1. 生产合成铸铁的主要原料概述

1、废钢是指废钢结构、边角料、A3、45#、40Cr等普通材料含CW≤1%、SiW≤1%、MnW≤1%、S、P含量低；废旧压力容器应拆解，薄、小废钢料应包装好。散落或包装成块，应能直接加入炉内，不应卡在炉内影响物料的分布，不应有残留蒸汽或液体引起爆炸；最好不要生锈，油污要清除干净，据国外报道，甚至油漆、涂层也要清除干净。可占炉料的50%以上，以少用甚至不用新铁为目的。

2、钢铁废料是钢件在机械加工过程中切下的废料。钢铁废料的化学成分与废钢相同。铁屑根据铸铁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CW2.5-4.0%、SiW1.5-3.5%、MnW0.3-2.0%之间。钢铁废料体积小、分散，应装袋或制成废饼，以方便炉内操作和节约能源，并应清除油污和切削液，最好没有锈蚀。如果使用块状材料，它们会占据炉内很大的空间。一炉铁水要在不同状态、不同温度下多次装入。特别是在炉料已熔化并生成铁水时加入的铁屑，极易氧化结渣，影响正常的冶炼过程。即使是严重氧化的铁屑，如果在炉内没有铁水时及早加入，也能正常冶炼，正常情况下铸件的切削余量也就是铁屑的量只占20%左右；

3、拆解的机械设备报废钢件、机身、底座等化学成分比较复杂，可能含有少量合金元素或非金属杂质，一般除去铝、锌、铅、锡等轻质低熔点金属和铜等有色金属以及油污后方可使用。生产时，可根据产品要求控制在20%左右。生产球墨铸铁时，尽量少用或不用铁。

4、回料为铸造生产过程中产生的铸件系统、飞边、毛刺、铁豆、锅铁、废品等，其化学成分较易掌握，但需除去表面的砂粒、铁锈后方可使用，约占15-20%；

5、增碳剂应该说增碳剂在合成铸铁的生产中起着关键的作用——由于冶炼过程中废钢量的增加，而铁水含碳量又较低，必须采用非常手段来增加碳，从而使用增碳剂；增碳剂——无论是材料本身还是其使用方法，在合成铸铁的生产中都起着至关重要的作用。

5.1

增碳剂中碳的存在形式

我用过的增碳剂有木炭粉、焦粉、煤粉、石墨电极粉、煤焦油、煅烧石油焦、天然石墨球等。但不管是哪种增碳剂，实际上只有增碳剂中的石墨碳起作用。自然界中碳的常见形态如表1所示。石墨与金刚石为同素异形体，均为结晶碳，即所谓“固定碳、结晶碳”；木炭、焦炭等为非晶态碳，焦炭是由煤和石油焦经干馏提取挥发分而得。其实它与石墨具有同样的微观结构。石墨碳具有均匀的六方晶体结构，晶体为多层排列结构，层内碳原子呈六边形排列。每个碳原子与其它三个碳原子以σ键在同一平面上结合，形成无限的六边形蜂窝状平面结构层并生成较大的л键，使л电子在整个碳原子平面方向上都具有活性，类似金属键的性质。同层原子间的结合能很强，而层间则靠分子间相互作用力结合，结合能较弱。因此，石墨晶体既具有共价键性质，又具有金属键性质，又具有层间结合的分子间力，属于混合键晶体。由于碳原子在层内结合力强，层间结合力弱，这种结晶特性使石墨具有很强的各向异性，易于以层状滑移方式向多个方向生长。无定形碳也具有六边形层状结构，但与石墨相比，其六边形排列不完整，层间距离较大，结合力较弱。铁水中的石墨碳以“原子团”和碳分子形式存在①，其分子式为CmFe、(C6)n、C6、C2等。石墨碳在铁水中的成核、长大对铸铁的力学性能有决定性的影响。无论何种增碳剂，其中的碳几乎都是以石墨形式存在，即以六方晶体结构层状形式存在。区别在于是非晶态碳还是结晶碳。因此，根据增碳剂中碳的晶体结构，可将增碳剂分为结晶态和非晶态；结晶态的称为石墨增碳剂，非晶态的称为非石墨增碳剂。石墨类增碳剂主要有：石墨电极、石墨电极碎料及碎片、天然石墨球等。另外，碳化硅（SiC）因具有与石墨相似的六方结构，可视为一种特殊形态的石墨增碳剂；非石墨类增碳剂主要有沥青焦、煅烧石油焦、焦粉、煅烧无烟煤、木炭等，生产中建议使用晶质石墨增碳剂③。

5.2

增碳剂粒度

增碳剂中的石墨熔点高达3527℃，在铁水中是不可能熔融的，只有增碳剂被铁水完全浸润后，才能通过熔融、扩散进入铁水中。增碳剂与铁水界面处的过饱和碳以石墨形式析出并熔入铁水中，在铁水中形成碳原子团和碳分子团。随着时间的推移，石墨碳不断溶解、扩散在铁水中，形成增碳机理；因此，铁水的渗碳过程就是增碳剂在铁水中不断溶解、扩散的过程，当然还包括其氧化、燃烧的过程；不同粒度的增碳剂溶解、扩散和氧化、燃烧的速度是不同的，一般来说，增碳剂的颗粒越大，溶解速度越慢，燃烧速度也越慢；颗粒越小，溶解速度越快，燃烧速度越大；所以增碳剂的粒度要根据冶炼炉的大小和容量来选择，有人建议选择范围：电炉容量（吨）≤11~33~10增碳剂颗粒（mm）0.5~2.52.5~55.0~20

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，增碳剂是晶态石墨还是非晶态非石墨，决定了石墨的形貌。晶态石墨薄片中碳原子结合紧密，在铁水中溶解、扩散后，形成石墨原子团和分子团簇，结构稳定，与铁水中石墨形貌相似，增碳效果明显。非晶态增碳剂石墨本身不稳定，增碳效果较差。

5.3.2 增碳剂的粒度如上。

5.3.3 增碳剂在炉料中的分布由于增碳剂比铸铁轻而且和铸铁一样具有导磁性，其块度在炉料中是最小的，在铸铁熔化初期，受电炉磁场的影响，很容易从炉中“逸出”，既影响环境，又影响渗碳效果；所以一般在摆放炉料时，尽量将增碳剂摆放在炉子的中下部，其它炉料在上面加，这样一方面在炉料刚开始熔化通电时增碳剂不能逸出，另一方面在炉子开始熔铁时又能与铁水接触并立即渗碳；摆放在炉底的增碳剂，还可以缓冲加入时铁料对炉底的冲击，起到保护炉底和炉衬的作用。如果是大容量电炉，可以分多次加入，以利于增碳剂的溶解、扩散和吸收。

5.3.4铁水温度增碳剂在铁水中渗碳的过程，就是石墨在铁水中溶解、扩散、被吸收的过程。因此，渗碳过程也遵循扩散理论，是一种非稳态扩散，也就是遵循所谓“菲克第二定律”。也就是说，除了碳的浓度外，温度、时间、距离等都会影响渗碳的效果。温度较低时，没有铁水浸泡增碳剂，增碳剂不能溶解或扩散；只有当温度使铁料熔化，超过1148℃时，生成铁水，增碳剂才能完全浸入铁水中，形成渗碳的充分条件。当温度进一步升高时，碳与氧发生氧化反应，增碳剂就会烧损，不利于渗碳。经验表明，在1420℃~1500℃时渗碳效果最佳。

5.3.5熔炼操作方法除将增碳剂置于炉子的中下部，让铁水充分浸润，等待增碳剂溶解、扩散和吸收外，当铁水温度达到要求的温度时，应有2-3分钟的保温增碳时间。不要立即除去炉渣和水，因为增碳剂总是比铁水轻，容易浮在铁水表面，如果此时立即除去炉渣球墨铸铁用废钢的作用，表面的增碳剂就会与炉渣混合，随炉渣一起除去，既浪费了增碳剂，又影响了增碳剂的使用效果。

2.合成球墨铸铁的冶炼工艺

2.1炉料配比一般来说，对于铸造厂本身而言，铸件的浇注系统约占铁水的10%，综合废品率产生的废料约占铁水的10%，铸件的机械加工余量约占铸件质量的15%～20%。这些构成了铸件回料的30%～35%左右，这些回料的化学成分完全可以由生产者控制；其余65%～70%的炉料可以完全由废钢组成，并可根据废钢、机制铁、生铁的价格差异灵活选择，将生产成本控制到最低。

2.2加料顺序为保证渗碳效果和保护炉衬，生产合成铸铁一般加料顺序为：炉底先加入3-5%的松散钢屑，接着加入60%左右的增碳剂，然后是其余的废钢、钢屑，再加入剩余的增碳剂，最后加回炉料和硅铁、锰铁等合金材料。生产球墨铸铁时，为增加铁水中的石墨碳团和碳分子团，需加入10%左右的新铁，效果更佳。

2.3增碳剂的添加量除碳化硅（SiC）外，石墨增碳剂的含碳量都在90%以上。但碳吸收率受多种因素影响，一般只按70%左右计算。可以简单理解为增碳剂中石墨碳只有60%左右完全吸收到铁水中。这样按6：100的比例添加，基本就能达到生产球墨铸铁所需的碳含量。

2.4化学成分的调整与最终确定用废钢、回收料、增碳剂配制的铁水是否符合生产要求，首先要检验，如不符合要求，必须调整至符合要求；因为炉料主要是废钢，铁水中五种元素低于铁的要求，增碳剂增加碳含量，硅铁增加硅含量，锰铁增加锰含量球墨铸铁用废钢的作用，这么多元素必须马上化验、决定，以免影响生产进度。光电直读光谱仪就是干这个活的，不管是国产的还是进口的，满足铸造生产绰绰有余。用光谱仪进行分析，两分钟之内就能得到准确的结果，通过与目标成分对比，可以精确控制每种元素。碳高时，继续往炉内加入废钢，降低碳。碳低时，继续加入增碳剂，增加碳。硅、锰含量也根据含量结果及铁水总量用硅铁、锰铁进行调整，铁水化学成分达到要求后，按球化球铁生产工艺生产Cw3.65%~3.80%、Siw1.8%~2.0%、Mnw0.3%~0.5%、Pw≤0.7%、Sw≤0.5%。

3.合成铸铁的组织与力学性能

3.1合成铸铁的组织由于合成铸铁采用大量石墨增碳剂来增碳，导致原始铁水中存在大量的高碳微区和低碳微区。高碳微区使合成铸铁具有较高的石墨化能力，而低碳微区则使铁水具有很强的形成初生奥氏体的能力。低碳微区越多，奥氏体枝晶越发达，晶粒越细小、均匀，越容易与后来生成的共晶奥氏体形成细小的三维网络。在随后的冷却过程中，由奥氏体转变而来的珠光体也非常细小。同时，奥氏体周围的铁水增碳非常快。当达到过共晶成分时，在共晶温度以上就能析出石墨核，从而提高铁水的石墨化能力，有利于提高铸铁的强度，改善铸件的切削性能①。晶态石墨的碳化，还能明显增加铁水中石墨核的数量，从而改善石墨形核和长大的条件，使石墨化更加完全，减少游离渗碳体，降低白口铸铁倾向，提高强度，使硬度更加均匀。在合成铸铁铁水中，大量增碳剂的存在，使铁水中生成大量弥散、均匀、异质的晶核，降低铁水的过冷度，促使以A型石墨为主的石墨组织形成；同时由于加入生铁量少或者不含生铁，大大削弱了生铁的遗传作用，所以A型石墨片状分枝良好，不易长大，变得细小而均匀，更好地提高了铸件的切削性能。

3.2合成球铁的性能由于废钢增加，合成铸铁少用或不用生铁，较好地抑制了生铁的遗传性，提高了铸件的综合力学性能，提高了抗拉强度，提高了硬度③。合格的QT600-3曲轴系列产品已批量生产，几乎全部超过QT600-3。省略一组记录表。

4.合成铸铁的生产成本

合成铸铁生产中废钢的利用率可提高到60%以上，也就是多利用50%的废钢。以目前新生铁与废钢1000元/吨的价差计算，可节省成本500元/吨，增碳剂成本增加100元/吨左右，最终可降低成本400元/吨左右。如果新生铁与废钢价差较大，则节省的成本就更多了。一个月产500吨铸件的工厂，每月可节省20万元，一台先进的光谱仪检测设备，仅需两三个月即可节省。

五、结论

在中频电炉中，大量使用废钢、废钢、增碳剂等作为炉料，完全可以生产出符合要求质量的合格QT600-3、QT700-3乃至QT800-3球铁产品，还可以降低生产成本，产生巨大的经济效益。（摘自力邦新材料）

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