铸件冶金质量的考究
冲天炉熔炼铸铁时，熔融的铁以液滴经过灼热的底焦，增碳效果很好，通常能够经过调整底焦高度、控制炉料配比和铁液温度来控制增碳量，有必要采用增碳剂的状况很少。
感应电炉熔炼铸铁时，炉内没有碳源，炉料中废钢的用量又多，增碳剂普通都是必不可少的。增碳剂的种类及其特征，不只影响增碳效率，对铸件的冶金质量也有重要的影响。
一、铁液中的碳
碳在常压下的熔点为3550℃，沸点为4194℃，3500℃开端升华，是熔点最高的元素。在常温下，各种含碳资料中的碳根本上都不具活性，在高温下却有很强的反响才能。在有氧的条件下加热，无定形碳在350℃以上就会发作氧化反响，石墨则在450℃以上发作氧化反响。碳氧化所产生的CO2在高温下是不稳定的，易于释放氧而构成CO。大气中的CO2在1000℃下根本上都转变为CO，残留的CO2不到1％。
铁液中的碳，主要以两种状态存在：
一种是溶于铁液中，称之为溶解碳
另一种是以亚微观的颗粒悬浮于铁液中，也称为游离碳，其形态是晶态石墨。
灰铸铁铁液凝固过程中，溶解碳主要以石墨的形态析出，少量固溶于共晶奥氏体。共析转变时，固溶于奥氏体中的碳，一局部以化合碳Fe3C析出，一局部扩散到已构成的石墨上。常温下，除合金含量高的奥氏体铸铁外，固溶于铁中的碳很少。
凝固后的铸铁中碳含量的测定值，是其中化合碳量、游离碳含量和少量固溶碳量的总和。
浇注铁液制成的铸件中，微观组织中化合碳的含量，化合碳的形态和弥散水平，游离碳的形态和尺寸，都取决于铸铁的化学成分、铁液的过热水平、铁液的处置过程和铸件的冷却速率。关于控制铸铁质量，这些都是至关重要的问题。
除此以外，在高温下，铁液中的碳易于被氧化成为CO，所以有人以为铁液中的碳也是一种“气体构成元素”。CO在铁液中的溶解度很小，构成后即释放于临近液面的大气中。
铁液中硅含量高，则溶解于其中的碳以石墨析出的倾向大，在这种条件下，要使铁液增碳当然艰难。铁液中硅含量低，增碳就比拟容易。因而，铸铁熔炼过程中的增碳应在增硅以行进行。
对铸铁停止孕育处置时，细小的孕育剂弥散散布，产生大量硅浓度高的微区，促使该处的 碳以微细的晶态石墨析出，构成铁液共晶凝固阶段的石墨化中心。铁液经孕育处置后，随着放置时间的延长，高浓度的硅又逐步向周边扩散，硅浓度降低后，微细的晶态石墨又会逐步溶于铁液，孕育作用也就随之逐步衰退。
为了使铸铁组织中石墨的形态和尺寸契合请求，铁液中必需有这样的微细晶态石墨，作为共晶凝固时的石墨化晶核。除此以外，铁液中还需求氧化物、硫化物、硫氧复合化合物之类的夹杂物，作为石墨的外来晶核。
假如铁液在感应电炉中坚持时间很长（20小时以上），由于长时间处于高温状态，又有感应电流的搅拌作用，微细的晶态石墨和外来结晶中心都逐步溶于铁液，石墨化的中心大幅度减少。这样的铁液，过冷度很大，对孕育处置的回应才能极差，不可能经过孕育处置使铸铁具有契合请求的微观组织，因此，即便化学成分完整契合请求，也不能用以浇注铸件。这种缺乏石墨结晶中心的铁液，美国通常称之为“周一晨间铁液（Monday morning iron）”，由于，大型感应电炉中储存的铁液，经周末休假后，周一上班时就是这种情况。这是一个令人非常头痛的问题，目前，处置周一晨间铁液的办法是：参加废钢使铁液激冷，同时参加硅铁，以促进析出微细的晶态石墨，增加石墨化所必需的中心。
二、增碳剂
能够用作铸铁增碳剂的资料很多，常用的有人造石墨、煅烧石油焦、自然石墨、焦炭、无烟煤以及用这类资料组配成的混合料。
1、人造石墨
上述各种增碳剂中，质量最好的是人造石墨。
制造人造石墨的主要原料是粉状的优质煅烧石油焦，在其中加沥青作为粘结剂，再参加少量其他辅料。各种原资料配合好以后，将其压制成形，然后在2500～3000℃、非氧化性氛围中处置，使之石墨化。经高温处置后，灰分、硫、气体含量都大幅度减少。
由于人造石墨制品的价钱昂贵，铸造厂常用的人造石墨增碳剂大都是制造石墨电极时的切屑、废旧电极和石墨块等循环应用的资料，以降低消费本钱。
熔炼球墨铸铁时，为使铸铁的冶金质量上乘，增碳剂宜首选人造石墨，为此，最好向左近用电弧炉炼钢的企业或电解铝消费企业购置废电极，自行破碎到请求的粒度。
2、石油焦
石油焦是目前普遍应用的增碳剂。
石油焦是精炼原油得到的副产品，原油经常压蒸馏或减压蒸馏得到的渣油及石油沥青，都能够作为制造石油焦的原料，再经焦化后就得到生石油焦。生石油焦的产量大约不到所用原油量的5％。美国生石油焦的年产量约3000万吨。生石油焦中的杂质含量高，不能直接用作增碳剂，必需先经过煅烧处置。
生石油焦有海绵状、针状、粒状和流态等种类。
海绵状石油焦是用延迟焦化法制得的，由于其中硫和金属含量较高，通常用作煅烧时的燃料，也可作为煅烧石油焦的原料。经煅烧的海绵焦，主要用于制铝业和用作增碳剂。
针状石油焦，是用芳香烃的含量高、杂质含量低的原料，由延迟焦化法制得的。这种焦炭具有易于决裂的针状构造，有时称之为石墨焦，煅烧后主要用于制造石墨电极。
粒状石油焦呈硬质颗粒状，是用硫和沥青烯含量高的原料，用延迟焦化法制得的，主要用作燃料。
流态石油焦，是在流态床内用连续焦化法制得的，呈细小颗粒状，构造无方向性，硫含量高、挥发分低。
石油焦的煅烧，是为了除去硫、水分和挥发分。将生石油焦于1200～1350℃煅烧，能够使其成为根本上纯洁的碳。
煅烧石油焦的最大用户是制铝业，70％用以制造使铝矾土复原的阳极。美国消费的煅烧石油焦，用于铸铁增碳剂的约占6％。
各种石油焦制品的大致成分列于表1，供参考。
3、自然石墨
自然石墨可分为鳞片石墨和微晶石墨两类。
微晶石墨灰分含量高，普通不用作铸铁的增碳剂。
鳞片石墨有很多种类：高碳鳞片石墨需用化学办法萃取，或加热到高温使其中的氧化物合成、挥发，这种鳞片石墨产量不多、价钱高，普通也不用作增碳剂；低碳鳞片石墨中的灰分含量高，不宜用作增碳剂；用作增碳剂的主要是中碳鳞片石墨，但用量也不多。
自然石墨的大致成分见表2。
4、焦炭和无烟煤
电弧炉炼钢过程中，能够在装料时配加焦炭或无烟煤作为增碳剂。由于其灰分和挥发分含量较高，感应电炉熔炼铸铁时很少用作增碳剂。
关于铸铁行业常用的几种增碳剂的成分和堆密度，表3中列出了一些典型的测定数据，供参照。
三、增碳剂的选用
选用增碳剂时，普通都应该留意以下几点。
1、固定碳和灰分的含量
固定碳和灰分是增碳剂中此消彼长的两个对立参数，也是影响增碳效率的两个最重要的参数。增碳剂中的固定碳含量高、灰分低，则增碳效率高，反之则增碳效率低。由于消费条件下影响的要素很多，很难严厉评定两参数各自对增碳效率的影响。
灰分高，对增碳有抑止作用，而且还会使炉渣量增加，从而延长作业时间，增加电耗，增加冶炼过程中的劳动量。采用熔沟式感应电炉，如增碳剂参加炉内，尤应选用低灰分的种类，以免熔沟中汇集氧化物而影响电效率。
从增碳效率思索，当然希望增碳剂的固定碳含量高一些、灰分低一些，但同时也要思索消费本钱的要素和对铁液质量的影响。
增碳剂的参加方式对增碳效率也有很大的影响。
a、增碳剂在装料时参加炉内
装料时将增碳剂与炉料混匀，置于感应电炉的底层和中部，增碳效率较高。关于不同增碳剂的增碳效率，美国有人在坚持其他条件不变的状况下停止过比照实验，此处简述其要点如下：
在无心感应电炉中熔炼灰铸铁，铸铁的目的碳当量为4.03%（C 3.4%、Si 1.9%、Mn0.55%）。
炉料的配比是：铸造生铁16％；回炉料30％；废钢52％；增碳剂2％。
增碳剂与金属炉料同时参加炉内，不同增碳剂的增碳效率见表4。
b、出铁时加增碳剂
出铁时在包内加增碳剂，增碳效率比参加炉内者低得多。美国有人在包内参加不同增碳剂停止过比照实验，其要点如下：
熔炼的铸铁是低碳当量铸铁，目的成分是：C 2.55%；Si 1.7%；Mn 0.4%。
出铁时，铁液温度为1510～1530℃。
增碳剂加在包内，然后冲入铁液，实验的结果见表5。
2、硫含量
熔炼球墨铸铁时，应采用硫含量低的增碳剂，固然低硫增碳剂的价钱高，但却是必需的。
熔炼灰铸铁时，宜采用硫含量较高的增碳剂。这样，不只能够降低消费本钱，而且还可加强铁液对孕育处置的回应才能，得到冶金质量高的铸件。在这种条件下，片面地追求增碳剂“质量高”而选用低硫的品牌，不只增加消费本钱，而且还对产质量量有负面影响。
3、氮含量
灰铸铁中含有少量的氮，有促成珠光体的作用，有助于改善铸铁的力学性能。假如氮含量在0.01%以上，则铸件就易于产生“氮致气孔”。
通常，废钢中的氮含量高于铸造生铁。用感应电炉熔炼铸铁时，由于炉料中所用的铸造生铁锭少、废钢多，制得的铸铁中氮含量会相应较高。炉料中废钢用量为15%时，铸铁中的氮含量约为0.003~0.005%；废钢用量为50%时，氮含量可达0.008~0.012%；炉料全部为废钢时，氮含量可能高达0.014%以上。
此外，由于炉料中运用大量废钢，必需用增碳剂，而大多数增碳剂中氮含量都比拟高，这又是招致铸铁中氮含量增高的另一要素。
近十多年来，随着感应电炉的应用不时增加，增碳剂中的氮含量日益遭到注重。为防止铸件产生气孔缺陷，感应电炉熔炼铸铁时所用的增碳剂，一定要选购含氮量低的种类，如有可能，应核对增碳剂的氮含量。当前的艰难在于：剖析增碳剂中的氮含量，尚缺乏烦琐而精确的办法。
四、工艺要素对增碳效率的影响
除增碳剂中的固定碳含量和灰分对其在铸铁中的增碳效率有重要的影响外，增碳剂的粒度、参加的方式、铁液的温度以及炉内的搅拌作用等工艺要素都对增碳效率有明显的影响。在消费条件下，常常是多种要素同时起作用，难以对每一要素的影响作精确的阐明，需求经过实验来优化工艺。
1、参加方式
增碳剂在装料时随金属炉料一同参加炉内，由于作用的时间长，增碳效率比出铁时参加铁液时高得多，由表4和表5中的数据，对这一点能够有概略的理解。
2、铁液的温度
出铁时将增碳剂参加包内，然后冲入铁液，增碳效率与铁液的温度有关。在正常的消费条件下，铁液温度较高，则碳较易溶于铁液，增碳效率因此较高。
3、增碳剂的粒度
普通说来，增碳剂的颗粒小，则其与铁液接触的界面面积大，增碳的效率就会较高，但太细的颗粒易于被大气中的氧所氧化，也易于被对流的空气或抽尘所致的气流带走，因而，增碳剂颗粒尺寸的下限值以1.5mm为宜，而且其中不应含有0.15mm以下的细粉。
颗粒尺寸的最大值，应该以能在作业时间内溶入铁液为度。假如增碳剂在装料时随金属炉料一同参加，碳与金属的作用时间长，增碳剂的颗粒尺寸能够较大，上限值普通可为12mm。假如在出铁时参加铁液中，则颗粒尺寸宜小一些，上限值普通为6.5mm。
4、搅拌作用
搅拌有利于改善增碳剂和铁液的接触情况，进步其增碳效率。在增碳剂与炉料一同参加炉内的状况下，有感应电流的搅拌作用，增碳的效果较好。向包内加增碳剂时，增碳剂可先置于包底，出铁时使铁液直冲增碳剂，或连续地将增碳剂投向液流，不可在出铁后投放在包内的液面上。
5、防止增碳剂卷入炉渣
增碳剂假如卷入炉渣，就不能与铁液接触，当然会严重影响增碳的效果。
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煅烧石油焦参数
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产品型号 |
碳（≥%） |
硫（≤%） |
水分（≤%） |
灰分（≤%） |
挥发份（≤%） |
|
xt-C01 |
98.5 |
0.5 |
0.5 |
0.8 |
0.7 |
|
xt-C02 |
98.5 |
0.7 |
0.5 |
0.8 |
0.7 |
|
xt-C03 |
98.5 |
0.8 |
0.5 |
0.8 |
0.7 |
|
xt-C04 |
98.5 |
1.5 |
0.5 |
0.8 |
0.7 |
备注:产品粒度主要有1-5MM\0.2-1MM\40-80目等
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