晶體石墨增碳劑的應(yīng)用

王銳(商都縣豐彥驕新材料有限公司，內(nèi)蒙古 商都 013450)

0 引言

鑄件的組織形式影響著鑄件的力學(xué)性能，然而鑄件的凝固過(guò)程和化學(xué)成分影響鑄件的組織。鑄件的凝固過(guò)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(guò)程中，當(dāng)晶體石墨增碳劑與鑄造材料相結(jié)合，并通過(guò)一系列化學(xué)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(zhì)還含有鈣、鋇、錳等活性元素，它屬于一種氧硫復(fù)雜化合物。接近核心具有一定核心的物質(zhì)在進(jìn)行鑄造微觀組織和凝固過(guò)程中會(huì)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(zhì)點(diǎn)可以促進(jìn)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(shù)量得以增加，需要重點(diǎn)加強(qiáng)增加形成球狀石墨核心的技術(shù)措施。

1 晶體石墨增碳劑的具體運(yùn)用

1.1 感應(yīng)電爐生產(chǎn)高強(qiáng)度灰鑄鐵

鑄件的強(qiáng)度高低和收縮之間存在一定的矛盾，鑄件性能的提高會(huì)改變石墨的形態(tài)，嚴(yán)重甚至產(chǎn)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(zhì)量的強(qiáng)度與收縮之間的問(wèn)題，主要的運(yùn)用原則是在電爐溶解及合成鑄鐵期間將廢鋼的使用數(shù)量增添到最大化，而摒棄生鐵的使用。對(duì)其施加石墨增碳劑，提高鑄件內(nèi)部的碳當(dāng)量，重點(diǎn)是碳含量的增加，電爐生產(chǎn)灰鑄鐵期間會(huì)出現(xiàn)凝固，由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)的階段中會(huì)稀釋出數(shù)量龐大的石墨，并造成灰鑄鐵呈現(xiàn)出膨脹的現(xiàn)象，碳當(dāng)量較高以及微合金化工藝與碳當(dāng)量較低及工藝中沒(méi)有添加合金的工藝相比較，前者的收縮傾向較小，即使發(fā)生收縮，其收縮程度也處于可接受范圍之內(nèi)。采用鐵液預(yù)處理技術(shù)，更好地解決鑄件的強(qiáng)度高和收縮兩者之間存在的沖突和問(wèn)題。隨著合成鑄件的理論知識(shí)積累和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)已經(jīng)熟練掌握合成鑄鐵的工藝技術(shù)，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(jié)晶核心，對(duì)鐵液中石墨成分的增加也有很大的促進(jìn)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(yīng)電爐在進(jìn)行高強(qiáng)度的鑄造及生產(chǎn)鑄鐵的階段中，需要應(yīng)用到數(shù)量足夠龐大的廢鋼，增碳劑也需要根據(jù)廢鋼的添加量進(jìn)行有效攝取。但是大多數(shù)情況下，增碳劑投入的數(shù)值也是不小的。有效運(yùn)用增碳技術(shù)的前提條件是選擇品質(zhì)優(yōu)秀的晶體石墨增碳劑，增碳劑的品質(zhì)越優(yōu)秀，最終獲取的鑄鐵也會(huì)取得更好的效果。石墨形成完善的形態(tài)，其數(shù)量也急劇上升并均勻分散在鑄鐵周圍，鐵液在液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)的凝固過(guò)渡階段中所稀釋出的石墨會(huì)產(chǎn)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(zhì)的好壞直接影響著高強(qiáng)度鑄鐵的質(zhì)量和形態(tài)，也是高強(qiáng)度鑄鐵過(guò)程中廢鋼的投入數(shù)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(guò)程中發(fā)生的氧化反應(yīng)對(duì)周圍的空氣造成了不利的影響，是一種有害的化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)用了增碳技術(shù)，可以在凝固過(guò)程中增添鐵液中非均質(zhì)晶核的預(yù)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(jìn)行氧化反應(yīng)，并進(jìn)行還原脫氧，鐵液原有的氧含量降到正常濃度的標(biāo)準(zhǔn)，使得鐵液的質(zhì)量更加純凈天然。

1.3 鐵液預(yù)處理技術(shù)

預(yù)處理技術(shù)的應(yīng)用原理在于對(duì)石墨性孕育介質(zhì)有效處理并改善原來(lái)的鐵液，這是一項(xiàng)流程較為繁瑣的工藝處理方法。在鐵液熔煉一段時(shí)間后，也就是熔煉的中后期階段，將晶體石墨增碳劑科學(xué)合理加入其中，當(dāng)具體范圍維持在0.05%～0.10%的時(shí)候，會(huì)在鐵液中逐漸形成大面積分散的非均質(zhì)結(jié)晶核心，有效提高了形核能力，大大減少了石墨發(fā)生異常變化和形態(tài)的概率，也在一定程度上降低了鐵液的過(guò)冷度。當(dāng)進(jìn)行預(yù)處理技術(shù)之后，鐵液需要維持5 min 后及時(shí)出鐵。

1.4 球鐵生產(chǎn)中的運(yùn)用

晶體石墨增碳劑在球鐵生產(chǎn)過(guò)程中可以大大減少雜質(zhì)元素和有害元素的含量，而且還對(duì)石墨的遺傳特性進(jìn)行了制約。現(xiàn)階段我國(guó)生鐵雜質(zhì)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(huì)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(huì)使球鐵在凝固過(guò)程中形成磷共晶并分析出來(lái)，對(duì)球鐵材料的韌性和可塑性造成了一定的影響。因此在生產(chǎn)高塑性和高韌性的大型球墨鑄鐵的階段中，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)選取鈦元素含量小于0.02% 的高鐵生產(chǎn)，選擇對(duì)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(wěn)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(zhì)元素總含量小于0.1%，所包容的鈦元素含量不得超過(guò)0.03%，這樣才可以有效降低雜質(zhì)元素和具有毒害性能的因素對(duì)球鐵鑄造產(chǎn)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(yùn)用方法

常見(jiàn)的增碳方法主要有兩種：一種是在鑄鐵由固態(tài)熔化為液態(tài)的過(guò)程中與爐料分批投放至熔化爐內(nèi)進(jìn)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(nèi)投入法

晶體石墨增碳劑適用于感應(yīng)電爐熔煉，但由于工藝技術(shù)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(shí)候，可以按照規(guī)范的比例或者碳當(dāng)量加入電爐下部物料，其回收率可以高達(dá)95%以上；二是在電爐熔煉過(guò)程中如果含碳量過(guò)少，而且無(wú)法對(duì)含碳量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)時(shí)，這時(shí)需要做的第一步措施就是將電爐內(nèi)部的殘?jiān)謇砀蓛?，清理結(jié)束后再加入晶體石墨增碳劑，通過(guò)鐵水的高溫加熱、電磁或人工的攪拌進(jìn)行溶解吸收碳，其回收率可以達(dá)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(nèi)噴灑石墨粉，將晶體石墨磨成石墨粉作為增碳劑，吹氣量達(dá)到一定程度后會(huì)使得鐵液中的碳含量由原來(lái)的2% 變?yōu)?%，隨著體液中碳含量的數(shù)量增加，碳的利用率會(huì)下降。增碳后的鐵液溫度會(huì)有所上升，石墨粉的噴射通常以氮?dú)庾鳛槊浇槲镔|(zhì)，在現(xiàn)代的工業(yè)條件下，最便捷的方法是采用壓縮空氣，壓縮空氣中產(chǎn)生氧化反應(yīng)并出現(xiàn)燃燒會(huì)形成一氧化碳，一氧化碳帶來(lái)的熱可以有效補(bǔ)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(dāng)?shù)木w石墨增碳劑放入塑料袋中或采用鐵出口槽的流量進(jìn)行沖洗，體液放出后進(jìn)行均勻攪拌，有效溶解吸收碳元素，最終碳回收率達(dá)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(guò)程中加入石墨增碳劑后，需要使增碳劑和鐵液有效結(jié)合并進(jìn)行潤(rùn)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(xiàn)燃燒狀況。如果需要加入大量的石墨增碳劑時(shí)，需要采取分批投入的方式。除此之外，在鐵液的表面進(jìn)行增碳技術(shù)的時(shí)候，需要重點(diǎn)關(guān)注鐵液的攪拌方法和力度以及分批加入增碳劑的間隔時(shí)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(qū)別濕潤(rùn)程度影響著增碳劑的吸收，進(jìn)行有效的濕潤(rùn)工作可以讓增碳劑吸收率達(dá)到90%～95% 范圍內(nèi)，甚至吸收率會(huì)達(dá)到最高點(diǎn)。

2.2.2 鐵液的化學(xué)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(huì)對(duì)碳元素含量造成制約效應(yīng)，致使鐵液吸收碳元素的能力有所下降。換句話說(shuō)，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(duì)鐵液吸收碳元素起到一定的促進(jìn)作用，有效提高了增碳劑的吸收率。所以，在球鐵生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行增碳技術(shù)處理時(shí)，需要進(jìn)行先脫硫后增碳，先增碳后補(bǔ)硅，并始終將這種原則作為鑄造工藝的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2.3 增碳劑的品質(zhì)

如果晶體石墨增碳劑的品質(zhì)不相同，那么其增碳劑吸收率的效果也會(huì)有所不同。品質(zhì)更加優(yōu)化的石墨增碳劑的吸收率較穩(wěn)定，對(duì)鑄鐵的生產(chǎn)與控制有一定的積極作用，而且可以在一定程度上節(jié)約增碳技術(shù)所產(chǎn)生的能耗及材料等資源的消耗，大大降低了鑄鐵生產(chǎn)所投入的資金成本。增碳劑的碳含量越高效果就會(huì)越顯著，揮發(fā)物和氫氣、氧氣、氮?dú)獾群吭降驮胶谩?/p>

2.2.4 鐵液攪拌的影響

均勻攪拌對(duì)于碳的溶解和擴(kuò)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(xiàn)燃燒現(xiàn)象。在增碳劑還沒(méi)有溶解完成前，攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，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(shí)間，有效縮短生產(chǎn)周期，防止鐵液中含有的合金元素被損壞。但是長(zhǎng)期攪拌會(huì)對(duì)電爐的使用期限產(chǎn)生負(fù)面影響，而且在增碳劑徹底溶解后，攪拌會(huì)急劇消耗鐵液中的碳。所以，科學(xué)合理的鐵液攪拌時(shí)間需要根據(jù)增碳劑的溶解程度及時(shí)調(diào)整[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，鑄鐵工程因具備的優(yōu)勢(shì)并依靠日益增進(jìn)的鑄造技術(shù)而發(fā)展壯大，但是一些大型鐵件在內(nèi)部和外表的鑄造質(zhì)量要求更為嚴(yán)格。所以為減輕原材料中存在的干擾因素，通過(guò)晶體石墨增碳劑的融入提升鑄鐵的質(zhì)量，解決鐵液碳含量損耗的問(wèn)題。