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　　受焦炭價(jià)格不斷上升、環(huán)保以及用戶對鑄件質(zhì)量要求越來越高等因素的影響，電爐在很多地方已經(jīng)取代了沖天爐。又由于生鐵價(jià)格的不斷上升，廢鋼在社會上沉淀存留量較多而價(jià)格較低，所以這幾年廣泛的用廢鋼加增碳劑的方法生產(chǎn)球鐵及灰鐵。如果工藝操作正確，不但可以提高鑄件的綜合物理性能質(zhì)量，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。　　用電爐冶煉廢鋼加增碳劑生產(chǎn)鑄鐵件，盡管電爐便于化學(xué)元素含量的調(diào)整，而且主要元素可以調(diào)整到材質(zhì)要求的范圍之內(nèi)，但是如果不采取有效的處理手段，生產(chǎn)出鑄件的質(zhì)量，確與用沖天爐生產(chǎn)出的鑄件質(zhì)量有較大差異。主要的不同之處是：用電爐熔化的鐵液，無論是廢鋼加增碳劑或者是用鐵屑作爐料，生產(chǎn)出的鑄件白口傾向大，硬度高而精加工困難。本文此談?wù)勛约旱膶?shí)踐體會和認(rèn)識?！　∫?、沖天爐和電爐熔煉出鐵液質(zhì)量的不同之處　　1．沖天爐熔煉的鐵液　　沖天爐是用焦炭作燃料，將固體的鐵塊和其它爐料，經(jīng)過預(yù)熱、熔化、過熱、還原，鐵液經(jīng)爐底流入前爐缸，所經(jīng)歷的時(shí)間很短，大約10min左右，鐵液往往要在前爐缸中停留一段時(shí)間，在這段停留時(shí)間里，對金屬液的增核是有利的。雖然沖天爐的出爐溫度一般在1450℃左右，但是鐵液經(jīng)過過熱區(qū)的瞬間，爐溫約1700℃，盡管鐵液通過過熱區(qū)的時(shí)間很短，卻是以細(xì)小液滴通過的，能得到高溫過熱，有助于石墨溶于鐵液，消除新生鐵中粗大石墨片的遺傳性。鑄鐵中的主要元素碳，在熔煉過程中有一個(gè)燒損和吸收的減增過程，由于鐵液滴在灼熱的焦炭上，鐵液吸收了焦炭中的碳原子，所以在整個(gè)熔化過程中，碳的吸收大于燒損，含碳量是增。同樣鐵液也會從焦炭中吸收部分硫。　　在壓球化劑作球化處理之前，都要先燙包。由于沖天爐的熔化速度快，包球鐵澆注完畢后，再處理下一包時(shí)，包內(nèi)溫度還很高，鐵水倒入澆包內(nèi)降溫少，所以再進(jìn)行球化處理時(shí)，出爐溫度與電爐相比較可以稍低些，對球化處理質(zhì)量（球化劑的熔化及吸收、澆注溫度），影響不大或沒有影響。用電爐熔化鐵液，每爐熔化間隔時(shí)間約50～60min，有時(shí)間隔的時(shí)間可能會更長些，澆包散熱時(shí)間長，包內(nèi)溫度低，經(jīng)球化處理后，包內(nèi)鐵水溫度約下降80℃，冬天溫度下降的可能會更多，所以用電爐熔化鐵液處理球鐵時(shí)，出爐溫度要比沖天爐的溫度高些?！　?.用電爐熔煉鐵液對材質(zhì)性能的影響　　我們知道用電爐熔煉爐料，是由感應(yīng)圈經(jīng)導(dǎo)電產(chǎn)生磁場，在爐料中產(chǎn)生電渦流，由電渦流發(fā)熱藉以熔化爐料?！　?1)對“自發(fā)晶核”的影響　　廢鋼的熔點(diǎn)比鑄鐵高，增碳劑的熔點(diǎn)更高，當(dāng)廢鋼在熔化過程中以及熔化之后，增碳劑被加熱緩慢的溶解和擴(kuò)散，增碳劑中的碳才能被鋼液侵蝕吸收。鋼液逐漸的變成鐵液，即常稱之為“合成鑄鐵”。由于廢鋼熔化溫度高，鋼液變成鐵液之后的過熱溫度往往高。在高溫下，鐵液中的碳易于被氧化成CO，因此有人認(rèn)為鐵液中的碳也是一種“氣體形成元素”。CO在鐵液中的溶解度很少，形成后即釋放于鄰近液面的大氣中。在生產(chǎn)實(shí)踐中我們會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高溫鋼液倒入抬包后，抬包中有放射狀火花飛出（俗稱賊花），即可能是高溫氧化的釋碳現(xiàn)象?！　‰姞t在熔煉鐵液過程中，具有電磁攪拌摩擦的特性。鐵液過熱溫度高、過熱時(shí)間長、且又有感應(yīng)電流的攪拌摩擦，鐵液中微細(xì)的晶態(tài)石墨即自發(fā)晶核和外來結(jié)晶核心，都會逐漸溶于鐵液而消失；或浮經(jīng)液面與集渣劑粘裹在一起被挑出爐外。這樣，使鐵液中可在共晶結(jié)晶時(shí)作為石墨外來晶核的物質(zhì)大幅度減少?！　×蛟阼T鐵中，尤其是在球墨鑄鐵中是有害元素。但有資料介紹：當(dāng)含硫量小于0.06﹪時(shí)，硫的一些有益作用無法得到發(fā)揮。在鑄鐵中存在有細(xì)小而分散的硫化物夾雜，能在石墨的生核和成長中起積極而有益的作用。用感應(yīng)電爐熔煉廢鋼加增碳劑的合成鑄鐵，其含硫量一般不會超過0.03％的。如果原鐵水的含硫量過低，球化劑中的鎂無從與硫化合，過多的殘余鎂量不但阻礙石墨化，而且還會使鑄件產(chǎn)生縮孔、氣孔等鑄造缺陷。如果減少球化劑的加入量，綜合考慮又恐會影響到球化率?！　『铣设T鐵在感應(yīng)電爐中，因含硫量過低、過熱溫度高、電流的攪拌摩擦等因素影響，鐵液中石墨化的核心大幅度減少。這種缺乏石墨化結(jié)晶核心的鐵液，過冷度很大，對孕育處理的回應(yīng)能力極差，很難通過常規(guī)孕育處理措施，使鑄鐵具有符合要求的微觀組織。因而即使化學(xué)成分含量完全符合要求，往往澆注出的鑄件硬度高，不便于機(jī)械加工。有資料介紹：硫從0.02％增加到0.06％，抗拉強(qiáng)度增加50MPa以上，即可提高一個(gè)牌號以上，硬度值即可增加HB20。進(jìn)一步增加硫到0.1％，強(qiáng)度值和硬度值變化不大，有此可見在灰鑄鐵中，硫控制在0.06～0.1％為宜（我廠生產(chǎn)的汽車制動(dòng)鼓，材質(zhì)是HT250，硫控制在0.07～0.09％）．　　順便也談?wù)動(dòng)秒姞t熔煉“鑄鐵屑”，即便熔煉的鐵屑干凈無銹蝕，不需要高溫，過熱溫度并不是很高，但是由于電磁攪拌的摩擦作用以及碳、硅的燒損，如果澆注前不進(jìn)行元素調(diào)配和采取有效的孕育措施，生產(chǎn)出的鑄件同樣是硬度高。　　（2）用應(yīng)電爐熔煉對提高材感質(zhì)質(zhì)量的影響　?、俑袘?yīng)電爐熔煉，鐵水溫度可升以提到1570℃以上，并可以在高溫狀態(tài)下長時(shí)間的保溫，在該溫度下，可以使原材料帶入的夾雜物，以及在熔煉過程形成的夾渣及夾雜物上浮到鐵液表面。對于廢鋼＋增碳劑、尤其是粒子鋼＋廢鋼＋增碳劑＋回爐料，這些爐料無論是廢鋼、粒子鋼或者是粒子鐵，大都是白口組織，白口組織具有較強(qiáng)的遺傳性，要消除遺傳性需要適當(dāng)?shù)奶岣呷刍瘻囟龋黾颖貢r(shí)間，才能夠比較好的凈化鐵液，減少鑄件缺陷?！　、诤辖鹪?zé)龘p量低，鐵水中錳、硅的燒損低于沖天爐熔煉。便于各元素的調(diào)控，能夠穩(wěn)定化學(xué)成分含量。　?、凵a(chǎn)球墨鑄鐵時(shí)，含硫量過高將會直接影響到球鐵的質(zhì)量。如球化級別低下、材質(zhì)強(qiáng)韌性差、鑄件有夾渣等鑄造缺陷。用電爐熔煉鑄鐵時(shí)不存在有增硫反應(yīng)。　　④用廢鋼＋增碳劑生產(chǎn)合成鑄鐵，由于廢鋼的夾雜物含量低，成分穩(wěn)定，加增碳劑經(jīng)高溫熔煉之后，消除了爐料的遺傳性，鐵液的純凈度得到提高，同時(shí)增碳劑具有孕育作用，促使石墨化的效果更加穩(wěn)定突出，鑄件的基體組織晶粒會更加均勻、細(xì)化，所以生產(chǎn)出鑄件材質(zhì)的韌性和強(qiáng)度均得到提高?！　《P(yáng)長補(bǔ)短、優(yōu)化操作程序　　用廢鋼生產(chǎn)球墨鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)前面已談，不再贅述?！　∮秒姞t熔煉廢鋼（鐵屑）＋增碳劑生產(chǎn)球墨鑄鐵，欲想穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，需要補(bǔ)的“短”，主要是解決金屬液在凝固結(jié)晶時(shí)，自發(fā)晶核少、鐵液過冷度大、石墨化能力差、鑄件硬度高而不便于機(jī)械加工的問題。具體的“補(bǔ)短”操作方法是：　?、僭谝睙捄笃谝⒁狻白园l(fā)晶核”的培養(yǎng)。加入適量的廢鋼使鐵液激冷，同時(shí)適量的加入硅鐵以及細(xì)顆粒的增碳劑，上面覆蓋保溫劑，降低功率或停電保溫一段時(shí)間，以促使析出微細(xì)的晶態(tài)石墨?！　、谠诔鰻t或澆注過程中，進(jìn)行充分的多次孕育處理，以補(bǔ)充“外來晶核”，可以添加小顆粒的增碳劑、碎硅鐵粉粒以及復(fù)合孕育劑，雖然加入量很少，但是促進(jìn)生核的效果很好?！　、廴绻蛄窟^低（特別是生產(chǎn)HT時(shí)）可適量加入些硫鐵，但必須控制在要求的范圍內(nèi)。總之優(yōu)化操作程序指的是：爐料入爐的先后順序、熔煉中的溫度和出爐溫度的控制、化學(xué)成分的選控、以及強(qiáng)化孕育和復(fù)合孕育?！　∥覀兊漠a(chǎn)品是汽車輪轂，造型采用的是鐵模覆砂工藝，材質(zhì)是QT450－10，其硬度是HB160－210，屬于鐵素體基體球鐵。但是用戶為了便于機(jī)械加工提高生產(chǎn)速度，除要求材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度及延長率合格之外，還要求鑄件的硬度≤200HBW。　　化學(xué)成分的選擇﹙％﹚:　　CE4.6－4.8，C3.6－3.9，Si1.2－1.3（原）、2.65－2.9（終），Mn0.2－0.4，P≦0.05，S≤O.035(原)、≤0.022（終），RE(殘)0.02－0.04，Mg（殘）0.03－0.06。　　在實(shí)際生產(chǎn)中，碳當(dāng)量控制在中上線，硅力爭控制在上線，旨在提高鐵液的石墨化能力?！　t料的加入順序、操作方法及溫度控制　　先在爐底加入新生鐵，再加入廢鋼、增碳劑（根據(jù)爐料情況憑經(jīng)驗(yàn)而加，以防增碳劑堆積形成高溫層），邊熔化邊加廢鋼和增碳劑，盡可能在粒子鋼沒有加入之前，把增碳劑需要加入量的60－70％加完，加回爐料。在這段時(shí)間里，為了提高增碳劑的吸收率，消除鐵液中的遺傳性，宜采用大功率高溫熔化?！　〉鲜黾恿戏椒ㄒ泊嬖谥鴥蓚€(gè)問題:　?、佼?dāng)鐵水含碳量達(dá)到一定量時(shí)，再提高鐵水含碳量困難了?！　、谠谌蹮捄笃诩尤肓Ｗ愉摚瑺t內(nèi)金屬液噴濺嚴(yán)重，不能保證安全生產(chǎn)。因此也可以采用另一種加料順序，先熔化粒子鋼，邊熔化邊往外舀渣，當(dāng)熔化完畢需加入量（一般40―50％）并達(dá)到一定溫度時(shí)，關(guān)閉電源，消除爐內(nèi)液面“駝峰”，使液面平穩(wěn)，熔渣會往液面中部聚集，這樣便于舀凈熔渣。熔渣清除干凈之后，可以適當(dāng)多加些增碳劑。啟動(dòng)電源高功率熔化，邊加廢鋼邊加增碳劑直到爐滿，加入部分硅鐵取樣分析?！　∏蜩F金屬液是一種鐵水被飽和的Fe－C－Si－O之合金溶液，其內(nèi)部存在化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)平衡問題：　　2C＋SiO2→Si＋2CO　　鐵水溫度高于平衡溫度時(shí)，反應(yīng)向右，碳被氧化放出CO降碳，是還原反應(yīng)。低于平衡溫度時(shí)反應(yīng)向左，Si被氧化，形成SiO2黑渣，是氧化反應(yīng)。平衡溫度在1390－1420℃之間。故推薦球化處理溫度在1450±20℃之間。根據(jù)上述資料分析增碳劑合適的加熱溫度，如果加熱溫度高于平衡溫度時(shí)，鐵液中的碳被氧化損耗增加，增碳劑的吸收率降低。當(dāng)加熱溫度低于平衡溫度時(shí)，由于溫度較低，增碳劑的溶解擴(kuò)散速度下降，因而增碳劑的吸收率也較低。另外，在實(shí)際生產(chǎn)操作中，很難把爐溫控制在平衡溫度線。提高爐溫可以加快增碳劑的溶解和擴(kuò)散，有利于鐵液對碳的及時(shí)吸收而縮短碳的氧化時(shí)間，盡可能的使吸收遠(yuǎn)大于損耗，同時(shí)也有利于提高熔化速度。所以在熔化前期我們采用大功率高溫熔化。　　由于粒子鋼的含渣量太多，在熔化粒子鋼過程中，需要用特制的勺往外舀渣，所以增碳劑不宜與粒子鋼混裝熔化。當(dāng)爐料熔化完畢并徹底清凈熔渣之后，留下10％的增碳劑作為波動(dòng)可調(diào)空間，其余的全部加入，并加蓋保溫劑?！　≡跔t內(nèi)溫度升高增碳劑溶解被鐵液吸收后，清凈保溫劑及熔渣，加入部分硅鐵，在硅鐵上面覆蓋保溫劑，硅鐵的加入量，應(yīng)在代入硅1.2％左右，這是因?yàn)閺U鋼和粒子鋼的含硅量都很低，加入部分硅鐵，一是為了起到脫氧作用；二是為了縮小后期調(diào)整范圍，使成分含量更加準(zhǔn)確；三是為了鐵液成分含量不超過熱分析儀的測量范圍，避免測量失敗。還需要說明的是，無論在任何階段需要同時(shí)添加增碳劑和硅鐵時(shí)，都要先加增碳劑，待增碳劑熔解擴(kuò)散被吸收之后，再加增碳劑。這是因?yàn)楣杈哂信盘继匦?，即硅量的增加，降低了碳在鐵水中的溶解度。其目的還是為了提高增碳劑的吸收率?！　【C上所述，影響增碳劑吸收的因素有：①增碳劑的質(zhì)量；②鐵水的含碳量；③鐵水含硅量：④爐料和鐵水質(zhì)量（是否嚴(yán)重氧化）；⑤爐工操作；⑥加入時(shí)間及加入方法；⑦爐溫控制?！　‘?dāng)爐溫達(dá)到1320℃左右時(shí)，清凈液面熔渣，取樣倒入上海產(chǎn)的“賀利氏”牌熱分析儀樣杯中。在取樣分析的前后時(shí)間里，先清理干凈液面熔渣，適量加入一些回爐料；當(dāng)熱分析儀結(jié)果出來后，調(diào)整原鐵水的碳、硅含量?！　〔扇∮行Т胧?qiáng)化孕育：使用孕育劑的種類有75硅鐵、增碳劑、硅鈣鋇復(fù)合孕育劑。用增碳劑進(jìn)行爐內(nèi)、包內(nèi)雙重孕育；用硅鐵進(jìn)行沖入孕育及浮硅孕育；由大包倒入抬包時(shí)加入硅鈣鋇復(fù)合孕育劑進(jìn)行隨流孕育。只要經(jīng)熱分析儀測報(bào)含碳量不超上限，出爐前在爐內(nèi)液面（也稱作預(yù)處理或預(yù)孕育）、在球化包底、以及球化反應(yīng)結(jié)束扒渣后，在球鐵液面，酌情適量加放一些細(xì)顆粒（0.5―1.0mm）的增碳劑。盡管這樣作增碳劑的吸收率較低，但是確能生產(chǎn)大量的“外來晶核”，促進(jìn)石墨化，有利于石墨的生成?！　∏蚧瘻囟鹊目刂?。球化溫度是根據(jù)鑄件的大小、鑄件壁的厚薄以及材質(zhì)的不同而靈活掌握的。而且各單位又有各自的習(xí)慣作法。如山東臨沭興華機(jī)械廠用十噸包處理球鐵，當(dāng)包底有一定的鐵水后，為降低下部鐵液溫度，延緩球化劑的起爆時(shí)間，減少反映沸騰，順包邊加放“熱鐵塊”，也便于降溫澆注大型鑄件，效果很好。濮陽一家鑄造廠，用廢鋼生產(chǎn)球鐵，出爐溫度1550℃，當(dāng)包內(nèi)鐵液達(dá)到3／4時(shí)，停止倒鐵水，讓球化包內(nèi)進(jìn)行球化反映，在包內(nèi)作球化反映時(shí)，爐內(nèi)剩余1／4的鐵水繼續(xù)升溫，包內(nèi)反映結(jié)束并清理浮渣，加孕育劑后再出爐內(nèi)剩余1／4的鐵液，這時(shí)爐內(nèi)鐵液溫度已是1570℃，用這種方法作球化處理，生產(chǎn)出的鑄件內(nèi)在質(zhì)量好，無氣孔等鑄造缺陷。我們在出爐之前的熔化過程中，要經(jīng)歷一個(gè)先高溫后低溫的過程，先高溫便于消除鐵液中的“遺傳性”和促進(jìn)增碳劑的吸收，后適當(dāng)?shù)蜏乇阌诰Ш说膹?fù)生和球化處理。我們在生產(chǎn)實(shí)踐中，原來的球化處理溫度控制在1560－1570℃（用光學(xué)測溫儀），生產(chǎn)出鑄件的硬度偏高，其硬度常在200HBW左右徘徊，時(shí)而硬度還有超標(biāo)現(xiàn)象而影響產(chǎn)品質(zhì)量。2010年下半年，逐漸降低球化處理溫度，現(xiàn)在出爐溫度控制在1520℃±10℃左右?！　∪?、產(chǎn)品質(zhì)量　　產(chǎn)品為QT450－10輪轂，造型采用鐵模覆砂工藝，球鐵的球化級別1－3級，石墨大小6－7級，石墨球密而分布均勻，硬度HB170－190，硬度很少有超過HB200的。鑄件實(shí)體切割取樣作物理實(shí)驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度≥500MPa（常在500MPa左右），延長率13％－16％（可達(dá)22％）。

　　高韌性球鐵的生產(chǎn)質(zhì)量控制的關(guān)鍵是獲得鑄件的組織中高的鐵素體含量、較高的球化率、直徑細(xì)小而多的石墨數(shù)，這是高韌性球鐵力學(xué)性能合格的根本。要獲得高韌性球鐵必須有優(yōu)質(zhì)的鑄造生鐵來保證，盡年來，生鐵供不應(yīng)求，價(jià)格日趨上漲，使鑄造廠面臨嚴(yán)峻的經(jīng)營形勢。針對這一問題，本文論述電爐熔煉同樣的球化劑、孕育劑，不改變球化及孕育處理工藝，采用晶體石墨增碳劑+工業(yè)碳素廢鐵+大量回爐料生產(chǎn)高附加值高性能球鐵合成鑄鐵工藝，更有益于成功獲得合格的高韌性球鐵，而且生產(chǎn)及管理成本低，顯著提高鑄造廠效益的幾個(gè)實(shí)例。　　由于鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展，生鐵資源日益緊缺，優(yōu)質(zhì)球生鐵供不應(yīng)求，價(jià)格日趨上漲?？晒┵Y源將持續(xù)緊張，高位運(yùn)行，勞動(dòng)力成本持續(xù)上行的趨勢形成，可以斷定一個(gè)鑄造高成本的時(shí)代來臨。高耗能、高污染排放，生產(chǎn)低附加值鑄件的企業(yè)將首先被淘汰出局。應(yīng)用電爐合成鑄鐵技術(shù)提高鑄件質(zhì)量，降低鑄造成本，提高鑄造廠效益成為鑄造企業(yè)發(fā)展的根本?！　‰姞t熔煉合成鑄鐵的關(guān)鍵是增碳劑、調(diào)Mn造渣輔料、工業(yè)碳素廢鐵的選擇及加入，以及冶煉質(zhì)量控制，使用增碳劑增加含碳量調(diào)整化學(xué)成分，改善鑄鐵的組織和性能；利用價(jià)格相對低廉的工業(yè)碳素廢鐵。降低成本；為了獲得更好增碳效果，生產(chǎn)中選用晶體石墨增碳劑。晶體石墨增碳劑主要用于高韌性球鐵鑄件（風(fēng)電球鐵鑄件）、奧貝球鐵鑄件及大型復(fù)雜的灰鑄鐵及球鐵柴油機(jī)缸體、缸蓋的生產(chǎn)；應(yīng)用晶體石墨增碳劑+廢鋼+大量回爐料是低成本生產(chǎn)高附加值高性能球鐵鑄件的新技術(shù)。本文著重介紹熔煉合成鑄鐵用的晶體石墨增碳劑及熔煉合成鑄鐵顯著提高鑄造廠效益的幾個(gè)實(shí)例。　　1碳及晶體石墨增碳劑材料特性　　碳在常壓下的熔點(diǎn)為3550℃，沸點(diǎn)為4194℃，3500℃開始升華，是熔點(diǎn)很高的元素。且在高溫下不發(fā)生晶態(tài)變化，幾乎不軟化、不變形。碳的同素異構(gòu)體有無定形碳、石墨和金剛石。不同結(jié)構(gòu)的碳密度不相同，無定形碳密度約為1.98g/cm3，石墨密度約為2.3g/cm3，金剛石密度約為3.51g/cm3，性能差別大。含碳晶體有一重要的特點(diǎn)是在無氧條件下加熱，晶體結(jié)構(gòu)會向更完整、更緊密的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。無定形碳，如焦炭、木炭、炭黑等，在高溫作用下可轉(zhuǎn)變?yōu)槭?。石墨在高溫、高壓作用下可轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸?。　?.1碳質(zhì)材料　　碳質(zhì)材料是由碳元素組成的一類非金屬材料。由于晶體結(jié)構(gòu)和層片配列的變化，可以衍生出品種繁多的同素異構(gòu)體。所有的同素異構(gòu)體，在晶體結(jié)構(gòu)上都是以金剛石或石墨為基礎(chǔ)的。　　1.1.1金剛石　　金剛石晶體屬等軸晶系，原子晶格為面心正立方，原子間距為0.154nm，是碳的同素異構(gòu)體中原子排列很緊密的一種。金剛石是莫氏硬度值為10，絕對硬度約為10000kgf/mm?！　?.1.2石墨　　石墨為六方層片狀結(jié)晶，石墨質(zhì)軟（莫氏硬度2～3）、呈黑色、有光澤、并有潤滑感。石墨可分為天然石墨和人造石墨兩類，都是鑄造行業(yè)中廣泛應(yīng)用的材料?！　。?）天然石墨天然石墨中有鱗片狀石墨和微晶石墨兩種。中國是天然石墨產(chǎn)量很大的國家，產(chǎn)地主要有湖南、內(nèi)蒙、黑龍江、福建、廣東、吉林等?。▍^(qū)）。俄羅斯、朝鮮、韓國、澳大利亞、墨西哥、馬達(dá)加斯加、印度、斯里蘭卡、加拿大和美國也有高儲量的天然石墨礦。其中斯里蘭卡出產(chǎn)的塊狀石墨是目前所知的純度很高的天然石墨，其中的碳含量接近100％。通常開采得到的天然石墨中混有大量脈石和其他雜質(zhì)，如要求品位較高，就需要用浮選法提取。先將礦料粉碎、加水研磨制成礦漿，再用石灰或堿將礦漿調(diào)成弱堿性，并加入水玻璃抑制脈石，然后用篩分設(shè)備將石墨從大量脈石中分離出來。在浮選槽內(nèi)加入煤油之類的捕集劑，再經(jīng)離心分離和干燥，可以得到含碳量為70～95％的石墨。含碳量在95％以上的石墨，需用化學(xué)方法萃取，或加熱到高溫使其中的氧化物雜質(zhì)分解、揮發(fā)?！　。?）人造石墨在高溫和惰性氣氛中，無定形碳可以轉(zhuǎn)變?yōu)槭Ｏ葘⒏惶嫉奶假|(zhì)材料壓制成形，加熱到2500～3000℃、在非氧化性氣氛中進(jìn)行石墨化。晶體石墨增碳劑大部分都是采用這種制備的?！　?.1.3無定形碳　　無定形碳也是六方層片狀結(jié)晶，與石墨不同之處在于六角形的配列不完整，層間距離略大。常見的無定形碳材料有焦炭、木炭、炭黑、活性炭等。　　1.2增碳劑的類別及成分　　增碳劑的主要成分是碳。但碳在增碳劑中的存在形式可能是非晶態(tài)或結(jié)晶態(tài)。增碳劑相同，與非晶體增碳劑相比，晶體增碳劑的增碳速度明顯的快，未作球化處理原鐵液的白口深度小，球墨鑄鐵基體中鐵素體含量高，石墨球數(shù)多，石墨形態(tài)更圓整。依據(jù)碳在增碳劑中的存在形態(tài)，分為石墨增碳劑和非石墨增碳劑。石墨增碳劑有廢石墨電極、石墨電極邊角料及碎屑、自然石墨壓粒、石墨化焦等，此外，碳化硅（SiC)具有和石墨相似的六方結(jié)構(gòu)也被列為石墨增碳劑的一種特殊形態(tài)。廢石墨增碳劑如瀝青焦、煅燒石墨焦、乙炔焦炭壓粒，煅燒無煙煤增碳劑等。常用增碳劑的主要成分表1，晶體石墨增碳劑的化學(xué)成分：碳含量≥96%，水份≤1.5%，灰分＜1%，F(xiàn)e2O3＜0.5%，Al2O3＜0.45%，不含硫、磷?！　?增碳劑的增碳行為　　增碳劑的增碳是通過碳在鐵液中的溶解和擴(kuò)散進(jìn)行的。當(dāng)鐵碳合金的含碳量在2.1%時(shí)，石墨增碳劑中的石墨可直接在鐵液中溶解直溶。而非石墨增碳劑的直溶現(xiàn)象幾乎不存在，只是隨著時(shí)間的推移，碳在鐵液中逐漸的擴(kuò)散溶解。石墨增碳劑的增碳速度顯著的高于非石墨增碳劑。對所有石墨鑄鐵，石墨增碳劑中的石墨，可作為先共晶晶核和共晶石墨晶核。由不同的配料比使用碳質(zhì)增碳劑和不采用增碳工藝，在鐵液化學(xué)成分中含量相同條件下，經(jīng)過增碳處理的鑄鐵中氮含量增加，但可以形成氮化硼等，可以作為石墨結(jié)晶核心的基底，為石墨創(chuàng)造良好的形核成長條件。因此，增碳劑在增加鐵液含碳量的同時(shí)，能改善鐵液凝固后的組織和性能?！　≡鎏妓俣仁菃挝粫r(shí)間內(nèi)碳增加的百分?jǐn)?shù)。吸收率是增碳劑中碳被鐵液吸收的比率。鐵液增碳速度以及對增碳劑中碳的吸收率受下列因素影響?！　、僭鎏紕┓N類；　?、谠鎏紕╊w粒；　?、墼鎏继幚頊囟龋弧　、荑F液組成；　?、蓁F液的攪拌程度。　　石墨電極的增碳效率較快，在電爐熔煉時(shí)，一般吸收率85%左右。鐵液攪拌越強(qiáng)，增碳效率越高，在1450℃可達(dá)到90%?！　?晶體石墨增碳劑對鑄件微觀組織及質(zhì)量的影響　　由于鑄件的力學(xué)性能取決于鑄件的組織，而鑄件的組織取決于鑄件的化學(xué)成分及凝固過程，鑄鐵凝固過程有2種重要的形核條件，一是奧氏體形核，另一種是石墨形核，石墨和鑄造硅鐵在Ca、Ba、Sr、Al、Ce、Zr、Mn等元素的促進(jìn)下有利于先共晶及共晶石墨晶核的形成，研究表明含有上述活性元素的氧硫復(fù)雜化合物具有活性的結(jié)晶核心，在鑄鐵凝固過程促進(jìn)石墨形核，鐵液中適當(dāng)尺寸、沒有溶解的石墨質(zhì)點(diǎn)，促進(jìn)先共晶和共晶石墨析出核心，為了增加球鐵的石墨球數(shù)量，必須加強(qiáng)增加形成球狀石墨核心的技術(shù)措施，其中鐵液的石墨質(zhì)點(diǎn)有助于提高球狀石墨核心數(shù)量，結(jié)晶核心總是異質(zhì)的核心，晶體結(jié)構(gòu)的碳可以顯著提高鐵液的形核狀態(tài)，其中有六方結(jié)構(gòu)的石墨增碳劑，碳化硅（SC）由于具有和石墨相似的六方結(jié)構(gòu)，也被看作是石墨增碳劑的一種特殊形態(tài)。石墨結(jié)構(gòu)的增碳劑增加鐵液中晶核點(diǎn)的數(shù)量，提高鐵液的形核能力。生產(chǎn)實(shí)踐表明使用質(zhì)地致密的石墨增碳劑后球鐵的鐵素體含量平均提高10%-15%，對延伸率有特別要求的鐵素體球墨鑄鐵是非常有價(jià)值的。用石墨結(jié)構(gòu)的增碳劑生產(chǎn)球墨鑄鐵得到的石墨球數(shù)量是使用非石墨增碳劑球鐵得到的石墨球數(shù)量的400%。　　高韌性球鐵的生產(chǎn)關(guān)鍵是獲得鑄件的組織中高的鐵素體含量，較高的球化率，直徑細(xì)小而多的石墨數(shù)。同樣的鑄造生產(chǎn)應(yīng)用晶體石墨增碳劑會促進(jìn)這些有益的結(jié)果形成，就是說應(yīng)用晶體石墨增碳劑+工業(yè)碳素廢鐵+大量回爐料電爐熔煉是低成本生產(chǎn)高附加值高性能球鐵鑄件的新技術(shù)?！　?晶體石墨增碳劑的使用方法及晶體石墨粒度要求　　增碳劑使用過程中，增碳劑有增碳吸收和氧化損耗。不同形態(tài)和顆粒大小的增碳劑對吸收和損耗有不同的影響，例如石墨壓塊（粒）、石墨電極碎屑，具有較大的表面面積浸潤在鐵液中，增碳吸收率高；增碳劑顆粒小，在增碳速度較快的同時(shí)，氧化損耗速度也較快等。因此，生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)熔爐類型，爐膛直徑和容量大小，以及增碳劑的加入方法等，正確選擇增碳劑類型及顆粒大小。使用增碳劑增碳的主要方法，是將增碳劑作為爐料直接投入爐內(nèi)的投入法，在工藝要求爐外增碳時(shí)，常采用包內(nèi)噴粉或出鐵增碳法?！　?.1爐內(nèi)投入法　　適用于感應(yīng)爐熔煉時(shí)使用，依據(jù)工藝要求具體方法有為：　?、僦蓄l電爐熔煉，可按配比或碳當(dāng)量要求隨爐料加入電爐中下部位，回收率可達(dá)95%以上；　?、阼F液熔清后碳量不足調(diào)整碳分時(shí)，先打凈爐中熔渣，再加增碳劑，通過鐵液升溫，電磁攪拌和人工攪拌使碳溶解吸收，回收率可在90%左右；有的工廠采用所謂低溫增碳工藝，即爐料只熔化一部分，熔化的鐵液溫度較低情況下，全部增碳劑一次性加入鐵液中，同時(shí)用固體爐料將其壓入鐵液中不讓其露出鐵液表面?！　?.1.1配料及加料順序與晶體石墨增碳劑的使用方法　　鋼鐵料配料大多都采用20%-30%的回爐料+工業(yè)碳素廢鐵，回爐料配量以車間回爐料的多少定，不超過30%為宜。加料順序是爐底先加入回爐料，隨后加入工業(yè)碳素廢鐵，大功率送電。　　在爐料熔化60%時(shí)加入配料晶體增碳劑總量的一半，加入晶體增碳劑后繼續(xù)提高爐溫加料熔化，剩余部分的60%在爐料全部熔化打完渣后加入，不斷攪拌直到增碳劑完全溶解后取樣分析。取樣后爐內(nèi)鐵液用覆蓋劑保護(hù)，爐子保溫?！　『髞硎Ｓ嗑w增碳劑（粒度0.5~1.0mm）覆蓋在包中球化劑上，起促進(jìn)石墨形核及孕育作用。　　4.1.2晶體石墨粒度要求　　對于1t以下電爐熔煉晶體石墨粒度要求0.5~2.5mm，1t-3t電爐熔煉晶體石墨粒度要求2.5~5mm，3t-10t電爐熔煉晶體石墨粒度要求5.0~20mm，覆蓋在澆包中球化劑上的晶體石墨粒度要求0.5~1.0mm。　　4.2爐外增碳　　選用焦炭粉做增碳劑，包內(nèi)噴粉，吹入量為40kg/t，預(yù)期能使鐵液含碳量從2%增到4%，增碳過程隨著鐵液碳含量逐漸升高，碳量利用率下降，增碳前鐵液溫度1600℃，增碳后平均為1299℃。噴焦炭粉增碳，一般采用氮?dú)庾鬏d體，在工業(yè)生產(chǎn)條件下，用壓縮空氣更方便，而且壓縮空氣中配入過量碳粉吹入高溫鐵液中，與壓縮空氣中的氧燃燒產(chǎn)生CO，化學(xué)反應(yīng)熱可補(bǔ)償部分溫降，而且CO的還原氣氛利于改善增碳效果?！　〕鲨F時(shí)增碳，可將粒度0.5～1.0㎜的增碳劑放到包內(nèi)，或從出鐵槽隨流沖入，出完鐵液后充分?jǐn)嚢?，盡可能使碳溶解吸收，碳的回收率在55%左右?！　?晶體石墨增碳劑的新用途　　在生產(chǎn)高韌性風(fēng)電球鐵鑄件、奧貝球鐵鑄件及大型復(fù)雜球鐵柴油機(jī)缸體、缸蓋過程中，經(jīng)常遇到球化分級比2級低又比3級高，石墨球不圓整，石墨球直徑達(dá)不到6級以上，EPC生產(chǎn)灰鑄鐵重卡變速機(jī)箱體出現(xiàn)了D型石墨等，采取了常規(guī)的工藝措施都難以解決問題，在生產(chǎn)原來配料、熔化、球化、孕育工藝不進(jìn)行大的改變情況下，出鐵時(shí)按1.5-2.0Kg/t鐵液包中沖入0.5~1.0mm的晶體增碳劑（覆蓋在球化劑上），這些問題就得到解決。換句話可以理解運(yùn)用特定晶體增碳劑會對提高高韌性球鐵風(fēng)電鑄件、奧貝球鐵鑄件、及大型復(fù)雜球鐵柴油機(jī)缸體、缸蓋的球化率、改善石墨球圓整度，減小石墨球直徑起到有益的作用，EPC生產(chǎn)重卡變速機(jī)灰鑄鐵箱體對消除D型石墨有明顯的效果?！　?使用晶體石墨增碳劑注意的事項(xiàng)　　配料增碳，增碳劑隨爐料加入電爐下部（5~15mm顆粒），碳收得率一般為95%；鐵液、鋼液補(bǔ)碳，先打凈鋼液表面的渣子加入（0.5~2.5mm），碳收得率一般為92%?！　〖釉鎏紕┤蹮捇诣T鐵、球鐵中不要頻繁加入覆蓋劑，不要頻繁打渣，以免增碳劑沒有溶解完與覆蓋劑混合，與渣子從爐中打出?！　傞_始使用注意需要通過2-3爐試驗(yàn)，以確定增碳劑的碳收得率?！　∈鎏紕┊?dāng)做提高球化率、改善石墨球圓整度，減小石墨球直徑、消除D型石墨、細(xì)化晶粒的作用時(shí)，粒度一定要細(xì)，本身要干燥，不注意的話容易引起球鐵的夾雜及氣孔缺陷?！　?合成鑄鐵的熔煉中C、Si、Mn的控制　　由于合成鑄鐵配料，爐料中帶入的S、P極低，合成鑄鐵熔煉質(zhì)量控制的關(guān)鍵是C、Si、Mn的控制，傳統(tǒng)熔煉C主要依靠配料來保證，但合成鑄鐵的熔煉由于C受增碳劑的類型、粒度、加入方法、以及增C過程溫度的影響，C吸收率變化大，因此，C必須依靠配料、嚴(yán)格的熔煉工藝及爐前快速檢測來調(diào)整，爐前快速檢測主要以快速熱分析儀和直讀光譜儀。對于酸性爐，合成鑄鐵的熔煉Si較為穩(wěn)定，依靠配料控制，但合成鑄鐵液在1580℃以上于酸性爐內(nèi)停滯時(shí)間太長，回出現(xiàn)C快速下降，Si快速大幅增高。合成鑄鐵的Mn通過調(diào)Mn造渣輔料的加入量來控制?！　?合成鑄鐵的生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例　　8.1采用電爐合成鑄鐵工藝生產(chǎn)高韌性球鐵　　風(fēng)電球鐵鑄件國內(nèi)大多采用樹脂砂造型制芯，中頻電爐或電弧爐熔煉工藝鑄造。在中頻爐熔煉下利用工業(yè)碳素廢鐵熔煉合成鑄鐵的工藝。經(jīng)陜西、廣東、浙江、山東、遼寧等鑄造廠生產(chǎn)球鐵5萬t以上應(yīng)用證明，應(yīng)用合成鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)在不增加鑄造企業(yè)設(shè)備投入，不增加人力投資情況下，降低高韌性球鐵直接生產(chǎn)成本約1000元/t左右（采用合成工藝熔煉1t鐵液節(jié)約成本：5.948–4.896=1.052元）。對于1個(gè)年生產(chǎn)球鐵2萬t鑄造廠1年降低生產(chǎn)成本約2000萬元，同時(shí)廢品率降低可降成本約400萬元左右。應(yīng)用這一技術(shù)年生產(chǎn)球鐵2萬t鑄造廠綜合降低生產(chǎn)成本2400萬元左右?！　τ谥蓄l爐及電弧爐熔煉而言，采用工業(yè)碳素廢鐵熔煉技術(shù)，生產(chǎn)高韌球鐵可以使球鐵的韌性和強(qiáng)度等性能得到提升，鑄件的基體晶粒組織會均勻化、細(xì)化，鐵液的純凈度更高，石墨化的效果也更穩(wěn)定突出。工業(yè)碳素廢鐵中的雜質(zhì)元素較少，成份穩(wěn)定，經(jīng)過高溫熔煉，消除了鑄造用生鐵的不良遺傳效應(yīng)，熔煉出的鐵液具有較高的品質(zhì)。由于風(fēng)電鑄件要求進(jìn)行低溫沖擊韌度檢測，所以必須保證鐵液足夠的純凈，因此，原材料選擇要求嚴(yán)格，一般對生鐵的純度要求高，要使用反球化元素、Mg消耗量盡量低的生鐵和雜質(zhì)含量少，成分可知的廢鋼。但對于采用工業(yè)碳素廢鐵作為主要原材料的熔煉技術(shù)，用同類回爐料，相對而言原材料選擇余地就較寬。　　將采用該工藝澆鑄的QT400-18輪轂鑄件的解剖取樣，做鑄態(tài)金相和理化分析，結(jié)果表明一般金相組。