增碳劑在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用

一、增碳劑怎么分類

增碳劑根據(jù)其原料不同大致可分為四種。

1.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。各種原材料配合好以后，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。

2.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)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。生石油焦的產(chǎn)量大約不到所用原油量的5%。美國生石油焦的年產(chǎn)量約3000萬t。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。

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，是用芳香烴的含量高、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，是用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。

石油焦的煅燒，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%用以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%。

3.天然石墨

天然石墨可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、價(jià)格高，一般也不作增碳劑；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石墨，但用量也不多。

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)電爐熔煉鑄鐵很少用作增碳劑。

隨著環(huán)保要求的不斷提升，對(duì)資源消耗越來越重視，生鐵、焦炭價(jià)格不斷攀升，導(dǎo)致鑄件成本的增加，越來越多的鑄造廠家開始使用電爐熔煉，以替代傳統(tǒng)的沖天爐熔煉。2011年初，我廠中小件車間也采用了電爐熔煉工藝取代傳統(tǒng)的沖天爐熔煉工藝。電爐熔煉大量使用廢鋼既可以降低成本，又可以提高鑄件力學(xué)性能，但使用的增碳劑種類和增碳工藝起著很關(guān)鍵的作用。

增碳劑在感應(yīng)爐熔煉中的使用方法！

1．增碳劑的主要種類

用作鑄鐵增碳劑的材料很多，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）人造石墨 上述各種增碳劑中，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。各種原材料配合好后，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。如果沒有經(jīng)過高溫煅燒或煅燒溫度不足的石油焦，會(huì)嚴(yán)重影響增碳劑的品質(zhì)，因此增碳劑質(zhì)量的好壞，主要看其石墨化程度，好的增碳劑含石墨碳（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在95%～98%，硫含量在0.02%～0.05%，氮含量在（100～200）×10﹣6。

（2）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)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。

（3）天然石墨 可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，價(jià)格高，一般也不作增碳劑；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石墨，但用量也不多。

（4）焦炭和無煙煤 感應(yīng)電爐熔煉過程中，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)電爐熔煉鑄鐵很少用作增碳劑，碳含量在80%～90%，硫含量在0.5%以上，氮含量在（500～4000）×10﹣6，這種增碳劑價(jià)格較低，屬于低檔次的增碳劑。

2．鐵液增碳原理

合成鑄鐵熔煉過程中，由于廢鋼加入量大，鐵液C含量低，必須采用增碳劑增碳。增碳劑中以單質(zhì)形式存在的碳，熔化溫度為3727℃，在鐵液溫度下不能融化，因此，增碳劑中的碳主要通過溶解和擴(kuò)散兩種方式溶于鐵液。當(dāng)鐵液的石墨增碳劑含量在2.1%時(shí)，石墨可直接在鐵液中溶解直溶。而非石墨增碳的直溶現(xiàn)象基本不存在，只是隨著時(shí)間的推移，碳在鐵液中逐漸地?cái)U(kuò)散溶解。對(duì)于感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵的增碳，采用晶體石墨增碳的增碳速度顯著高于非石墨增碳劑。

3．影響增碳效果的因素

（1）增碳劑粒度的影響 增碳劑吸收率的高低取決于增碳劑溶解擴(kuò)散速度和氧化損耗速度的綜合作用。在一般情況下，增碳劑顆粒小，溶解速度快，損耗速度大；增碳劑顆粒大，溶解速度慢，損耗速度小。增碳劑粒度大小的選擇與爐膛直徑和容量有關(guān)。一般情況下，爐膛的直徑和容量大，增碳劑的粒度要大一些；反之，增碳劑的粒度要小一些。

（2）增碳劑加入量的影響 在一定的溫度和化學(xué)成分相同的條件下，鐵液中碳的飽和濃度一定。在一定飽和度下，增碳劑加入量越多，溶解擴(kuò)散所需時(shí)間就越長，相應(yīng)損耗量就越大，吸收率就會(huì)降低。

（3）溫度對(duì)增碳劑吸收率的影響 原則上鐵液溫度越高，越有利于增碳劑的吸收溶解，反之，增碳劑難以溶解，增碳劑吸收率降低。但是鐵液溫度過高時(shí)，增碳劑雖然更容易充分溶解，但是碳的燒損率會(huì)增加，最終導(dǎo)致碳含量降低，增碳劑總體吸收率降低。一般鐵液溫度在1460～1550℃時(shí)，增碳劑吸收效率最好。

（4）鐵液攪拌對(duì)增碳劑吸收率的影響 攪拌有利于碳的溶解和擴(kuò)散，避免增碳劑浮在鐵液表面而被燒損。在增碳劑未完全溶解前，攪拌時(shí)間長，吸收率高。攪拌還可以減少增碳保溫時(shí)間，使生產(chǎn)周期縮短，避免鐵液中合金元素?zé)龘p。但攪拌時(shí)間過長，不僅對(duì)爐子的使用壽命有很大影響，而且在增碳劑溶解后，攪拌會(huì)加劇鐵液中碳的損耗。因此，適宜的鐵液攪拌時(shí)間應(yīng)以保證增碳劑完全溶解為適宜。

（5）鐵液化學(xué)成分對(duì)增碳劑吸收率的影響 當(dāng)鐵液中初始碳含量高時(shí)，在一定的溶解極限下，增碳劑的吸收速度慢，吸收量少，燒損相對(duì)較多，增碳劑吸收率低。當(dāng)鐵液初始碳含量較低時(shí)，情況相反。另外，鐵液中硅和硫阻礙碳的吸收，降低增碳劑的吸收率；而錳元素有助于碳的吸收，提高增碳劑吸收率。就影響程度而言，硅最大，錳次之，碳、硫影響較小。因此，實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)先增錳，再增碳，后增硅。