摘要：由于廢鋼價格比新生鐵價格低，現在已經廣泛的使用廢鋼加增碳劑工藝生產鑄鐵，即“合成鑄鐵”。不但鑄鐵的化學成分和溫度便于控制，由于增碳劑的孕育作用，還可以提高鑄件的綜合物理性能質量，降低生產成本。

關鍵詞： 增碳劑；合成鑄鐵；氮含量；增碳劑吸收因素

一、合成鑄鐵的概況

由于鑄件市場競爭激烈，且對鑄件質量要求越來越高，而價格卻是低來越低，另外由于環保要求越來越嚴格，很多地方的政府已經禁止用沖天爐熔煉鐵液。從原材料的價格上來說，由于廢鋼在社會上沉淀存留量較多，廢鋼價格比新生鐵價格低的多，所以這幾年廣泛地用廢鋼加增碳劑的方法生產鑄鐵，即“合成鑄鐵”。在生產過程中如果工藝操作正確，不但鑄鐵的化學成分和溫度便于控制，還可以提高鑄件的綜合物理性能，同時也可以降低鑄件的生產成本。在合成鑄鐵技術不斷發展、不斷完善的過程中，廢鋼的加入量也越來越多，從最初加入量約40%，現在已經提高到80%，電爐熔煉鑄鐵不像沖天爐那樣有增碳源，為了得到合格的含碳量，添加增碳劑是必不可少的措施，這樣增碳劑的選擇和使用方法，將對改善鑄鐵組織，提高鑄鐵的綜合物理性能是至關重要的問題。

二．常用增碳劑的種類

增碳劑的種類很多，可以用作鑄鐵增碳劑的材料也很多，生產增碳劑的工藝也不同，質量懸殊很大，價格差也很大，在保證鑄件質量的前提下，應根據鑄件的幾何形狀和質量要求，正確的選擇增碳劑。

優質增碳劑一般經過石墨化，即在高溫條件下，碳原子的排列呈石墨的微觀形態，如附圖所示。

增碳劑石墨化

根據大多數工廠的使用情況，結合筆者在生產過程中使用增碳劑的體會，僅簡單介紹兩種常用的增碳劑。

1.人造石墨

在常用的增碳劑中，人造石墨是品質最好的增碳劑。

制造人造石墨的主要原料是粉狀的優質煅燒石油焦，在其中加入少量其他輔料。原料配齊后壓制成形，然后經2500～3000℃、非氧化性氣氛中處理，使之石墨化。經高溫處理后，灰分、硫、氣體含量都大幅度減少。由于其生產工序多及生產周期較長，所以價格較高。

鑄造廠常用的人造石墨增碳劑，大都是制造石墨電極時的切屑，廢舊電極和石墨塊等循環利用的材料。

2.煅燒石油焦

煅燒石油焦是目前廣泛使用的增碳劑。

石油焦是精煉原油得到的副產品。原油經過常壓蒸餾或減壓蒸餾得到的油渣及石油瀝青，都可以作為制造石油焦的原料，再經焦化后就得到生石油焦。生石油焦中的雜質含量高，不能直接用作增碳劑，必須先經過煅燒處理。石油焦的煅燒是為了脫除硫、水分和揮發物。將生石油焦在1200～1350℃煅燒，可以使其成為基本純凈的碳。各種石油焦制品的成分列于表1（供參考）。

有資料介紹：①普通煅燒石油焦增碳劑，其因為沒有經過高溫煅燒，或煅燒溫度偏低、時間偏短，氮含量一般在9000ppm左右（1ppm=10﹣6），硫含量也高，在白紙上無法畫出清晰的痕跡。②高溫煅燒石油焦增碳劑，氮含量在300～500ppm，硫比前者低很多。在白紙上可以留下清楚痕跡。③質量最好的高溫煅燒石油焦增碳劑，氮含量在100ppm。硫比前者更低。在白紙上可以留下清晰痕跡，手感舒適，就像6B鉛筆一樣。

根據筆者走訪幾個工廠所知：很多企業在購買增碳劑時，往往注意的一是增碳劑的價格，二是增碳劑中的固定碳、硫、灰分、揮發分、水分的含量，這些對穩定產品質量和降低生產成本固然是重要的，但往往忽視了一個重要的參數，那就是增碳劑中的“氮”含量。

氮在鑄鐵中的作用具有兩面性：有資料介紹，氮含量每增加10ppm，灰鑄鐵的強度可提高5～7MPa，同時硬度可增加3～4HBW。一般認為，當氮含量在70～120ppm，可以使石墨變短并具有尾部鈍化的作用。氮能強化珠光體基體，提高鑄鐵力學性能，但當鑄鐵的含氮量超過臨界點（一般認為約140ppm）時，就會使鑄件產生氮氣孔。

近年，雖然國外尤其是日本很多企業，要求鑄鐵的氮含量在60～120ppm，鈦含量要求小于0.025%。但是，氮畢竟是惰性氣體。

通常氮以三種形態存在于鑄鐵中：一是溶于液態或固態鑄鐵中；二是與鐵液中的元素形成氮化物；三是從鐵液中析出，以單質氣體的形式存在，形成氣孔。有資料介紹：爐料中廢鋼的使用量為15%時，鑄鐵中的氮含量約為0.003%～0.005%；爐料中廢鋼的使用量為50%時，鑄鐵中的氮含量約為0.008%～0.012%；爐料全部為廢鋼時，氮含量可能高達0.014%以上。由于廢鋼的加入量不斷增加，增碳劑的加入量也不斷增加，所以必須重視增碳劑中的氮含量。為了避免鑄件出現氣孔缺陷，在購買增碳劑時，一定要選購含氮量低的品種，如有可能，應檢測增碳劑中的氮含量?，F在，不要說增碳劑中的氮含量，就是鑄鐵中的氮含量，很多企業都不能準確地進行分析。根據筆者的經驗，在購買增碳劑時，要購買大型企業的產品，可以在購買前到生產廠家去考察，到已經使用過的用戶處去了解，一旦使用后鑄件質量穩定，就不要輕易的更換客戶，即便是固定的客戶，在又一次批量進貨時，也要先試用幾爐，確定對鑄件質量沒有影響時，再批量使用。

3.案例分析

（1）案例一  我公司和駐馬店某大型鑄造企業，長期以來一直使用舞鋼市某公司生產的增碳劑，產品質量很穩定，后間斷使用SD某公司生產的增碳劑，鑄件加工后成批出現氣孔，嚴重時鑄件落砂后就可以發現。金相分析：氣孔周圍沒有石墨，邊緣白亮，呈“貧碳”現象。與“?？蠂H貿易（上海）有限公司”提供的金像圖譜相對比，應該屬于氮氣孔。表2為出現氣孔爐次化學成分檢驗結果。

（2）案例二  河北滄州孟村縣某廠，生產建筑扣件，選用的材質是QT450—10。球墨鑄鐵的wC控制在3.5%~3.7%， CE控制在4.5%~4.6%。其配料及化驗結果見表3。

根據表2，計算增碳劑的吸收率：

不計燒損增碳劑應代入碳量＝95%×3.8%=3.61%

不計燒損所有爐料應代入碳量＝3.61%+0.7%+0.225%=4.535%

增碳劑實際代入碳＝3.3%-0.7%-0.225%＝2.375%

增碳劑的吸收率＝{1-［3.61（%）-2.375（%）］÷3.61（%）}×100%≈66%

需要說明的是，這種煤質增碳劑的吸收率不僅低，而且在爐料熔化完畢，且清理完畢爐口熔渣時，如果因故需要停電或降低功率時，懸掛在爐壁上未熔的增碳劑，就會漂起來布滿液面；另外不僅鑄件上有氣孔，即便是澆注時掉到砂箱上的跑鐵，厚5mm左右，斷口上也會有幾個小氣孔。

更換為石墨增碳劑后，增碳劑的吸收率在85%左右，不僅減少了增碳劑的加入量，而且也消除了上述的氣孔現象。

順便淺談一下對使用煤質增碳劑認識：由于煤的含碳量低，含硫高，燃點低（無煙煤700℃），煤質增碳劑的煅燒溫度在800℃左右，其石墨化時碳原子為無序雜亂排列，碳原子相互勾連，不易擺脫本體。增碳劑宏觀組織致密，質地光滑堅硬，且含雜質多，所以其溶解速度慢、吸收率低。

碳原子經過高溫處理，隨著溫度的提高，碳原子的排列由混亂無序到逐漸地排列有序。無煙煤燃點低，很難進行高溫煅燒，沒有經過高溫煅燒處理，所以不僅含的雜質高，而且還保留著原始的粗大石墨。這些粗大的原始石墨（片），熔點高、穩定性強，在用中頻感應電爐熔煉過程中，是無法徹底消除的，這就是通常所說的“遺傳性”。這些沒有徹底消失的粗大石墨，在鐵液凝固時，就形成了最早的石墨核，隨著其他石墨一起長大，其粗大的石墨形態如同蝌蚪狀，叫做“C”型石墨。李傳栻在《用感應電爐熔煉灰鑄鐵時的一些冶金特點》一文提出，新生鐵的用量不要大于20%，就是擔心新生鐵中的粗大石墨，不能夠徹底的溶解，而產生“遺傳性”。生產配料中添加新生鐵還擔心“遺傳性”呢，更何況煤中的碳原子，其“遺傳性”就更大，會影響鑄件的物理性能，即便沒有馬上反映出來，但工件在服役過程中，這些粗大的石墨片也就可能成為裂紋源，影響鑄件的疲勞強度而產生斷裂。由于煤質增碳劑的組織致密，碳原子排列混亂，其被吸收的速度慢，易漂浮在鐵液表面，不能吸收的部分，由于沒有徹底熔化，在電磁攪拌的作用下，或掛在爐壁上，或夾裹在鐵液中，使鑄件形成夾渣、碳化物孔洞等。鐵液在凝固過程中，由于石墨膨脹，在沒有熔化的增碳劑顆粒位置處，就易形成氣孔、氣縮孔。

三、影響增碳劑吸收的因素

（1）增碳劑的自身質量  建議使用煅后石油焦增碳劑或者石墨化增碳劑，即人造石墨。

（2）鐵液的含碳量  一般情況下，鐵液的含碳量越低，增碳劑的吸收率越高，當鐵液的wc在3.6%以上時，再增碳就困難了。

（3）鐵液的含硅量  鐵液中硅的含量越高，越影響增碳劑的吸收，這是因為硅具有排碳作用，降低了碳在鐵液中的溶解度。

（4）鐵液的含錳量  原鐵液中的錳含量高，有利于增碳劑的吸收。

有資料介紹，初始碳量每增加0.1% , 增碳劑吸收率降低 1 %～2 %；硅量每增加0.11% , 增碳劑吸收率降低3 %～4 %；硫量每增加0.1% , 增碳劑吸收率降低1 %～2 %；錳量每增加0.1 % ,增碳劑吸收率提高2 %～3 %。由此可見, 當鐵液中初始碳含量高時, 在一定的溶解極限下, 增碳劑的吸收速度慢，吸收量少, 燒損相對較多, 增碳劑吸收率低。當鐵液初始碳含量較低時, 情況相反。另外, 鐵液中硅和硫阻礙碳的吸收, 降低增碳劑的吸收率。而錳元素有助于碳的吸收, 提高增碳劑吸收率。就影響程度而言, 硅最大, 錳次之, 碳、硫影響較小。因此, 在實際生產過程中, 應先增錳, 再增碳, 最后增硅。

（5）爐料和鐵液質量  熔煉中防止鐵液嚴重氧化。

（6）爐工操作  增碳劑還沒有被吸收，就不停的往外挑渣，把增碳劑和熔渣一起挑出來。

（7）加入時間及加入方法  增碳劑不要先加入爐底，由于增碳劑的熔點高，其是依靠鐵液的包圍被緩慢的分解吸收的，所以如果直接加入爐底，不但延長增碳劑的分解時間，集聚的高溫還可以將爐底燒成海綿狀，甚至將爐底燒穿。應在爐底有少量鐵液時，增碳劑隨廢鋼一起加入，力爭在爐料加入3／5時，把計算的增碳劑加入完畢。

（8）爐溫控制  在正常的生產條件下，鐵液溫度較高（約1380℃），則碳較易溶于鐵液，增碳效率因而較高。

四、增碳劑的加入方法

我們知道用感應電爐熔煉爐料，是由感應圈經導電產生磁場，在爐料中產生電渦流，由電渦流發熱藉以熔化爐料。

廢鋼的熔點比鑄鐵高，增碳劑的熔點更高，當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”。

感應電爐在熔煉鐵液過程中，具有電磁攪拌摩擦的特性。鐵液過熱溫度高，過熱時間長，且又有感應電流的攪拌摩擦，鐵液中微細的晶態石墨即自發晶核和外來結晶核心，都會逐漸溶于鐵液而消失，或浮經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晶時作為石墨外來晶核的物質大幅度減少。

由于使用中頻感應電爐不但沒有增碳源，而且碳還有燒損，所以為了得到合格的含碳量，添加增碳劑是必不可少的措施。在熔煉中，正確的操作方法，對鐵液質量和增碳劑的吸收率也時至關重要的。具體操作方法如下：先在爐底加入30~50kg新生鐵或回爐料→少量廢鋼→（有鐵液后）增碳劑＋廢鋼→生鐵＋回爐料。

結語

用廢鋼加增碳劑生產合成鑄鐵，在選用增碳劑時，要根據廢鋼的加入量來選擇增碳劑，如果廢鋼的加入量少，可以選擇含氮量適當高的增碳劑；如果廢鋼的加入量多，可以選擇含氮量低的增碳劑。優質的增碳劑，不但具有增碳作用，還具有對鐵液的孕育作用。由于氮畢竟是氣體，且不易檢測和控制，所以在購買增碳劑時，力爭購買含氮量低的增碳劑為好。