增碳剂及其选用

惠国栋，许 翔，张 潇，马斌悍，邵亮峰，王利民

增碳剂及其选用

惠国栋，许 翔，张 潇，马斌悍，邵亮峰，王利民

（宁夏共享能源有限公司，宁夏 银川 750021）

增碳剂在铸造时使用，可大幅度增加废钢用量，减少生铁用量或不用生铁。目前绝大多数增碳剂都适用于电炉熔炼，也有少部分吸收速度特别快的增碳剂用于冲天炉。电炉熔炼的投料方式，应将增碳剂随废钢等炉料一起投放，小剂量的添加可以选择加在铁水表面。但是要避免大批量往铁水里投料，以防止氧化过多而出现增碳效果不明显和铸件碳含量不够的情况。增碳剂的加入量根据其他原材料的配比和含碳量决定。不同种类的铸件，根据需要选择不同型号的增碳剂。增碳剂本身选择纯净的含碳石墨化物质，可降低生铁里过多的杂质，增碳剂选择合适可降低铸件生产成本。目前，国内外对增碳剂及其选用的系统性研究报道比较少，本文对增碳剂和增碳剂的选用进行系统性研究。

铸造；增碳剂；选用

在钢铁产品的冶炼过程中，常常会因为冶炼时间、保温时间、过热时间较长等因素，使得铁液中碳元素的熔炼损耗量增大，造成铁液中的含碳量有所降低，导致铁液中的含碳量达不到炼制预期的理论值。为了补足钢铁熔炼过程中烧损的碳含量而添加的含碳类物质称之为增碳剂。使用增碳剂不仅可以补足钢铁冶炼过程中碳的烧损，确保钢铁特定牌号碳含量的要求，还可以用于炉后调整。在进行除渣、除气处理之后的钢包中加入特定牌号的增碳剂，可调整钢包中的碳含量，达到一包多号的目的。增碳剂采用的材料主要有石墨、类石墨、电极块、焦炭、碳化硅等材料。常用的电极块、碳化硅增碳剂具有含碳量高、抗氧化性强的优点，但生产工艺比较复杂，成本高；以焦炭粉、石墨为增碳材料，生产成本比电极块等材料低，但所含灰分、硫含量高，碳含量较低，增碳效果不佳。

1 增碳剂种类

可以用作增碳剂的材料很多，常用的有人造石墨、煅烧石油焦、天然石墨、焦炭、无烟煤，以及用这类材料配成的混合料。

1.1 石油焦

石油焦是目前广泛应用的增碳剂。石油焦是精炼原油得到的副产品，原油经过常压蒸馏或减压蒸馏得到的渣油及石油沥青，都可以作为制造石油焦的原料，再经焦化后就得到生石油焦。生石油焦有海绵状、针状、粒状和流态等品种。海绵状石油焦是采用延迟焦化法制得的，由于其中硫和金属含量较高，通常用作煅烧时的燃料，也可作为煅烧石油焦的原料。经煅烧的海绵焦，主要用于制铝业和用作增碳剂。针状石油焦是用芳香烃含量高、杂质含量低的原料，由延迟焦化法制得的。这种焦炭具有易于破裂的针状结构，有时称之为石墨焦，煅烧后主要用于制造石墨电极。粒状石油焦呈硬质颗粒状，是将硫和沥青烯含量高的原料，用延迟焦化法制得的，主要用作燃料。流态石油焦是在流态床内用连续焦化法制得的，呈细小颗粒状，结构无方向性，硫含量高，挥发分低。

生石油焦中的杂质含量高，不能直接用作增碳剂，必须先经过煅烧处理。煅烧石油焦是为了除去硫、水分和挥发分。将生石油焦于1200～1350℃煅烧，可以使其成为基本上纯净的碳。煅烧石油焦的最大用户是制铝业，70%用于制造使铝矾土还原的阳极。美国生产的煅烧石油焦，用于铸铁增碳剂的约占6%。

1.2 天然石墨

天然石墨分为鳞片石墨和微晶石墨两类。微晶石墨灰分含量高，一般不用作铸铁的增碳剂。鳞片石墨有很多品种，高碳鳞片石墨需用化学方法萃取，或加热到高温使其中的氧化物分解、挥发，这种鳞片石墨产量不多且价格高，一般也不用作增碳剂。低碳鳞片石墨中的灰分含量高，不宜用作增碳剂。用作增碳剂的主要是中碳鳞片石墨，但用量也不多。

1.3 人造石墨

各种增碳剂中，品质最好的是人造石墨。制造人造石墨的主要原料是粉状的优质煅烧石油焦，在其中加沥青作为粘结剂，再加入少量其他辅料。各种原材料配好以后，将其压制成形，然后在2500～3000℃、非氧化性气氛中处理，使之石墨化。经高温处理后，灰分、硫、气体含量都大幅度减少。由于人造石墨制品的价格昂贵，铸造厂常用的人造石墨增碳剂大都是制造石墨电极时的切屑、废旧电极和石墨块等循环利用的材料，以降低生产成本。熔炼球墨铸铁时，为使铸铁的冶金质量上乘，增碳剂宜首选人造石墨，为此，最好向附近采用电弧炉炼钢的企业或电解铝生产企业购买废电极，自行破碎到要求的粒度。

1.4 焦炭和无烟煤

电弧炉炼钢过程中，可以在装料时配加焦炭或无烟煤作为增碳剂，由于其灰分和挥发分含量较高，感应电炉熔炼铸铁时很少用作增碳剂。关于铸铁行业常用的几种增碳剂的成分，表1中列出了一些典型的测定数据供参照。

表1 常见增碳剂成分

2 增碳剂的选用

2.1 固定碳和灰分的含量

固定碳和灰分是增碳剂中此消彼长的两个对立参数，也是影响增碳效率的两个最重要的参数。增碳剂中的固定碳含量高、灰分低，则增碳效率高；反之则增碳效率低。由于生产条件的影响因素很多，很难严格评定两参数各自对增碳效率的影响。灰分高，对增碳有抑制作用，而且还会使炉渣量增多，从而延长作业时间，增加电耗，增加冶炼过程中的劳动量。采用熔沟式感应电炉，如增碳剂加入炉内，尤其应选用低灰分的品种，以免熔沟中聚集氧化物而影响电效率。从增碳效率考虑，当然希望增碳剂的固定碳含量高一些、灰分低一些，但同时也要考虑生产成本的因素和对铁液质量的影响。

增碳剂的加入方式对增碳效率也有很大的影响。1）增碳剂在装料时加入炉内。装料时将增碳剂与炉料混匀，置于感应电炉的底层和中部，增碳效率较高。关于不同增碳剂的增碳效率，美国有人在保持其他条件不变的情况下进行过对比试验，其要点如下：在无芯感应电炉中熔炼灰铸铁，铸铁的目标碳当量为4.03%（WC=3.4%，WSi=1.9%，WMn=0.55%）。炉料的配比是：铸造生铁16%、回炉料30%、废钢52%、增碳剂2%。增碳剂与金属炉料同时加入炉内，不同增碳剂的增碳效率见表2。2）出铁时加增碳剂。出铁时在包内加增碳剂，增碳效率比加入炉内者低得多。美国有人曾在包内加入不同增碳剂进行对比试验，其要点如下：熔炼的铸铁是低碳当量铸铁，目标成分是：WC=2.55%，WSi=1.7%，WMn=0.4%。出铁时，铁液温度为1510～1530℃。增碳剂加在包内，然后冲入铁液，试验的结果见表3。

表2 不同增碳剂的增碳效率

表3 包内加入不同增碳剂的增碳效率

2.2 硫含量

熔炼球墨铸铁时，应采用硫含量低的增碳剂。虽然低硫增碳剂的价格高，但却是必需的。熔炼灰铸铁时，宜采用硫含量较高的增碳剂。这样，不仅可以降低生产成本，而且还可增强铁液对孕育处理的回应能力，得到冶金质量高的铸件。在这种条件下，片面地追求增碳剂“质量高”而选用低硫的品牌，不仅增加生产成本，而且还对产品质量有负面影响。

2.3 氮含量

灰铸铁中含有少量的氮，有促成珠光体的作用，有助于改善铸铁的力学性能。如果氮含量在0.01%以上，则铸件易产生“氮致气孔”。通常，废钢中的氮含量高于铸造生铁。用感应电炉熔炼铸铁时，由于炉料中所用的铸造生铁锭少、废钢多，制得的铸铁中氮含量会相应较高。炉料中废钢用量为15%时，铸铁中的氮含量（质量分数）约为0.003%～0.005%；废钢用量为50%时，氮含量可达0.008%～0.012%；炉料全部为废钢时，氮含量可能高达0.014%以上。此外，由于炉料中使用大量废钢，必须用增碳剂，而大多数增碳剂中氮含量都比较高，这是导致铸铁中氮含量增高的另一因素。近10多年来，随着感应电炉的应用不断增多，增碳剂中的氮含量日益受到重视。为避免铸件产生气孔缺陷，感应电炉熔炼铸铁时所用的增碳剂，一定要选购含氮量低的品种，如有可能，应核查增碳剂的氮含量。当前的困难在于，分析增碳剂中的氮含量尚缺乏简便而准确的方法。

3 工艺对增碳效果的影响

除增碳剂中的固定碳含量和灰分对其在铸铁中的增碳效率有重要的影响外，增碳剂的粒度、加入的方式、铁液的温度，以及炉内的搅拌作用等工艺因素都对增碳效率有明显的影响。在生产条件下，往往是多种因素同时起作用，难以对每一因素的影响进行准确的说明，需要通过试验来优化工艺。

3.1 加入方式

增碳剂在装料时随金属炉料一同加入炉内，由于作用的时间长，增碳效率比出铁时加入铁液时高得多，由表2和表3中的数据可以有概略的了解。

3.2 铁液温度

出铁时将增碳剂加入包内，然后冲入铁液，增碳效率与铁液的温度有关。在正常的生产条件下，铁液温度较高，则碳较易溶于铁液，增碳效率因而较高。

3.3 增碳剂粒度

一般说来，增碳剂的颗粒小，则其与铁液接触的界面面积大，增碳的效率就会较高，但太细的颗粒易被大气中的氧所氧化，也易被对流的空气或抽尘所致的气流带走。因此，增碳剂颗粒尺寸的下限值以1.5mm为宜，而且其中不应含有0.15mm以下的细粉。颗粒尺寸的最大值，应该以能在作业时间内溶入铁液为度。如果增碳剂在装料时随金属炉料一同加入，碳与金属的作用时间长，增碳剂的颗粒尺寸可以较大，上限值一般可为12mm。如果在出铁时加入铁液中，则颗粒尺寸宜小一些，上限值一般为6.5mm。

3.4 搅拌作用

搅拌有利于改善增碳剂和铁液的接触状况，提高其增碳效率。在增碳剂与炉料一同加入炉内的情况下，有感应电流的搅拌作用，增碳的效果较好。向包内加增碳剂时，增碳剂可先置于包底，出铁时使铁液直冲增碳剂，或连续地将增碳剂投向液流，不可在出铁后投放在包内的液面上。

3.5 避免增碳剂卷入炉渣

增碳剂如被卷入炉渣中，就不能与铁液接触，当然会严重影响增碳效果。因此，如采用在出铁时增碳的工艺，应特别注意避免渣、铁混出。

4 结论

对国内外主要增碳剂使用种类及使用情况分析发现，增碳剂的选用需要着重考虑碳、硫、氮这3种元素对铸件的影响。在加工增碳剂时，不但需要控制好每种元素的含量，还要以铸件质量为最终目标，控制好碳、硫、氮元素的比例。使用工艺上要综合考虑增碳剂的加入方式、增碳剂的粒度大小、增碳处理温度、增碳保温时间、铁液搅动时间和铁液化学成分等，这些因素都会影响增碳剂在钢包中的溶解吸收，从而影响到熔炼过程和最终的铸件质量。

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

［3]张伯明.铸造手册［M］.北京：机械工业出版社，2002：185-203.

［4]陆文华，李隆盛，黄良余.铸造合金及其熔炼［M］.北京：机械工业出版社，2002：32-40.

［5]张杰.高强度灰铸铁力学性能的提升［D］.济南：山东大学，2010.

［6]殷作虎.硫对灰铸铁组织和性能的影响［J］.铸造，2004，53（10）：805-809.

刊号： 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