铸铁的增碳和常用的增碳剂- 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

聊 I R I 竺 堡 些 铸铁的增碳和常用的增碳剂 中国铸造协会( 北京1 0 0 0 4 8 ) 李传械 冲天炉熔炼铸铁时 ，熔融的铁液以液滴形式通过 灼热的底焦，增碳效果很好，通常可以通过调整底焦高 度、控制炉料配比和铁液温度来控制增碳量，有必要采 用增碳剂的情况很少。 感应电炉熔炼铸铁时，炉内没有碳源，炉料中废 钢的用量又多，增碳剂一般都是必不可少的。增碳剂的 品种及其特征，不仅影响增碳效率，对铸件的冶金质量 也有重要的影响。 一 铁液中的碳 碳在常压下的熔 点为3 5 5 0，沸点为4l 9 4 ， 3 5 0 0 C开始升华，是熔点最高的元素。在常温下，各种 含碳材料 中的碳基本上都不具有活性 ，在高温下却有 很强的反应能力。在有氧的条件下加热，无定形碳在 3 5 0 C以上就会发生氧化反应 ，石墨则在4 5 0 C以上发生 氧化反应。碳氧化所产生的CO 在高温下是不稳定的， 易于释放氧而形成CO。大气中的CO 在1 0 0 0 下基本 上都转变为C O，残留的C O 不到1 。 铁液中的碳，主要以两种状态存在 ：一种是溶于 铁液中，称之为溶解碳；另一种是以亚微观的颗粒悬浮 于铁液中，也称为游离碳 ，其形态是晶态石墨。 灰铸铁铁液凝固过程中，溶解碳主要以石墨的形 态析出，少量固溶于共晶奥氏体。共析转变时，固溶于 奥氏体中的碳，一部分以F e ， C 析出，另一部分扩散到已 形成的石墨上 。常温下 ，除合金含量高的奥氏体铸铁 外，固溶于铁中的碳很少。 凝固后的铸铁中碳含量的测定值，是其中化合碳 量、游离碳含量和少量固溶碳量的总和。 浇注铁液制成的铸件中，微观组织中化合碳的含 量 ，化合碳的形态和弥散程度，游离碳的形态和尺寸， 都取决于铸铁的化学成分、铁液的过热程度、铁液的处 理过程和铸件的冷却速率。对于控制铸铁质量，这些都 是至关重要的问题。 除此以外，在高温下 ，铁液中的碳易于被氧化成 为C O，因此有人认为铁液中的碳也是一种 “ 气体形成 元素 。C O在铁液中的溶解度很小 ，形成后即释放于 邻近液面的大气中。 铁液中硅含量高，则溶解于其 中的碳以石墨析出 的倾向大，在这种条件下，要使铁液增碳当然困难。铁 液中硅含量低，增碳就比较容易。因此，铸铁熔炼过程 中的增碳应在增硅以前进行。 对铸铁进行孕育处理时 ，细小 的孕育剂弥散分 布 ，产生大量硅浓度高的微区，促使该处的碳以微细的 晶态石墨析出，形成铁液共晶凝固阶段的石墨化核心。 铁液经孕育处理后，随着放置时间的延长 ，高浓度的硅 又逐渐向周边扩散，硅浓度降低后 ，微细的晶态石墨又 会逐渐溶于铁液，孕育作用也就随之逐渐衰退。 为 了使铸铁组织中石墨的形态和尺寸符合要求， 参磊 工热 加 工 垫 竺 堡 笪 堕垄 ! 至 箜 塑 翟 叠 www me t a l w o r k i n g1 9 5 0 c o rn 塑 堡 J I R 铁液中必须有这样的微细晶态石墨，作为共晶凝固时的 石墨化晶核 。除此以外 ，铁液中还需要氧化物、硫化 物、硫氧复合化合物之类的夹杂物 ，作为石墨的外来晶 核。 如果铁 液在感应电炉中保持时 间很长( 2 0 h 以 上)，由于长时间处于高温状态 ， 又有感应电流的搅拌 作用，微细的晶态石墨和外来结晶核心都逐渐溶于铁 液，石墨化的核心大幅度减少。这样的铁液，过冷度很 大，对孕育处理的回应能力极差 ，不可能通过孕育处 理使铸铁具有符合要求的微观组织，因而即使化学成 分完全符合要求 ，也不能用来浇注铸件。这种缺乏石 墨结晶核心的铁液 ，美国通常称之为 “ 周一晨间铁液 ( Mo n d a y mo rni n g i r o n )”，因为大型感应电炉中储存 的铁液，经周末休假后 ，周一上班时就是这种状况。这 是一个令人十分头痛的问题。目前，处理周一晨问铁液 的方法是 ：加入废钢使铁液激冷，同时加入硅铁，以促 进析出微细的晶态石墨，增加石墨化所必需的核心。 二、增碳剂 可以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。 各种原材料配好以后，将其压制成形，然后在2 5 0 0 3 0 0 0 E、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。 2 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 一 ! 至笪呈 型 垫丝 丛 竺 笪 www me t a l w o r k in g1 9 5 0 c o m 参磊 工热 加 工 铸造技术专题 造石油焦的原料，再经焦化后就得到生石油焦。生石油 焦的产量大约不到所用原油量的5 。美国生石油焦的 年产量约3 0 0 0 万t 。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。 生石油焦有海绵状、针状、粒状和流态等品种。 ( 1 )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。 ( 2 )针状石油焦是用芳香烃的含量高、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。 ( 3 )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。 ( 4 )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 。 石油焦的煅烧 ，是为了除去硫 、水分和挥发分。 将生石油焦于1 2 0 0 1 3 5 0 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，7 0 用以制造使 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 。 各种石油焦制品的大致成分列于表1 ，供参考。 3 天然石墨 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， 一股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。 天然石墨的大致成分见表2 。 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 剂的成分和堆 密 度，表3 中列出了一些典型的测定数据，供参照。 I R I 竺 竺 竺 表1各种石油焦制品的大致成分 ( 质量分数) ( ) 品种 固定碳 硫 灰分 挥 发分 水分 生石油焦 8 5 8 9 l 6 O _2 0 5 l O1 4 8 l 0 煅烧石油焦 9 8 5 O I( 1 23 _( 1 O-2 O_5 O _30 5 O5 合成碳制品 9 9 0 0 l 0 0 3 O 1 0 5 O 5 低硫合成碳制品 9 9 9 0 0 1 O O 3 O Ol O 0 3 O _ 2 表2天然石墨的大致成分 ( 质量分数) ( ) 品 种 固定碳 l 硫 灰分 l 挥发分 l 水分 鳞 片 石 墨 8 5 9 5 f 0 1 0 7 5 1 5 r 1 2 I 微 晶 石 墨 6 0 8 O i 0 1 0 2 2 0 - 4 0 I 1 2 l 0 5 表3常用增碳剂的成分和堆密度 成分 ( 质量分数 ，) 堆密度的概略值 增碳剂 碳含量 灰分 水分 挥发分 硫 氮 氢 g c m 一 人造石墨 9 9 2 0 4 0 - 2 0 0 1 0 O 0 5 0 0 0 5 0 8 4 鳞 片石墨( 中碳 ) 8 5 3 l 3 -2 O 0 6 O 4 4 0 _3 5 0 0 6 0 煅烧石油焦( 中硫 ) 9 6 5 O _4 0 4 0 O - 3 O 1 5 O 0 6 0 0 O 1 5 O 7 7 煅烧石油焦( 低硫 ) 9 8 _ 3 0 _4 0 1 O O 2 O O _3 O 0 0 8 0 O -0 4 0 8 o o 干燥焦炭 8 7 7 9 D O 3 O 1 D o 1 D o 1 _0 O O 0 6 4 优 质无烟煤 9 0 0 2 5 2 O O 3 - 5 0 _2 5 0 6 0 0 1 1 O 0 6 4 沥青焦 9 7 0 O 5 0 5 O O 5 O 4 0 7 0 0 O _ 2 O O 5 5 三 增碳剂的选用 选用增碳剂时，一般都应该注意以下几点。 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。由于生产条件下的影响因素很多，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 0 3 ( W E =3 4 、W S =1 9 、W M =0 5 5 )。 炉料的配比是 ：铸造生铁1 6 、回炉料3 0 、废钢 5 2 、增碳N2 。 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4 。 ( 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： W ： 2 5 5 、 WS 。 = 1 7 、 W M ： 0 4 。 出铁时，铁液温度为1 5 1 0 1 5 3 0 。 增碳剂加在包内，然后冲入铁液 ，试验的结果见 表5 。 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。 参 磊 工热 加 工 塾 丝 型 丝 !箜箜 塑l 曩 W1 V W me ta l wo r k i n g1 9 5 0 c o m 嬖 堡 竺 f T op ic ， R _ 表4 不同增碳剂的增碳效率 成分含量( 质量分数，) 增碳剂 增碳效率( ) 固定碳 灰分 硫 煅烧硬 沥青 、 9 9 0 ，4 0 O 2 5 9 5 9 7 低硫煅烧石油焦 9 9 0 3 O 0 4 2 9 5 9 7 中硫煅烧石油焦 9 8 0 4 8 1 5 O 9 3 9 5