圓整度，減小石墨球直徑起到有益的作用，EPC生產(chǎn)重卡變速機(jī)灰鑄鐵箱體對(duì)消除D型石墨有明顯的效果。
6使用晶體石墨增碳劑注意的事項(xiàng)
配料增碳，增碳劑隨爐料加入電爐下部（5~15mm顆粒），碳收得率一般為95%；鐵液、鋼液補(bǔ)碳，先打凈鋼液表面的渣子加入（0.5~2.5mm），碳收得率一般為92%。
加增碳劑熔煉灰鑄鐵、球鐵中不要頻繁加入覆蓋劑，不要頻繁打渣，以免增碳劑沒有溶解完與覆蓋劑混合，與渣子從爐中打出。
剛開始使用注意需要通過2-3爐試驗(yàn)，以確定增碳劑的碳收得率。
石墨增碳劑當(dāng)做提高球化率、改善石墨球圓整度，減小石墨球直徑、消除D型石墨、細(xì)化晶粒的作用時(shí)，粒度一定要細(xì)，本身要干燥，不注意的話容易引起球鐵的夾雜及氣孔缺陷。
7合成鑄鐵的熔煉中C、Si、Mn的控制
由于合成鑄鐵配料，爐料中帶入的S、P極低，合成鑄鐵熔煉質(zhì)量控制的關(guān)鍵是C、Si、Mn的控制，傳統(tǒng)熔煉C主要依靠配料來保證，但合成鑄鐵的熔煉由于C受增碳劑的類型、粒度、加入方法、以及增C過程溫度的影響，C吸收率變化大，因此，C必須依靠配料、嚴(yán)格的熔煉工藝及爐前快速檢測(cè)來調(diào)整，爐前快速檢測(cè)主要以快速熱分析儀和直讀光譜儀。對(duì)于酸性爐，合成鑄鐵的熔煉Si較為穩(wěn)定，依靠配料控制，但合成鑄鐵液在1580℃以上于酸性爐內(nèi)停滯時(shí)間太長(zhǎng)，回出現(xiàn)C快速下降，Si快速大幅增高。合成鑄鐵的Mn通過調(diào)Mn造渣輔料的加入量來控制。
8合成鑄鐵的生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例
8.1采用電爐合成鑄鐵工藝生產(chǎn)高韌性球鐵
風(fēng)電球鐵鑄件國(guó)內(nèi)大多采用樹脂砂造型制芯，中頻電爐或電弧爐熔煉工藝鑄造。在中頻爐熔煉下利用工業(yè)碳素廢鐵熔煉合成鑄鐵的工藝。經(jīng)陜西、廣東、浙江、山東、遼寧等鑄造廠生產(chǎn)球鐵5萬(wàn)t以上應(yīng)用證明，應(yīng)用合成鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)在不增加鑄造企業(yè)設(shè)備投入，不增加人力投資情況下，降低高韌性球鐵直接生產(chǎn)成本約1000元/t左右（采用合成工藝熔煉1t鐵液節(jié)約成本：5.948–4.896=1.052元）。對(duì)于1個(gè)年生產(chǎn)球鐵2萬(wàn)t鑄造廠1年降低生產(chǎn)成本約2000萬(wàn)元，同時(shí)廢品率降低可降成本約400萬(wàn)元左右。應(yīng)用這一技術(shù)年生產(chǎn)球鐵2萬(wàn)t鑄造廠綜合降低生產(chǎn)成本2400萬(wàn)元左右。
對(duì)于中頻爐及電弧爐熔煉而言，采用工業(yè)碳素廢鐵熔煉技術(shù)，生產(chǎn)高韌球鐵可以使球鐵的韌性和強(qiáng)度等性能得到提升，鑄件的基體晶粒組織會(huì)均勻化、細(xì)化，鐵液的純凈度更高，石墨化的效果也更穩(wěn)定突出。工業(yè)碳素廢鐵中的雜質(zhì)元素較少，成份穩(wěn)定，經(jīng)過高溫熔煉，消除了鑄造用生鐵的不良遺傳效應(yīng)，熔煉出的鐵液具有較高的品質(zhì)。由于風(fēng)電鑄件要求進(jìn)行低溫沖擊韌度檢測(cè)，所以必須保證鐵液足夠的純凈，因此，原材料選擇要求嚴(yán)格，一般對(duì)生鐵的純度要求高，要使用反球化元素、Mg消耗量盡量低的生鐵和雜質(zhì)含量少，成分可知的廢鋼。但對(duì)于采用工業(yè)碳素廢鐵作為主要原材料的熔煉技術(shù)，用同類回爐料，相對(duì)而言原材料選擇余地就較寬。
將采用該工藝澆鑄的QT400-18輪轂鑄件的解剖取樣，做鑄態(tài)金相和理化分析，結(jié)果表明一般金相組。
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