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，價格日趨上漲。可供資源將持續(xù)緊張，高位運(yùn)行，勞動力成本持續(xù)上行的趨勢形成，可以斷定一個鑄造高成本的時代來臨。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。
電爐熔煉合成鑄鐵的關(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)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?/p>
1.1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)體中原子排列緊密的一種。金剛石是莫氏硬度值為10，硬度約為10000kgf/mm。
1.1.2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、吉林等省（區(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，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。
1.1.3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。
2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，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，能改善鐵液凝固后的組織和性能。
增碳速度是單位時間內(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。
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石墨電極的增碳效率較快，在電爐熔煉時，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%。
3晶體石墨增碳劑對鑄件微觀組織及質(zhì)量的影響
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