淺析晶體石墨增碳劑在生產高韌性球鐵鑄件上的應用

王銳

（商都縣豐彥驕新材料有限公司，內蒙古烏蘭察布 013450）

1.碳元素及晶體石墨增碳劑材料特性

1.1 碳元素

碳元素在常壓狀態(tài)下的熔點是3550℃，沸點是4194℃，并且在3500℃的時候開始逐漸升華，屬于熔點最高的元素。在異常高溫條件下，碳元素不會出現(xiàn)晶態(tài)變化，如變形、軟化等現(xiàn)象均不會發(fā)生。碳物質的同元素異構體主要有金剛石、石墨以及無定形碳等。由于結構組成各不相同，密度也有所不同，進而使得三者之間性能差距十分明顯。其中，金剛石的密度值最大，約為3.51g/cm3；石墨密度次之，約為2.3g/cm3；無定形碳的實際密度值最小，約為1.98g/cm3。需要注意的是，在含碳元素晶體中具有一個顯著的特征，即在無氧環(huán)境條件下進行加熱，會使得晶體結構狀態(tài)變得更加密實和完整。通過實踐操作能夠發(fā)現(xiàn)，在高溫和高壓條件下，石墨會轉變成為金剛石；無定形碳（如木炭、焦炭以及炭黑等物質），會在溫度達到一定高度的情況下轉變成為石墨[1]。

1.2 炭質材料

炭質材料主要是由碳元素構成的非金屬材料，當晶體結構以及層片配列等發(fā)生變化的時候，則可以相繼產生出多種類別的同元素異構體，并且在這些同元素異構體當中，其晶體結構均以金剛石或者石墨為根本[2]。

1.2.1 金剛石

金剛石晶體可以劃分于等軸晶系當中，其原子晶格屬于面心正立方狀態(tài)，間隔距離為0.154nm，在所有的碳物質同元素異構體當中間距最小，密實程度最高；金剛石的莫氏硬度數(shù)值為10左右，絕對硬度大致為10000kgf/mm。

1.2.2 石墨

石墨是由6方層片狀晶體而組成的，其質地較軟，莫氏硬度為2～3，主要呈黑色，光澤度及潤滑度較高。其中，可以將石墨劃分為兩大類別，分別是天然形成的石墨（天然石墨）以及人工制造而成的石墨（人工石墨），以上二者在鑄造行業(yè)當中均得到了廣泛應用。天然石墨：主要含有鱗片狀石墨、微晶石墨。根據(jù)有關數(shù)據(jù)分析，我國擁有豐富的天然石墨資源，產量位列全球第一，主要產地有黑龍江、吉林、內蒙古、福建以及廣東等省份及自治區(qū)。一般情況下，在完成開采后的天然石墨當中還有其他多種雜質和脈石，假使需要提取品質更高一些的天然石墨，則需要采用浮選法進行操作。具體步驟如下：粉碎礦料、加入適量水直至呈現(xiàn)礦漿形態(tài)；在礦漿中加入石灰或者堿均可，使其變成弱堿性，再加入水玻璃，以起到抑制脈石的作用；在脈石中使用篩分設備把其中的石墨分離出來；最后在浮選槽中加入適量捕集劑，通過離心分離、干燥后，即可獲取石墨（碳元素含量為70%～95%）。人造石墨：基于高溫、惰性條件下，無定形碳能夠轉換為石墨。具體步驟：將炭質材料充分擠壓得到一定形狀，并高溫加熱至2000℃～3000℃之間，即可在非氧化條件下轉化成為石墨[3]。

2.晶體石墨增碳劑對鑄件微觀組織的影響

鑄件組織對鑄件的基本力學性能起決定性作用；鑄件組織主要是由球鐵鑄件中的化學成分和整個凝固環(huán)節(jié)來確定的。其中，凝固環(huán)節(jié)需要兩種形核條件，分別是奧氏體和石墨，石墨能夠同鑄件硅鐵在特定元素的作用下加快形成共晶石墨晶核體，結合相關數(shù)據(jù)可以得知含有特定元素的氧硫化合物有利于石墨形成核體，在鐵液中尺寸比較合理且不具備溶解石墨的質點，能夠有效確保先共晶體以及共晶石墨進行析出反應；強化增加球體石墨核心應用技術手段，使得鐵液中石墨質點得以擴大球狀石墨具體核心數(shù)量；由于結晶核心屬于異質核心，使得呈現(xiàn)晶體結構的碳能夠加強鐵液形核狀態(tài)的速度，需要特別注意的是石墨增碳劑（六方結構），其中碳化硅和石墨中的六方結構尤為相似，因此，也可以將其看作成比較特殊的石墨增碳劑。除此之外，石墨增碳劑還能夠增加晶核點在鐵液當中的具體數(shù)量，增強鐵液最終形核能力。例如：生產技術人員在經過一系列試驗可以證明，在球鐵鑄件中應用質地緊密的石墨結構類別增碳劑可以提升球鐵當中的實際鐵元素含量，通常情況下會提升10%～15%，這樣一來則能夠對由特殊要求的鐵元素球體進行鑄鐵生產起到一定的促進作用。

3.在生產高韌性球鐵鑄件過程中應用晶體石墨增碳劑

3.1 晶體石墨增碳劑的具體應用方法

在多數(shù)情況下，鋼鐵配料使用的都是回爐料（20%～30%）和碳素廢鋼，具體回爐料配量需要以車間回爐料的實際狀況而定，不宜大于30%。順序：在爐底加回爐料、再加碳素廢鋼，調節(jié)大功率進行送電。當爐料熔化到60%的時候，需要加入總量二分之一的晶體增碳劑配料，再將晶體增碳劑加入其中，提升爐溫溫度并加入適當配料再次熔化，剩下的60%需要在爐料完全熔化之后將碎渣擊碎后加入，攪動直至增碳劑全部溶解，取樣分析后用覆蓋劑保護爐內鐵液，做好爐子保溫。

3.2 晶體石墨粒度的基本要求

針對小于1t的晶體石墨，其具體粒度要求范圍應控制在0.5mm～2.5mm；針對1t～3t的晶體石墨，其具體粒度要求范圍應保持在2.5mm～5mm；針對3t～10t的晶體石墨，其具體粒度要求應把控在5.0mm～25mm；針對覆蓋在澆包中球化劑上的晶體石墨，其具體粒度要求范圍應規(guī)定在0.5mm～1.0mm。

3.3 晶體石墨增碳劑的新用途

經過反復研究以及多次實驗，使得相關技術人員發(fā)現(xiàn)了晶體石墨增碳劑的新用途，即將其應用在高韌性球鐵鑄件的具體生產環(huán)節(jié)之中。當前階段，操作工人在進行相關高韌性球鐵鑄件生產作業(yè)的時候，經常會出現(xiàn)球化級別在2～3級的現(xiàn)象，導致石墨球體不夠完整和圓潤、球體直徑值無法達到6級以上，并且在EPC灰鑄鐵生產環(huán)節(jié)中的重卡變速機箱內部存在D型石墨，以上問題在一定程度上阻礙了球鐵鑄件的正常生產操作，技術人員采用了一些工藝手段，但是最終效果都不夠顯著。為了改變高韌性球鐵鑄件的生產環(huán)節(jié)現(xiàn)狀，可以將晶體石墨增碳制劑運用到其中。例如，生產技術人員不需要對原來生產過程中的使用配料、熔化工藝、球化工藝以及孕育加工方式等進行大規(guī)模的整改，只需要在出鐵環(huán)節(jié)在比例為1.5kg/t～2.0kg/t的鐵液包中沖入晶體增碳劑（0.5mm～1.0mm），并且將其覆蓋于球化劑表面，如此一來則可以有效改善相關問題。由此可見，在進行高韌性類別球鐵鑄件生產期間，應用適當?shù)木w增碳添加劑不僅能夠提升鑄件球化率、增強石墨球體的圓整程度，還可以使得石墨球體直徑有所減小、加強EPC灰鑄鐵箱體對D類型石墨的消除作用。

3.4 在生產高韌性球鐵鑄件環(huán)節(jié)中運用晶體石墨增碳劑的相關注意事項

（1）在配料中施加增碳劑的時候，應將增碳劑（5mm～15mm）和爐料一起加入到電爐下端，實際碳收率為95 %左右；在使用鐵液和鋼液進行補碳的時候，應提前將鋼液表面雜質進行清除，并加入增碳劑（0.5mm～2.5mm），最終碳收率為92%左右；在初次使用增碳劑的時候，應至少進行2～3次試驗操作，這樣可以有效提升增碳劑的最終碳收率。

（2）在熔煉球鐵鑄件以及灰鑄鐵鑄件期間，在加入增碳劑之后不需要再多施加覆蓋劑和頻繁打渣，防止出現(xiàn)增碳劑溶解度不足而與覆蓋劑進行混合的不良現(xiàn)象發(fā)生。

（3）在運用石墨增碳劑鑄鐵組件生產的時候，應合理控制晶體粒度規(guī)格參數(shù)（細化）和質地（干燥），以此來避免球鐵出現(xiàn)夾雜或者氣孔等問題。

4.結語

為了提升高韌性球鐵鑄件在生產環(huán)節(jié)中的質量和效率，技術人員應及時在其中運用石墨增碳劑，并采用關于球鐵鑄件的新式工藝，以此來強化生產操作、降低管理成本，進而促進相關產業(yè)的高效發(fā)展。