增碳剂在电炉熔炼中的应用- 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

增碳剂在电炉熔炼中的应用 江铃汽车股份有限公司铸造厂 ( 江西南昌 3 3 0 0 0 1 ) 高世通陈凯 随着环保要求的不断提升 ，对资源消耗越来越 重视 ，生铁 、焦炭价格不断攀升 ，导致铸件成本增 加，越来越多的铸造厂家开始使用电炉熔炼，以替 代传统的冲天炉熔炼。2 0 1 1 年初，我厂中小件车间 也采 用 了电炉熔 炼工 艺取代传 统 的冲天炉 熔炼 工 艺。 电炉熔炼大量使用废钢既可以降低成本 ，又可 以提高铸件力学性能，但使用的增碳剂种类和增碳 工艺起着很关键的作用 。 1 增碳剂的主要种类 用作铸铁增碳剂的材料很多 ，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 )人造石 墨上述各种 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 。各种原材料配合好后 ，将其压 制成形 ，然后在2 5 0 0 3 0 0 0 、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 含量都大幅减少。如果没有经过高温煅烧或煅烧温 度不足的石油焦 ，会严重影响增碳剂的品质 ，因此 增碳剂质量的好坏 ，主要看其石墨化程度 ，好的增 碳剂含石墨碳 ( 质量分数 )在9 5 9 8 ，硫含 量 在0 0 2 0 0 5 ，氮含量在 ( 1 2 ) 1 0 。 ( 2 )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 ，再经焦化就得到生石油焦 ，其杂 质 含 量高，不能直接用作增碳剂 ，必须先经过煅烧处 理 。 ( 3 )天然石 墨可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 ，价格高 ，一般也不作 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 中碳石墨 ，但用量也 不多。 ( 4 )焦炭和无烟煤感应 电炉熔炼过程 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 ，感应电炉熔炼铸铁很少 用作增碳剂 ，碳含量在 8 0 9 0 ，硫含量在0 5 以上 ，氮 含量在 ( 5 0 0 4 0 0 0 ) X 1 0 ，这种增碳 剂价格较低 ，属于低档次的增碳剂。 2 铁液增碳原理 合成铸铁熔炼过程 中，由于废钢加 入量大 ，铁 液c 含量低 ，必须采用增碳剂增碳 。增碳剂 中以单 质形式存在的碳 ，熔化温度为3 7 2 7 ，在铁液温度 下不能熔化 ，因此 ，增碳剂 中的碳主要通过溶解和 扩散两种 方式溶于铁液 。当铁液 的石墨增碳剂含量 在2 1 时 ，石墨可直接在铁液 中溶解 。而非石墨增 碳的直溶现象基本不存在 ，只是随着时间的推移 ， 碳在铁液 中逐渐地扩散溶解。对于感应 电炉熔炼铸 铁的增碳 ，采用晶体增碳的增碳速度显著高于非石 墨增碳剂 。 试验表明 ，碳在铁液 中的溶解受到固体粒子 表 面液体边界层的碳传质的控制。用焦炭和煤颗粒 所得的结果与用石墨所得的结果对比 ，发现石墨增 碳剂在铁液中的扩散溶解速度 明显快于焦炭和煤颗 粒一类的增碳 剂。用 电子显微镜观察部分溶解的焦 炭和煤颗粒样 品，发现在样 品表面形成 了一层很薄 争 磊 转 7 7 造 Ca s ti n g 的粘性灰层 ，这是影响其在铁液中扩散溶解性能的 主要因素。 3 影响增碳效果的因素 ( 1 )增碳剂粒度的影 响 增碳 剂吸收率的高 低取决于增碳剂溶解扩散速度和氧化 损耗速度的综 合作用。在一般情况下 ，增碳剂颗粒小 ，溶解速度 快 ，损耗速度也大 ；增碳剂颗粒大 ，溶解速度慢 ， 损耗速度小 。增碳剂粒度大小的选择与炉膛直径和 容量有关。一般情况下 ，炉膛的直径和容量大，增 碳剂的粒度要大一些 ；反之 ，增碳剂的粒度要小一 些。 ( 2 )增碳剂加入量 的影 响在一定的温度和 化学 成分相 同的条件下 ，铁液 中碳 的饱和浓 度一 定 。在一定饱和度下 ，增碳剂加入量越多 ，溶解扩 散所需时 间就越长 ，相应损耗量就越大 ，吸收率就 会降低。 ( 3 )温度对增碳剂吸收率 的影 响 原则上铁 液温度越高 ，越有利于增碳剂的吸收溶解 ；反之 ， 增碳剂难以溶解 ，增碳剂吸收率降低。但是铁液温 度过高时 ，增碳剂虽然更容易充分溶解 ，但是碳 的 烧损率会增加 ，最终导致碳含量降低 ，增碳剂总体 吸收率降低 。一般铁液温度在1 4 6 0 1 5 5 0 时，增 碳剂吸收效率最好 。 ( 4 )铁液搅拌对增碳 剂吸收 率的影响 搅拌 有利于碳的溶解和扩散 ，避免增碳剂浮在铁液表面 而被烧损。在增碳 剂未完全溶解前 ，搅拌时间长 ， 吸收率高。搅拌还可以减少增碳保温时 间，使生产 周期缩短 ，避免铁液 中合金元素烧损。但搅拌时 间 过长 ，不仅对炉子 的使用寿命有很大影响 ，而且在 增碳 剂溶解后 ，搅拌会 加剧铁液 中碳的 损耗 。因 此 ，适宜的铁液搅拌时间应以保证增碳剂完全溶解 为适宜。 ( 5)铁液化 学成分对 增碳剂 吸收率的影 响 当铁液 中初始碳含量高时 ，在一定的溶解极 限 下，增碳剂 的吸收速度慢 ，吸收量少 ，烧损相对较 多，增碳剂吸收率低 。当铁液初始碳含量较低时 ， 情况相反。另外 ，铁液 中硅和硫阻碍碳 的吸收 ，降 低增碳剂的吸收率 ；而锰元素有助于碳的吸收 ，提 高增碳剂吸收率。就影响程度而言 ，硅最大 ，锰次 之 ，碳 、硫影响较小。因此 ，实际生产过程 中，应 先增锰 ，再增碳 ，后增硅 。 7 8 2 0 1 3 曩 雠参 磊 热 加 工 菇 如 。如 F 。 热 加 工 4 不同增碳剂对铸铁性能的影响 ( 1 )试验 条件使用两台5 t 中频无 芯感应 电 炉熔炼 ，最大功率为3 0 0 0 k W ，频率为5 0 0 Hz 。按 车 间 日常配料单 ( 机体 回炉料5 0 、生铁2 0 、废 钢3 0 )进行配料 ，使用一种低氮煅烧型增碳剂和 一 种石墨型增碳剂分别熔炼一炉铁液 ，按工艺要求 调整好化学成分后分 别浇注同种缸体主轴承盖。 生产工艺 ：增碳剂在加料过程 中分批次加入 电 炉进行熔 炼 ，出铁液过程 加入0 4 一次孕育剂进 行孕 育 ( 硅钡孕育剂 ) ，浇注过程 中加 入0 1 二 次随流 孕育剂 ( 硅钡孕 育剂 )。铸 造生产 中使用 D I S A 2 0 1 3 造型线。 ( 2 )力学性能为验证 两种不同增碳剂对铸 铁性 能的影 响 ，同时为 了避免铁液 成分对 结果 的 影响 ，将不同增碳剂熔炼的铁液成分调整到基本一 致 。为了更充分验证结果 ，试验过程中除 了两炉铁 液分别浇注了一组 3 0 mm试棒外 ，每炉铁液浇注的 铸件还分别随机选取1 2 件本体检测布 氏硬度( 6 件 箱 ，检测两箱)。 试验结果见表 1 、表2 。 表1 试棒化学成分 ( 质量分数) ( ) 炉次 C E C S i Mn P S C r 备注 A 3 9 3 0 3 2 4 4 2 0 2 5 0 4 l 8 0 0 3 3 0 0 8 2 0 1 1 8 煅烧型增碳剂 B 3 9 4 7 3 2 2 7 2 1 1 8 0 4 8 6 0 0 3 4 0 0 8 7 0 1 l 3 石墨型增碳剂 表2 力学性能 试棒 试 棒 本体硬度HB W 强度 硬 度 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 平均 ， MP a HBW 2 4 2 2 O 4 2 2 2 21 2 1 9 9 2 03 2 1 4 2 0 8 2 0 8 2 0 7 2 0 0 2 07 2 03 2 0 7 2 0 75 26 2 2 0 0 1 8 5 1 7 6 1 91 1 8 9 1 7 7 1 9 2 1 8 0 1 7 7 1 8 2 1 8 7 l 7 5 l 8 2 1 8 3 从表2 可以看 出 ，在成分几乎相 同的情 况下 ， 使用石墨 型增碳剂生产的试 棒强度 明显高于使用煅 烧 型增碳剂熔炼所浇注的试棒 ，且石墨型增碳剂生 产 的铸件加 工性能明显优于使用煅烧型增碳剂生产 的铸件 ( 铸件硬度过 高时 ，加工时铸件边缘会 出现 蹦刀现象 )。 ( 3 )石墨微观组织图1 、图2 显示了两种不 同增碳剂熔炼铁液 所浇注的 3 0 mm试棒 的石 墨形 态 ，比较可以看 出，使用石墨型增碳剂的试样的石 墨形态均为A型石墨 ，且石墨数量较 多、尺寸更加 细小 。