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【热坛学习】利用废钢生产合成铸铁的增碳工艺及控制
所谓的合成铸铁，就是不用新生铁，只用废钢和回炉料，采用增碳的方法来调节碳量而生产的铸铁。合成铸铁的生产具有以下几个方面的特点：
1) 与普通铸铁相比，抗拉强度明显高一个牌号，并且机械性能波动范围不大。这主要是废钢中的P、S含量低，杂质少 。
2) 铸造性能好。
3) 生产成本低。近年来由于工业发达国家的废钢量供应充足，价格也比新生铁便宜，而且废钢是直接加入，无需重熔，可大大降低合成铸铁的生产成本 。
由于合成铸铁具有上述几个方面的特点，所以在生产中得到了广泛使用。但对于生产过程中的增碳技术，未见有系统研究与报导。本文试图从增碳剂的吸收效果出发，着重研究不同容量熔炼炉应采用的增碳方法及控制技术。
试验条件与要求
熔炼炉采用容量为150kg和500kg中频感应电炉，用于生产性试验。
废钢与回炉铁：废钢选用低S、低P、低Mn的碳钢，其它合金及杂物不得混入其中。回炉料使用材质相近的同类回炉料，不得将不同牌号、不同种类的回炉铁混在一起加入。
增碳剂：增碳剂的质量好坏直接影响到铁液的质量好坏，因此在生产时，对于增碳剂的选择显得至关重要。
在铸造生产中，目前应用最多的增碳剂主要有两大类：石墨化增碳剂和非石墨化增碳剂。石墨化增碳剂主要有废石墨电极、石墨压块、沥青焦、低硫煅烧石油焦、中硫煅烧石油焦和煅烧无烟煤等。非石墨化增碳剂主要有沥青焦、煅烧石油焦、煅烧无烟煤等 。硫量高的增碳剂氮含量也高，若采用此类增碳剂，灰口铁液中的含氮量往往会高出平衡浓度而产生裂隙状氮气孔，球铁铁 液则易在厚壁处产生缩松缺陷。在铸铁生产中常用的增碳剂主要以低硫、低磷的石墨化增碳剂为主。
增碳剂粒度的选择：增碳过程实质上就是碳在铁液中的溶解扩散和氧化烧损过程，增碳吸收的效果（增碳率）是增碳剂在铁液中溶解扩散速度和氧化烧损速度的综合体现。增碳剂的粒度大小不同，其溶解扩散速度和氧化烧损速度也不同。在一般情况下，增碳剂颗粒大越大烧损越小溶解扩散速度慢；反之，增碳剂颗粒小烧损大溶解扩散速度也大。在生产中增碳剂粒度的选择应根据炉膛大小和容量来综合考虑，本试验所选用的增碳剂粒度控制在0.5-3mm之间 。
增碳剂加入工艺方法的设计：为了研究加入工艺对增碳剂的吸收效果的影响，试验设计了以下3种增碳剂加入方法：
1) 中间加入法（方法①），即废钢加入熔化后，加入增碳剂，迅速覆盖回炉料；
2) 压底加入法（方法②），即增碳剂置于炉底，再加入废钢，熔化后再加入回炉料 ；
3) 分层加入法（方法③），即废钢熔化后分批加入增碳剂，并迅速覆盖回炉料。
试验结果与分析
增碳工艺方法对增碳率的影响：为了探讨增碳工艺对增碳率的影响，采用150kg和500kg中频感应电炉进行生产性试验，试验结果分别见表1和表 2。
从表中可以看出，在相同的条件下，采用不同的增碳工艺方法，其增碳率是不同的。对于150kg中频感应电炉，采用方法②时，即压底加入法，增碳率最高，其次是方法①和方法③ 。生产试验表明，对于小容量电炉的增碳采用压底加入法是可行的；而对于500kg中频感应电炉，采用方法③时，即分层加入法，增碳率最高，其次是方法①，方法②为最低。因此在生产中，对于容量大于500kg电炉的增碳，建议采用分层加入法或中间加入法。不管是压底加入法，还是中间加入法，或者是分层加入法，增碳剂加入时均应遵循防氧化的原则。
采用压底法增碳时，应在超出感应圈最低位置的坩埚内进行增碳。覆盖用料处于感应圈位置中，有利于金属覆盖料的熔化，使增碳剂有效地与铁液接触，增大增碳剂与铁液的接触面，促进增碳剂中的碳向铁液态的溶解和扩散；另一方面，金属覆盖料的迅速熔化，有效地隔绝增碳剂与空气的接触面，防止增碳剂的氧化烧损，从而提高增碳效果。
采用中间加入法或者是分层加入法，应先在坩埚中加入一定的量的废钢并使之熔化，坩埚内的铁水量应超出感应圈的最低位置方可加入增碳剂，应尽量避免铁水量超出感应圈最高位置时增碳。这是因为：当坩埚内的铁水量接近或超出感应圈最高位置时，增碳剂的加入，表面层铁水温度下降而呈半固态，增碳剂的密度小，仍处于表面层。而加入的金属覆盖料处于感应圈上部位置，磁力线无法穿过，致使覆盖料长时间处于固体状态，降低了覆盖效果，增碳剂会严重氧化而烧损。
从表2中可以看出，增碳工艺方法相同，采用不同粒度的覆盖用金属料时，其增碳效果也不同。采用硅钢片覆盖时，增碳率比采用回炉料覆盖时的增碳率高出很多。这是因为：回炉料的粒度大，覆盖效果差，增碳剂与空气的接触面积大，增碳剂烧损速度大于在铁液中的熔解扩散速度，故而增碳率低；而硅钢片的粒度较为细小，对增碳剂具有较好的覆盖效果，减少了增碳剂与空气 的接触面积，此时增碳剂在铁液中的溶解扩散速度大于烧损速度，有效地提高了增碳率。因此，在增碳时应采用细小的覆盖用金属料，最大限度地提高增碳效果。
综合表1和表2的试验结果发现，感应电炉的容量不同，采用同样的增碳方法，增碳吸收率也不同，容量大的比容量小的增碳率高。增碳剂溶解扩散进入铁液的过程，实际上就是一个固相与液相的反应。增碳剂与铁液的相界面处由于废钢的碳量极低，成了增碳剂与接触铁液表面的碳浓度发生很大差异，从而引起扩散。感应电炉的容量越大，增碳剂与铁液之间形成的扩散区域越多，提高了增碳剂向铁液的溶解扩散量，从而提高了增碳率。增碳剂的溶解扩散是通过增碳剂-铁液这一扩散层（厚度用δ表示）进行的。
在一定温度下，物质通过垂直于扩散方向截面（面积为A）的扩散速率v与扩散物质的浓度梯度（C2-C1）／δ和截面积成正比。
v=-DA（C2-C1）/δ
式中D为扩散系数。
从上式看出，欲提高增碳剂在铁液中的扩散速率即增碳率，应采取以下措施：
1) 选用粒度适中的增碳剂。铁液增碳是在相界面发生的，增碳剂中碳扩散进入铁液的速率与相界面积成正比，粒度越小，比表面积越大， 增碳剂与铁液的接触面积也越大，有利于增碳率的提高。但增碳剂的粒度过小，会增大增碳剂的氧化烧损，反而降低增碳吸收。
2) 选用含碳量高的增碳剂。式中（C2一C1）为增碳剂中的碳含量与铁液中的碳含量的浓度差，这个浓度差越大，碳的扩散速率也越大，增碳率也越高 。
3) 增大对铁液的搅拌。搅拌的作用是为了减小扩散层厚度，增大铁液与增碳剂的接触机会。从式中可以看出，减小δ值可使扩散速率增大，提高增碳效果。
调整措施
1) 若铁液熔清后碳量不足时，可采取以下措施：①先打净炉中熔渣，通过人工搅拌和感应电炉的电磁搅拌使碳熔解吸收达到增碳，此法吸收率在 20％~30％左右；②将增碳剂置于处理浇包底部，采用冲入法增碳，此法吸收率在20％~30％左右；③转包法：即增碳剂随流加入包内，然后包中铁水再转入炉内，此法吸收率达 50％左右。
2) 若铁液中含碳过高时，加入废钢降碳。一般每100kg铁液中加入废钢2～3kg，可降低碳量0.1％。注意在加入废钢的同时会引起硅量下降，此时应相应加入适量的硅铁。
利用废钢生产合成铸铁时，其增碳剂的加入有压底加入法、分层加入法和中间加入法3种，不同容量的电炉应采用不同的增碳工艺方法；电炉容量越大，越有利于增碳剂的溶解扩散，增碳率超高；当增碳剂加入后，应立即加入细小的金属料覆盖，避免增碳剂与空气接触，减少增碳剂的烧损，提高增碳效果；增碳时应尽量做到 “先增后减”：即在炉内增加铁液中碳量，避免因铁水中碳量不足而造成满炉时或炉外增碳。
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