增碳劑及其選用

惠國棟，許 翔，張 瀟，馬斌悍，邵亮峰，王利民

增碳劑及其選用

惠國棟，許 翔，張 瀟，馬斌悍，邵亮峰，王利民

（寧夏共享能源有限公司，寧夏 銀川 750021）

增碳劑在鑄造時(shí)使用，可大幅度增加廢鋼用量，減少生鐵用量或不用生鐵。目前絕大多數(shù)增碳劑都適用于電爐熔煉，也有少部分吸收速度特別快的增碳劑用于沖天爐。電爐熔煉的投料方式，應(yīng)將增碳劑隨廢鋼等爐料一起投放，小劑量的添加可以選擇加在鐵水表面。但是要避免大批量往鐵水里投料，以防止氧化過多而出現(xiàn)增碳效果不明顯和鑄件碳含量不夠的情況。增碳劑的加入量根據(jù)其他原材料的配比和含碳量決定。不同種類的鑄件，根據(jù)需要選擇不同型號的增碳劑。增碳劑本身選擇純凈的含碳石墨化物質(zhì)，可降低生鐵里過多的雜質(zhì)，增碳劑選擇合適可降低鑄件生產(chǎn)成本。目前，國內(nèi)外對增碳劑及其選用的系統(tǒng)性研究報(bào)道比較少，本文對增碳劑和增碳劑的選用進(jìn)行系統(tǒng)性研究。

鑄造；增碳劑；選用

在鋼鐵產(chǎn)品的冶煉過程中，常常會因?yàn)橐睙挄r(shí)間、保溫時(shí)間、過熱時(shí)間較長等因素，使得鐵液中碳元素的熔煉損耗量增大，造成鐵液中的含碳量有所降低，導(dǎo)致鐵液中的含碳量達(dá)不到煉制預(yù)期的理論值。為了補(bǔ)足鋼鐵熔煉過程中燒損的碳含量而添加的含碳類物質(zhì)稱之為增碳劑。使用增碳劑不僅可以補(bǔ)足鋼鐵冶煉過程中碳的燒損，確保鋼鐵特定牌號碳含量的要求，還可以用于爐后調(diào)整。在進(jìn)行除渣、除氣處理之后的鋼包中加入特定牌號的增碳劑，可調(diào)整鋼包中的碳含量，達(dá)到一包多號的目的。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。常用的電極塊、碳化硅增碳劑具有含碳量高、抗氧化性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，成本高；以焦炭粉、石墨為增碳材料，生產(chǎn)成本比電極塊等材料低，但所含灰分、硫含量高，碳含量較低，增碳效果不佳。

1 增碳劑種類

可以用作增碳劑的材料很多，常用的有人造石墨、煅燒石油焦、天然石墨、焦炭、無煙煤，以及用這類材料配成的混合料。

1.1 石油焦

石油焦是目前廣泛應(yīng)用的增碳劑。石油焦是精煉原油得到的副產(chǎn)品，原油經(jīng)過常壓蒸餾或減壓蒸餾得到的渣油及石油瀝青，都可以作為制造石油焦的原料，再經(jīng)焦化后就得到生石油焦。生石油焦有海綿狀、針狀、粒狀和流態(tài)等品種。海綿狀石油焦是采用延遲焦化法制得的，由于其中硫和金屬含量較高，通常用作煅燒時(shí)的燃料，也可作為煅燒石油焦的原料。經(jīng)煅燒的海綿焦，主要用于制鋁業(yè)和用作增碳劑。針狀石油焦是用芳香烴含量高、雜質(zhì)含量低的原料，由延遲焦化法制得的。這種焦炭具有易于破裂的針狀結(jié)構(gòu)，有時(shí)稱之為石墨焦，煅燒后主要用于制造石墨電極。粒狀石油焦呈硬質(zhì)顆粒狀，是將硫和瀝青烯含量高的原料，用延遲焦化法制得的，主要用作燃料。流態(tài)石油焦是在流態(tài)床內(nèi)用連續(xù)焦化法制得的，呈細(xì)小顆粒狀，結(jié)構(gòu)無方向性，硫含量高，揮發(fā)分低。

生石油焦中的雜質(zhì)含量高，不能直接用作增碳劑，必須先經(jīng)過煅燒處理。煅燒石油焦是為了除去硫、水分和揮發(fā)分。將生石油焦于1200～1350℃煅燒，可以使其成為基本上純凈的碳。煅燒石油焦的最大用戶是制鋁業(yè)，70%用于制造使鋁礬土還原的陽極。美國生產(chǎn)的煅燒石油焦，用于鑄鐵增碳劑的約占6%。

1.2 天然石墨

天然石墨分為鱗片石墨和微晶石墨兩類。微晶石墨灰分含量高，一般不用作鑄鐵的增碳劑。鱗片石墨有很多品種，高碳鱗片石墨需用化學(xué)方法萃取，或加熱到高溫使其中的氧化物分解、揮發(fā)，這種鱗片石墨產(chǎn)量不多且價(jià)格高，一般也不用作增碳劑。低碳鱗片石墨中的灰分含量高，不宜用作增碳劑。用作增碳劑的主要是中碳鱗片石墨，但用量也不多。

1.3 人造石墨

各種增碳劑中，品質(zhì)最好的是人造石墨。制造人造石墨的主要原料是粉狀的優(yōu)質(zhì)煅燒石油焦，在其中加瀝青作為粘結(jié)劑，再加入少量其他輔料。各種原材料配好以后，將其壓制成形，然后在2500～3000℃、非氧化性氣氛中處理，使之石墨化。經(jīng)高溫處理后，灰分、硫、氣體含量都大幅度減少。由于人造石墨制品的價(jià)格昂貴，鑄造廠常用的人造石墨增碳劑大都是制造石墨電極時(shí)的切屑、廢舊電極和石墨塊等循環(huán)利用的材料，以降低生產(chǎn)成本。熔煉球墨鑄鐵時(shí)，為使鑄鐵的冶金質(zhì)量上乘，增碳劑宜首選人造石墨，為此，最好向附近采用電弧爐煉鋼的企業(yè)或電解鋁生產(chǎn)企業(yè)購買廢電極，自行破碎到要求的粒度。

1.4 焦炭和無煙煤

電弧爐煉鋼過程中，可以在裝料時(shí)配加焦炭或無煙煤作為增碳劑，由于其灰分和揮發(fā)分含量較高，感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí)很少用作增碳劑。關(guān)于鑄鐵行業(yè)常用的幾種增碳劑的成分，表1中列出了一些典型的測定數(shù)據(jù)供參照。

表1 常見增碳劑成分

2 增碳劑的選用

2.1 固定碳和灰分的含量

固定碳和灰分是增碳劑中此消彼長的兩個(gè)對立參數(shù)，也是影響增碳效率的兩個(gè)最重要的參數(shù)。增碳劑中的固定碳含量高、灰分低，則增碳效率高；反之則增碳效率低。由于生產(chǎn)條件的影響因素很多，很難嚴(yán)格評定兩參數(shù)各自對增碳效率的影響?；曳指?，對增碳有抑制作用，而且還會使?fàn)t渣量增多，從而延長作業(yè)時(shí)間，增加電耗，增加冶煉過程中的勞動(dòng)量。采用熔溝式感應(yīng)電爐，如增碳劑加入爐內(nèi)，尤其應(yīng)選用低灰分的品種，以免熔溝中聚集氧化物而影響電效率。從增碳效率考慮，當(dāng)然希望增碳劑的固定碳含量高一些、灰分低一些，但同時(shí)也要考慮生產(chǎn)成本的因素和對鐵液質(zhì)量的影響。

增碳劑的加入方式對增碳效率也有很大的影響。1）增碳劑在裝料時(shí)加入爐內(nèi)。裝料時(shí)將增碳劑與爐料混勻，置于感應(yīng)電爐的底層和中部，增碳效率較高。關(guān)于不同增碳劑的增碳效率，美國有人在保持其他條件不變的情況下進(jìn)行過對比試驗(yàn)，其要點(diǎn)如下：在無芯感應(yīng)電爐中熔煉灰鑄鐵，鑄鐵的目標(biāo)碳當(dāng)量為4.03%（WC=3.4%，WSi=1.9%，WMn=0.55%）。爐料的配比是：鑄造生鐵16%、回爐料30%、廢鋼52%、增碳劑2%。增碳劑與金屬爐料同時(shí)加入爐內(nèi)，不同增碳劑的增碳效率見表2。2）出鐵時(shí)加增碳劑。出鐵時(shí)在包內(nèi)加增碳劑，增碳效率比加入爐內(nèi)者低得多。美國有人曾在包內(nèi)加入不同增碳劑進(jìn)行對比試驗(yàn)，其要點(diǎn)如下：熔煉的鑄鐵是低碳當(dāng)量鑄鐵，目標(biāo)成分是：WC=2.55%，WSi=1.7%，WMn=0.4%。出鐵時(shí)，鐵液溫度為1510～1530℃。增碳劑加在包內(nèi)，然后沖入鐵液，試驗(yàn)的結(jié)果見表3。

表2 不同增碳劑的增碳效率

表3 包內(nèi)加入不同增碳劑的增碳效率

2.2 硫含量

熔煉球墨鑄鐵時(shí)，應(yīng)采用硫含量低的增碳劑。雖然低硫增碳劑的價(jià)格高，但卻是必需的。熔煉灰鑄鐵時(shí)，宜采用硫含量較高的增碳劑。這樣，不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且還可增強(qiáng)鐵液對孕育處理的回應(yīng)能力，得到冶金質(zhì)量高的鑄件。在這種條件下，片面地追求增碳劑“質(zhì)量高”而選用低硫的品牌，不僅增加生產(chǎn)成本，而且還對產(chǎn)品質(zhì)量有負(fù)面影響。

2.3 氮含量

灰鑄鐵中含有少量的氮，有促成珠光體的作用，有助于改善鑄鐵的力學(xué)性能。如果氮含量在0.01%以上，則鑄件易產(chǎn)生“氮致氣孔”。通常，廢鋼中的氮含量高于鑄造生鐵。用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí)，由于爐料中所用的鑄造生鐵錠少、廢鋼多，制得的鑄鐵中氮含量會相應(yīng)較高。爐料中廢鋼用量為15%時(shí)，鑄鐵中的氮含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）約為0.003%～0.005%；廢鋼用量為50%時(shí)，氮含量可達(dá)0.008%～0.012%；爐料全部為廢鋼時(shí)，氮含量可能高達(dá)0.014%以上。此外，由于爐料中使用大量廢鋼，必須用增碳劑，而大多數(shù)增碳劑中氮含量都比較高，這是導(dǎo)致鑄鐵中氮含量增高的另一因素。近10多年來，隨著感應(yīng)電爐的應(yīng)用不斷增多，增碳劑中的氮含量日益受到重視。為避免鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷，感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí)所用的增碳劑，一定要選購含氮量低的品種，如有可能，應(yīng)核查增碳劑的氮含量。當(dāng)前的困難在于，分析增碳劑中的氮含量尚缺乏簡便而準(zhǔn)確的方法。

3 工藝對增碳效果的影響

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(nèi)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(chǎn)條件下，往往是多種因素同時(shí)起作用，難以對每一因素的影響進(jìn)行準(zhǔn)確的說明，需要通過試驗(yàn)來優(yōu)化工藝。

3.1 加入方式

增碳劑在裝料時(shí)隨金屬爐料一同加入爐內(nèi)，由于作用的時(shí)間長，增碳效率比出鐵時(shí)加入鐵液時(shí)高得多，由表2和表3中的數(shù)據(jù)可以有概略的了解。

3.2 鐵液溫度

出鐵時(shí)將增碳劑加入包內(nèi)，然后沖入鐵液，增碳效率與鐵液的溫度有關(guān)。在正常的生產(chǎn)條件下，鐵液溫度較高，則碳較易溶于鐵液，增碳效率因而較高。

3.3 增碳劑粒度

一般說來，增碳劑的顆粒小，則其與鐵液接觸的界面面積大，增碳的效率就會較高，但太細(xì)的顆粒易被大氣中的氧所氧化，也易被對流的空氣或抽塵所致的氣流帶走。因此，增碳劑顆粒尺寸的下限值以1.5mm為宜，而且其中不應(yīng)含有0.15mm以下的細(xì)粉。顆粒尺寸的最大值，應(yīng)該以能在作業(yè)時(shí)間內(nèi)溶入鐵液為度。如果增碳劑在裝料時(shí)隨金屬爐料一同加入，碳與金屬的作用時(shí)間長，增碳劑的顆粒尺寸可以較大，上限值一般可為12mm。如果在出鐵時(shí)加入鐵液中，則顆粒尺寸宜小一些，上限值一般為6.5mm。

3.4 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(nèi)的情況下，有感應(yīng)電流的攪拌作用，增碳的效果較好。向包內(nèi)加增碳劑時(shí)，增碳劑可先置于包底，出鐵時(shí)使鐵液直沖增碳劑，或連續(xù)地將增碳劑投向液流，不可在出鐵后投放在包內(nèi)的液面上。

3.5 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，當(dāng)然會嚴(yán)重影響增碳效果。因此，如采用在出鐵時(shí)增碳的工藝，應(yīng)特別注意避免渣、鐵混出。

4 結(jié)論

對國內(nèi)外主要增碳劑使用種類及使用情況分析發(fā)現(xiàn)，增碳劑的選用需要著重考慮碳、硫、氮這3種元素對鑄件的影響。在加工增碳劑時(shí)，不但需要控制好每種元素的含量，還要以鑄件質(zhì)量為最終目標(biāo)，控制好碳、硫、氮元素的比例。使用工藝上要綜合考慮增碳劑的加入方式、增碳劑的粒度大小、增碳處理溫度、增碳保溫時(shí)間、鐵液攪動(dòng)時(shí)間和鐵液化學(xué)成分等，這些因素都會影響增碳劑在鋼包中的溶解吸收，從而影響到熔煉過程和最終的鑄件質(zhì)量。

［2]Darkson L.S， Gurry R.W. Chemistry of Metals［M］. London：McGraw， 1953.

［3]張伯明.鑄造手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：185-203.

［4]陸文華，李隆盛，黃良余.鑄造合金及其熔煉［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：32-40.

［5]張杰.高強(qiáng)度灰鑄鐵力學(xué)性能的提升［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

［6]殷作虎.硫?qū)诣T鐵組織和性能的影響［J］.鑄造，2004，53（10）：805-809.

刊號： ISSN 1671-9905 CN 45-1306/TQ

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Carburetant and its Selection

HUI Guo-dong， XU Xiang，ZHANG Xiao，MA Bin-han，SHAO Liang-feng，WANG Li-min
（Ningxia Kocel Energy Co. Ltd.， Yinchuan 750021， China）

Carburetant could significantly increase the amount of scrap during casting， reduce the amount of pig iron or no iron. At present， most carburetant were suitable for smelting furnace， a small number of carburetant with particularly fast absorption rate was fit for the cupola. The feeding mode of furnace was carbon agent added together with the scrap charge. To the small dosage，the adding mode of carburetant was added in the surface. The adding of large quantities of iron into the hot metal should be avoid in order to prevent the occurs of carbon ineffective and the deficiency of casting carbon content. The adding amount of carburetant was based on the ratio of carbon content to other raw materials. The selection of carburetant depended on casting need， the suitable choose could reduce the cost of casting production. The carburetant and its selection were reviewed in this paper.

iron casting； carburetant； selection

TG 223

A

1671-9905（2016）03-0050-03

2016-01-14