晶体石墨增碳剂的应用

王锐(商都县丰彦骄新材料有限公司，内蒙古 商都 013450)

0 引言

铸件的组织形式影响着铸件的力学性能，然而铸件的凝固过程和化学成分影响铸件的组织。铸件的凝固过程具有两种形核条件，分别是奥氏形核和石墨形核。在铸造过程中，当晶体石墨增碳剂与铸造材料相结合，并通过一系列化学因素的催化有效形成先共晶和共晶石墨晶核，其最终形成的物质还含有钙、钡、锰等活性元素，它属于一种氧硫复杂化合物。接近核心具有一定核心的物质在进行铸造微观组织和凝固过程中会逐渐形成石墨形核，铁液中溶解性能较差和尺寸恰好的石墨质点可以促进先共晶和共晶石墨稀释出核心。为了将球铁铸造中的石墨球数量得以增加，需要重点加强增加形成球状石墨核心的技术措施。

1 晶体石墨增碳剂的具体运用

1.1 感应电炉生产高强度灰铸铁

铸件的强度高低和收缩之间存在一定的矛盾，铸件性能的提高会改变石墨的形态，严重甚至产生恶化，在一定程度上降低了石墨化效果，将铸件的收缩程度加深。要有效化解铸件质量的强度与收缩之间的问题，主要的运用原则是在电炉溶解及合成铸铁期间将废钢的使用数量增添到最大化，而摒弃生铁的使用。对其施加石墨增碳剂，提高铸件内部的碳当量，重点是碳含量的增加，电炉生产灰铸铁期间会出现凝固，由液态转为固态的阶段中会稀释出数量庞大的石墨，并造成灰铸铁呈现出膨胀的现象，碳当量较高以及微合金化工艺与碳当量较低及工艺中没有添加合金的工艺相比较，前者的收缩倾向较小，即使发生收缩，其收缩程度也处于可接受范围之内。采用铁液预处理技术，更好地解决铸件的强度高和收缩两者之间存在的冲突和问题。随着合成铸件的理论知识积累和丰富的实践经验，我国已经熟练掌握合成铸铁的工艺技术，改变以往冲天炉的铸铁方式，采用晶体石墨增碳剂，可以增加铁液的结晶核心，对铁液中石墨成分的增加也有很大的促进作用，加快石墨晶核形核的组成速度，有效提高了灰铸铁的性能[1]。

1.2 解决电炉铁液凝固收缩

感应电炉在进行高强度的铸造及生产铸铁的阶段中，需要应用到数量足够庞大的废钢，增碳剂也需要根据废钢的添加量进行有效摄取。但是大多数情况下，增碳剂投入的数值也是不小的。有效运用增碳技术的前提条件是选择品质优秀的晶体石墨增碳剂，增碳剂的品质越优秀，最终获取的铸铁也会取得更好的效果。石墨形成完善的形态，其数量也急剧上升并均匀分散在铸铁周围，铁液在液态转为固态的凝固过渡阶段中所稀释出的石墨会产生一定的膨胀，铁液的收缩倾向小于生铁熔炼铁液的收缩倾向。增碳剂的添加量和品质的好坏直接影响着高强度铸铁的质量和形态，也是高强度铸铁过程中废钢的投入数量的基本要求。在熔炼工艺中，晶体石墨增碳剂处于十分重要的位置。铁液在凝固过程中发生的氧化反应对周围的空气造成了不利的影响，是一种有害的化学反应，在一定程度上增加了铁液的非金属掺杂物，提升了其所含有的气体含量，也增加了铸件的收缩效果。由于电炉熔炼有效应用了增碳技术，可以在凝固过程中增添铁液中非均质晶核的预处理剂，给铁液的变化提供了更多的空间。铁液中的氧化铁、氧化锰、二氧化锌等其他氧化物依次进行氧化反应，并进行还原脱氧，铁液原有的氧含量降到正常浓度的标准，使得铁液的质量更加纯净天然。

1.3 铁液预处理技术

预处理技术的应用原理在于对石墨性孕育介质有效处理并改善原来的铁液，这是一项流程较为繁琐的工艺处理方法。在铁液熔炼一段时间后，也就是熔炼的中后期阶段，将晶体石墨增碳剂科学合理加入其中，当具体范围维持在0.05%～0.10%的时候，会在铁液中逐渐形成大面积分散的非均质结晶核心，有效提高了形核能力，大大减少了石墨发生异常变化和形态的概率，也在一定程度上降低了铁液的过冷度。当进行预处理技术之后，铁液需要维持5 min 后及时出铁。

1.4 球铁生产中的运用

晶体石墨增碳剂在球铁生产过程中可以大大减少杂质元素和有害元素的含量，而且还对石墨的遗传特性进行了制约。现阶段我国生铁杂质元素如：砷、铅、钛、锑等含量较高，尤其是钛元素的含量约占0.05%～0.07%，钛元素的含量越高，反球化元素锑和铅的活性就会有所升高，也增加了其元素的反球化能力。磷元素是一种有害元素，它的含量维持在0.04%～0.06% 范围之间，往往会使球铁在凝固过程中形成磷共晶并分析出来，对球铁材料的韧性和可塑性造成了一定的影响。因此在生产高塑性和高韧性的大型球墨铸铁的阶段中，国内外大多数选取钛元素含量小于0.02% 的高铁生产，选择对球化元素造成一定干扰的锌元素和硫元素等，还可以选择稳定基体珠光体元素或碳化物元素的含量低的材料，要求最后形成的杂质元素总含量小于0.1%，所包容的钛元素含量不得超过0.03%，这样才可以有效降低杂质元素和具有毒害性能的因素对球铁铸造产生的影响。

2 晶体石墨增碳剂的使用方法及影响增碳剂吸收率的因素

2.1 晶体石墨增碳剂的运用方法

常见的增碳方法主要有两种：一种是在铸铁由固态熔化为液态的过程中与炉料分批投放至熔化炉内进行增碳处理；另一种是炉料被熔化完全后将增碳处理作用于铁液表面位置[2]。

2.1.1 炉内投入法

晶体石墨增碳剂适用于感应电炉熔炼，但由于工艺技术所提出的各方面需求，增碳剂的使用和途径分为两种：一是在电炉熔炼中期阶段使用晶体石墨增碳剂的时候，可以按照规范的比例或者碳当量加入电炉下部物料，其回收率可以高达95%以上；二是在电炉熔炼过程中如果含碳量过少，而且无法对含碳量进行有效调节时，这时需要做的第一步措施就是将电炉内部的残渣清理干净，清理结束后再加入晶体石墨增碳剂，通过铁水的高温加热、电磁或人工的搅拌进行溶解吸收碳，其回收率可以达到90% 左右。

2.1.2 炉外增碳

炉外增碳主要包括两种具体措施，第一种是包内喷洒石墨粉，将晶体石墨磨成石墨粉作为增碳剂，吹气量达到一定程度后会使得铁液中的碳含量由原来的2% 变为3%，随着体液中碳含量的数量增加，碳的利用率会下降。增碳后的铁液温度会有所上升，石墨粉的喷射通常以氮气作为媒介物质，在现代的工业条件下，最便捷的方法是采用压缩空气，压缩空气中产生氧化反应并出现燃烧会形成一氧化碳，一氧化碳带来的热可以有效补偿部分温度，增碳效果极其显著。第二种是出铁阶段使用晶体石墨增碳剂，将适当的晶体石墨增碳剂放入塑料袋中或采用铁出口槽的流量进行冲洗，体液放出后进行均匀搅拌，有效溶解吸收碳元素，最终碳回收率达到50% 左右。

2.2 影响增碳剂吸收率的因素

2.2.1 加入方式

在铸造过程中加入石墨增碳剂后，需要使增碳剂和铁液有效结合并进行润湿工作，这种做法的主要目的在于避免增碳剂因密度的不同漂浮于铁液的表面并出现燃烧状况。如果需要加入大量的石墨增碳剂时，需要采取分批投入的方式。除此之外，在铁液的表面进行增碳技术的时候，需要重点关注铁液的搅拌方法和力度以及分批加入增碳剂的间隔时间、速度等，以确保增碳剂可以完全被铁液吸收。石墨增碳剂与铁液的区别湿润程度影响着增碳剂的吸收，进行有效的湿润工作可以让增碳剂吸收率达到90%～95% 范围内，甚至吸收率会达到最高点。

2.2.2 铁液的化学成分

一般情况下，增加铁液中所具备的硅元素、磷元素、硫元素含量会对碳元素含量造成制约效应，致使铁液吸收碳元素的能力有所下降。换句话说，也就是大大降低了增碳剂吸收率。与之相反，如果将铁液中的锰元素含量增加，对铁液吸收碳元素起到一定的促进作用，有效提高了增碳剂的吸收率。所以，在球铁生产过程中进行增碳技术处理时，需要进行先脱硫后增碳，先增碳后补硅，并始终将这种原则作为铸造工艺的标准要求。

2.2.3 增碳剂的品质

如果晶体石墨增碳剂的品质不相同，那么其增碳剂吸收率的效果也会有所不同。品质更加优化的石墨增碳剂的吸收率较稳定，对铸铁的生产与控制有一定的积极作用，而且可以在一定程度上节约增碳技术所产生的能耗及材料等资源的消耗，大大降低了铸铁生产所投入的资金成本。增碳剂的碳含量越高效果就会越显著，挥发物和氢气、氧气、氮气等含量越低越好。

2.2.4 铁液搅拌的影响

均匀搅拌对于碳的溶解和扩散有一定的帮助，可以有效避免晶体石墨增碳剂漂浮于铁液表面出现燃烧现象。在增碳剂还没有溶解完成前，搅拌时间越长，增碳剂的吸收率越高。均匀搅拌还可以在一定程度上减少增碳保温的时间，有效缩短生产周期，防止铁液中含有的合金元素被损坏。但是长期搅拌会对电炉的使用期限产生负面影响，而且在增碳剂彻底溶解后，搅拌会急剧消耗铁液中的碳。所以，科学合理的铁液搅拌时间需要根据增碳剂的溶解程度及时调整[3]。

3 结语

近年来，铸铁工程因具备的优势并依靠日益增进的铸造技术而发展壮大，但是一些大型铁件在内部和外表的铸造质量要求更为严格。所以为减轻原材料中存在的干扰因素，通过晶体石墨增碳剂的融入提升铸铁的质量，解决铁液碳含量损耗的问题。