熔炼废钢合成高强度球墨铸铁方法

熔炼废钢合成高强度球墨铸铁方法

如今合成铸铁并不是什么新鲜东西，在中频电炉中大量利用废钢、钢铁屑、机杂铁、回炉料和增碳剂等低值炉料通过电炉熔炼，配合直读光谱仪在线检测技术确定其化学成分来生产合成铸铁，这一铸铁生产方法对铸造企业来说确实是不错的选择，而且由于废钢、钢铁屑等的大量使用，铸造生产成本也相应降低，新生铁等原材料价格一路疯涨的势头得到了有效遏制，极大地缓解了企业的生存压力。

本文就利用中频电炉合成高强度球墨铸铁方法结合本企业近几年来的生产实践谈谈认识。

一、生产合成铸铁的主要原材料概况

1、废钢：相对来说就是废旧的钢铁结构件、边角余料，A3、45#、40Cr等普通的含CW≤1%、 SiW≤1%、MnW≤1%、低S、低P的材料;废旧的压力容器要通过解体，薄小的废钢料要打包，零散的或者是通过打包成块的，要能直接加入到熔炉内，不能卡炉影响布料更不能残存汽、液体引起爆炸；**是不要生锈，能清除油污，国外介绍甚至要清除掉油漆和镀层的。它可以在炉料中占比到50%以上，做到少用甚至不用新生铁。

2、钢铁屑：在机加工过程中钢铁件因加工去掉的屑，其中，钢屑的化学成分与废钢相同，铁屑因铸铁的材质是普通灰铸铁还是球墨铸铁而有所不同，其主要化学成分在Cω2.5～4.0%之间，Siω1.5～3.5%之间，Mnω0.3～2.0%之间；钢铁屑碎小零散，要装袋或做成屑饼以方便司炉和节省能源，同样要清除油污和切削液，**不生锈；若散装料将会在熔炉内占较大空间，一炉铁水要多次在不同的状态、不同的温度下加料，特别是在炉料已融化、铁水已生成时再加入的铁屑料极易氧化发渣，影响熔炼过程正常进行，而即使是氧化严重的铁屑，在熔炉内没有铁水出现的早期加入，也能正常熔炼；一般情况下铸件的切削余量也即铁屑量占比不过20%左右；

3、机杂铁：拆卸的报废的机器设备钢铁零部件、机身、底座等，化学成分相对复杂，可能含有少量合金元素或非金属杂质，一般情况下可清除其中的铝、锌、铅、锡等轻质低熔点金属和铜等有色金属以及油污坭后再使用；生产时根据产品的要求其用量可以控制到20%左右，生产球墨铸铁时尽量少用或不用；

4．回炉料：就是铸造生产时产生的浇冒系统、飞边、毛刺、铁豆、锅巴铁以及废品等，其化学成分可以方便掌握，但要除掉其表面的粘砂以及除锈后才能使用。它的占比在15～20%左右；

5、增碳剂：应该说在合成铸铁的生产中增碳剂是一个比较关键的角色——熔炼过程中由于废钢量的加大，铁水含碳低，必须采用非常手段进行增碳，由此用到了增碳剂；增碳剂——无论是其材料本身还是其使用方法都对生产合成铸铁起到至关重要的作用。

5.1增碳剂中碳的存在形态

本人使用过的增碳剂有柴炭粉、焦炭粉、煤粉、石墨电极粉、煤焦油、煅烧石油焦、天然石墨压粒等，不过，不管是哪一种增碳剂，其实，起作用的只是增碳剂中的石墨碳。

自然界中碳存在的普遍形式如表1

△表1：碳在自然界中存在的普遍形式

根据增碳剂中碳的晶体结构，增碳剂可分为晶体态（石墨增碳剂）和非晶体态（非石墨增碳剂）。

石墨增碳剂主要有：石墨电极、石墨电极边角料及碎屑、天然石墨压粒等；此外，碳化硅（SiC）因其具有和石墨相似的六方结构可以看着是具有特殊形态的石墨增碳剂；非石墨增碳剂主要有沥青焦、煅烧石油焦、焦炭粉、煅烧无烟煤、柴炭等。生产上推荐使用晶体态的石墨增碳剂。

5.2增碳剂的粒度

增碳剂中的石墨熔点高达3527℃，在铁水中是不可能熔化的，只能在增碳剂被铁水完全浸润后通过熔解和扩散进入铁水中，在增碳剂与铁水的界面上过饱和的碳以石墨的形式析出并熔入铁水，在铁水中形成碳原子集团和碳分子团，随着时间的推移，石墨碳不断的在铁水中溶解、扩散形成增碳机制；所以，铁水的增碳过程就是增碳剂在铁水中不断的溶解、扩散过程，当然还包括其氧化烧损过程；增碳剂的粒度大小不同溶解扩散和氧化烧损的速度也就不同。一般情况下，增碳剂的颗粒大溶解速度慢，烧损速度小；颗粒小，溶解快、烧损大；所以选择增碳剂的粒度要根据熔炼炉的大小、容量决定。

有人推荐如下选择范围②：表2

5.3影响增碳剂使用效果的几个因素

5.3.1增碳剂本身的质量

如前所述，增碳剂是否晶体态的石墨形还是非晶体态的非石墨形，本身决定了石墨的形态，晶体态的石墨片层碳原子结合紧密，在铁水中溶解扩散后形成石墨原子集团和分子团，结构稳定，与铁水中的石墨形态相近，增碳效果明显；非晶体态的增碳剂石墨本身不稳定，增碳效果差。

5.3.2增碳剂在炉料中的分布

由于增碳剂跟铸铁相比质量要轻而其又与铸铁一样具有导磁性，其块度在炉料中又最小，在铸铁熔化的初期，受电炉磁场的影响，很容易从炉内“逸出”既影响环境又影响增碳效果；所以，一般情况下布料时尽量把增碳剂放在熔炉的中下部位，上面再加其他炉料，使其一方面在炉料刚开始熔化送电时不能外逸，另一方面只要炉内开始化铁时就能与铁液接触立即增碳；放在炉底的增碳剂还可以缓冲铁料加入时对炉底的冲击起到保护炉底炉衬的作用。如果是容量大的电炉可以分多次加入，便于增碳剂的溶解扩散和吸收。

5.3.3铁水的温度

增碳剂在铁水中增碳的过程是其石墨在铁水中溶解扩散被吸收的过程，所以增碳的过程也遵循有关扩散的理论，而且是非稳定态的扩散，即遵循所谓的“菲克第二定律”。

C——碳的浓度、D——扩散系数、ｔ——时间、x、y、z——三维空间坐标，扩散系数与时间的关系：

D0——扩散常数、Q——扩散激活能、T——温度，

也就是说除碳的浓度外，温度、时间、距离等都会影响增碳的效果。温度低时没有铁水浸润增碳剂，增碳剂不能溶解也没有扩散；只有当温度使铁材料熔化超过了1148℃铁液生成后，增碳剂才有可能完全浸泡在铁水中形成增碳的充分条件，温度再进一步升高后碳与氧发生氧化反应，增碳剂出现烧损却不利于增碳。经验是1420℃～1500℃时增碳效果**。

5.3.4熔炼操作方法

除了把增碳剂置放在熔炉的中下部，让铁水充分浸润等待增碳剂溶解扩散被吸收等，当铁水温度达到要求的温度后应该有一个2～3分钟的保温增碳时间，不要立即扒渣出水，因为增碳剂总比铁水轻，容易上浮在铁水表面，这时候若立即扒渣就会将表面的增碳剂搅和在炉渣中和炉渣一起扒出，而浪费增碳剂，影响增碳剂的使用效果。

二、合成球墨铸铁的熔炼工艺

2.1炉料配比

一般情况下，就铸造厂本身而言，铸件的浇注系统占铁水的10%左右、综合废品率产生的废品占铁水10%左右、铸件的加工余量占铸件质量的15%～20%左右，这些组成了铸造回炉料大概在30%～35%左右，这些回炉料的化学成分可以完全被生产者掌握；剩下的65%～70%的炉料可以完全用废钢，并且，可根据废钢、机杂铁、生铁的价格差异做出灵活地取舍，控制生产成本最低。

2.2加料顺序

为了确保增碳效果又保护炉衬，一般生产合成铸铁时加料顺序是：3～5%的散的钢铁屑先加入炉底垫底，60%左右的增碳剂随后加入，然后加入其余的成块的废钢、钢铁屑，再加剩下的增碳剂，最后加回炉料和硅铁、锰铁等合金材料，生产球墨铸铁时为了增加铁水中的石墨碳集团和碳分子团需要特别加10%左右的新生铁效果更好。

2.3增碳剂的加入量

除碳化硅（SiC）外，石墨增碳剂的碳含量都在90%以上，然而碳的吸收率受多方面因素的影响，一般只按70%左右计算，可以简单理解为增碳剂中只有60%左右的石墨碳被完全吸收进铁水中，这样，按6:100的比例加入时基本可以达到生产球墨铸铁所要求的碳量。

2.4化学成分的调整和最后确定

通过废钢、回炉料、增碳剂等配制合成的铁水是否符合生产要求，首先必须要经过检验，若不符合要求则必须调整以符合要求；因为炉料以废钢为主，铁水中的五大元素都低于铁的要求，增碳剂增加碳含量、硅铁增加含硅量、锰铁增加含锰量等，如此多的元素要马上检验出来马上抉择才不至于影响生产进度，光电直读光谱仪正好担当此项工作，无论国产的还是进口的，满足铸造生产已是多多有余了。用光谱仪分析，两分钟内，就能得到准确结果，通过与目标成分对比，各元素可以精准地加强控制。碳高时继续加废钢到熔炉内降碳，碳低时则继续加增碳剂增碳；硅、锰含量也根据含量结果和铁水总量分别用硅铁、锰铁调整。在铁水化学成分达到要求后，Cw3.65%～3.80%、Siw1.8%～2.0%、Mnw0.3%～0.5%、Pw≤0.7%、Sw≤0.5%按照球化处理球墨铸铁生产的工艺生产出球墨铸铁。

三、合成铸铁的生产成本

生产合成铸铁的废钢量可以加到60%以上，即多用50%以上的废钢，以目前新生铁与废钢的差价1000元/吨计算：可以节约成本500元/吨，增加100元/吨左右的增碳剂，最终降低成本400元/吨左右，如果新生铁与废钢差价大，则节约成本更多，一个生产500吨/月铸件的工厂，可以节约20万/月，只要二、三个月时间即可节约一台高级的光谱仪检测设备。

五、结束语

在中频电炉中，大量利用废钢、钢铁屑和增碳剂作为炉料，完全可以生产出合格的质量达到要求的QT600-3、QT700-3甚至QT800-3球墨铸铁产品，而且还可以降低生产成本产生巨大的经济效益。

资料来源：荆州环宇汽车零部件有限公司 高连国