利用廢鋼生產合成鑄鐵的增碳工藝及控制

所謂的合成鑄鐵，就是不用新生鐵，只用廢鋼和回爐料，采用增碳的方法來調節碳量而生產的鑄鐵。合成鑄鐵的生產具有以下幾個方面的特點：

1)與普通鑄鐵相比，抗拉強度明顯高一個牌號，并且機械性能波動范圍不大。這主要是廢鋼中的P、S含量低，雜質少 。

2)鑄造性能好。

3)生產成本低。近年來由于工業發達國家的廢鋼量供應充足，價格也比新生鐵便宜，而且廢鋼是直接加入，無需重熔，可大大降低合成鑄鐵的生產成本 。

由于合成鑄鐵具有上述幾個方面的特點，所以在生產中得到了廣泛使用。但對于生產過程中的增碳技術，未見有系統研究與報導。本文試圖從增碳劑的吸收效果出發，著重研究不同容量熔煉爐應采用的增碳方法及控制技術。

試驗條件與要求

熔煉爐采用容量為 150kg和 500kg中頻感應電爐，用 于生產性試驗。

廢鋼與回爐鐵：廢鋼選用低S、低P、低Mn的碳鋼，其它合金及雜物不得混入其中?；貭t料使用材質相近的同類回爐料，不得將不同牌號、不同種類的回爐鐵混在一起加入。

增碳劑：增碳劑的質量好壞直接影響到鐵液的質量好壞，因此在生產時，對于增碳劑的選擇顯得至關重要。

在鑄造生產中，目前應用最多的增碳劑主要有兩大類：石墨化增碳劑和非石墨化增碳劑。石墨化增碳劑主要有廢石墨電極、石墨壓塊(粒）、瀝青焦、低硫煅燒石油焦、中硫煅燒石油焦和煅燒無煙煤等。非石墨化增碳劑主要有瀝青焦、煅燒石油焦、煅燒無煙煤等 。硫量高的增碳劑氮含量也高，若采用此類增碳劑，灰口鐵液中的含氮量往往會高出平衡濃度而產生裂隙狀氮氣孔，球鐵鐵 液則易在厚壁處產生縮松缺陷。在鑄鐵生產中常用的增碳劑主要以低硫、低磷的石墨化增碳劑為主。

增碳劑粒度的選擇：增碳過程實質上就是碳在鐵液中的溶解擴散和氧化燒損過程，增碳吸收的效果(增碳率)是增碳劑在鐵液中溶解擴散速度和氧化燒損速度的綜合體現。增碳劑的粒度大小不同，其溶解擴散速度和氧化燒損速度也不同。在一般情況下，增碳劑顆粒大越大燒損越小溶解擴散速度慢；反之，增 碳劑顆粒小燒損大溶解擴散速度也大。在生產中增碳劑粒度的選擇應根據爐膛大小和容量來綜合考慮，本試驗所選用的增碳劑粒度控制在0.5-3mm之間 。

增碳劑加入工藝方法的設計：為了研究加入工藝對增碳劑的吸收效果的影 響，試驗設計了以下3種增碳劑加入方法：

1)中間加入法(方法①)，即廢鋼加入熔化后，加入增碳劑，迅速覆蓋回爐料；

2)壓底加入法(方法②)，即增碳劑置于爐底，再加入廢鋼，熔化后再加入回爐料 ；

3)分層加入法(方法③)，即廢鋼熔化后分批加入增碳劑，并迅速覆蓋回爐料。

試驗結果與分析

增碳工藝方法對增碳率的影響：為了探討增碳工藝對增碳率的影響，采用 150kg和500kg中頻感應電爐進行生產性試驗，試驗結果分別見表1和表 2。 

從表中可以看出，在相同的條件下，采用不同的增碳工藝方法，其增碳率 是不同的。對于150kg中頻感應電爐，采用方法②時，即壓底加入法，增碳率最高，其次是方法①和方法③ 。生產試驗表明，對于小容量電爐的增碳采用壓底加入法是可行的；而對于500kg中頻感應電爐，采用方法③時，即分層加入法，增碳率最高，其次是方法①，方法②為最低。因此在生產中，對于容量大于500kg電爐的增碳，建議采用分層加入法或中間加入法。不管是壓底加入法，還是中間加入法，或者是分層加入法，增碳劑加入時均應遵循防氧化的原則。

采用壓底法增碳時，應在超出感應圈最低位置的坩堝內進行增碳。覆蓋用料處于感應圈位置中，有利于金屬覆蓋料的熔化，使增碳劑有效地與鐵液接觸，增大增碳劑與鐵液的接觸面，促進增碳劑中的碳向鐵液態的溶解和擴散；另一方面，金屬覆蓋料的迅速熔化，有效地隔絕增碳劑與空氣的接觸面，防止增碳劑的氧化燒損，從 而提高增碳效果 。

采用中間加入法或者是分層加入法，應先在坩堝中加入一定的量的廢鋼并使之熔化，坩堝內的鐵水量應超出感應圈的最低位置方可加入增碳劑，應盡量避免鐵水量超出感應圈最高位置時增碳。這是因為：當坩堝內的鐵水量接近或超出感應圈最高位置時，增碳劑的加入，表面層鐵 水溫度下降而呈半固態，增碳劑的密度小，仍處于表面層。而加入的金屬覆蓋料處于感應圈上部位置，磁力線無法穿過，致使覆蓋料長時間處于固體狀態，降低了覆蓋效果，增碳劑會嚴重氧化而燒損 。

從表2中可以看出，增碳工藝方法相同，采用不同粒度的覆蓋用金屬料時，其增碳效果也不同。采用硅鋼片覆蓋時，增碳率比采用回爐料覆蓋時的增碳 率高出很多。這是因為：回爐料的粒度大，覆蓋效果差，增碳劑與空氣的接觸面積大，增碳劑燒損速度大于在鐵液中的熔解擴散速度，故而增碳率低；而硅鋼片的粒度較為細小，對增 碳劑具有較好的覆蓋效果，減少了增碳劑與空氣 的接觸面積，此時增碳劑在鐵液中的溶解擴散速度大于燒損速度，有效地提高了增碳率。因此，在增碳時應采用細小的覆蓋用金屬料，最大限度地提高增碳效果。

綜合表1和表2的試驗結果發現，感應電爐的容量不同，采用同樣的增碳方法，增碳吸收率也不同，容量大的比容量小的增碳率高。增碳劑溶解擴散進入鐵液的過程，實際上就是一個固相與液相的反應。增碳劑與鐵液的相界面處由 于廢鋼的碳量極低，成了增碳劑與接觸鐵液表 面的碳濃度發生很大差異，從而引起擴散 。感應電爐的容量越大，增碳劑與鐵液之間形成的擴散區域越多，提高 了增碳劑向鐵液的溶解擴散量，從而提高了增碳率。增碳劑的溶解擴散是通過增碳劑-鐵液這一擴散層(厚度用δ表示)進行的。

在一定溫度下，物質通過垂直于擴散方向截面(面積為A)的擴散速 率 v與擴散物質的濃度梯度 (C2-C1)／δ和截面積成正比。

          v=-DA（C2-C1）/δ

            式中D為擴散系數

從上式看出，欲提高增碳劑在鐵液中的擴散速率即增碳率，應采取以下措施：

1)選用粒度適中的增碳劑。鐵液增碳是在相界面發生的，增碳劑中碳擴散進入鐵液的速率與相界面積成正比，粒度越小，比表面積越大， 增碳劑與鐵液的接觸面積也越大，有利于增碳率的提高。但增碳劑的粒度過小，會增大增碳劑的氧化燒損，反而降低增碳吸收。 

2)選用含碳量高的增碳劑。式中(C2一C1)為 增碳劑中的碳含量與鐵液中的碳含量的濃度差，這個濃度差越大，碳的擴散速率也越大，增碳率也越高 。

3)增大對鐵液的攪拌。攪拌的作用是為了減小擴散層厚度，增大鐵液與增碳劑的接觸機會。從式中可以看出，減小δ值可使擴散速率增大，提高增碳效果。

調整措施 

1)若鐵液熔清后碳量不足時，可采取以下措施：①先打凈爐中熔渣，通過人工攪拌和感應電爐的電磁攪拌使碳熔解吸收達到增碳，此法吸收率在 20％~30％左右；②將增碳劑置于處理澆包底部，采用沖入法增碳，此法吸收率在20％~30％左右；③轉包法：即增碳劑隨流加入包內，然后包中鐵水再轉入爐內，此法吸收率達 50％左右 。 

2)若鐵液中含碳過高時，加入廢鋼降碳。一般每100kg鐵液中加入廢鋼2～3kg，可降低 碳量0.1％。注意在加入廢鋼的同時會引起硅量下降，此時應相應加入適量的硅鐵。 

利用廢鋼生產合成鑄鐵時，其增碳劑的加入有壓底加入法、分層加入法和中間加入法3種，不同容量的電爐應采用不同的增碳工藝方法；電爐容量越大，越有利于增碳劑的溶解擴散，增碳率超高； 當增碳劑加入后，應立即加入細小的金屬料覆蓋，避免增碳劑與空氣接觸，減少增碳劑的燒損，提高增碳效果；增碳時應盡量做到 “先增后減”：即在爐內增加鐵液中碳量，避免因鐵水中碳量不足而造成滿爐時或爐外增碳。

參考文獻： 

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