浅谈对合成灰铸铁增碳剂的认识
随着近年来铸造业熔炼材料成本压力的增加和熔炼技术的发展，铸造厂在生产铸铁产品时熔炼基本不用生铁作为炉料，即用大量废钢来代替生铁，然后用增碳剂增碳，使碳含量达到工艺要求，既提高了灰铸铁的性能，又节约了生产成本，因此,这种工艺即“合成铸铁”工艺很快得到了推广和应用。在合成铸铁技术的不断发展和完善的过程中，废钢的加入量也越来越多， 铁液所需增碳量也越来越多；因此,增碳剂的选择和使用方法，对改善灰铸铁组织和性能有着至关重要的影响。
传统工艺灰铸铁的生产采用废钢+生铁，而合成铸铁采用的是废钢 + 增碳剂的生产配比工艺。随着灰铸铁产品性能要求的提高，合成铸铁工艺逐步取代了传统工艺，传统工艺由于大量使用生铁，生铁中存在许多粗大的过共晶石墨，铁液的熔炼温度低，粗大石墨不易被消除，就从液态遗传到了固态组织中，从而削弱了灰铸铁性能。而合成铸铁工艺大量使用废钢，然后通过增碳剂的加入来达到灰铸铁熔炼所需的碳当量，由于增碳剂的加入，带来了大量的非均质石墨结晶核心，促进石墨化，降低铁液的过冷度，促使生成以A型石墨为主的石墨组织，从而提高了灰铸铁的力学性能。在同等化学成分条件下，合成铸铁的材质性能较传统工艺提高近1倍。同时由于合成铸铁工艺采用渗碳的方式，在共晶条件下析出石墨的膨胀化作用明显，铁液的收缩倾向减小。
增碳剂的选用标准
随着合成铸铁生产工艺的发展，越来越多的人意识到增碳剂对灰铸铁组织和性能的重要性， 逐步加深了对增碳剂的认识和研究。
增碳剂的种类和来源有很多， 根据增碳剂中碳的晶体结构，增碳剂可以分为晶体态和非晶态；根据碳在增碳剂中的存在形态又可分为石墨增碳剂和非石墨增碳剂；依据原材料不同又可分为天然石墨增碳剂和人造石墨增碳剂。在合成铸铁的生产过程中，由于基本不用生铁作为炉料，为了达到碳含量的要求，要向铁液中增碳。因可用作增碳的材料有很多，质量差异也很大，因此，应根据企业产品类型和工艺控制水平合理、正确的选择增碳剂。
石墨增碳剂中的C以单质形态存在，熔点为3727℃，在灰铸铁的熔炼温度下是不能熔化的，因此增碳剂中的C主要通过溶解和原子扩散来实现增碳。当铁液中的C含量在2.1%时，石墨可在铁液中直溶，能够提高增碳剂的吸收率，也能缩短熔炼周期，从而降低生产成本；而非石墨增碳剂只能通过原子扩散的形式来实现增碳。经过高温石墨化的增碳剂，C原子才能从无序排列变成片状排列，片状石墨是石墨形核的最好核心，以利于促进石墨化，因此增碳剂应该选择石墨化增碳剂。
众所周知，增碳剂的技术指标主要包括：水分、灰分、挥发分、硫分和固定碳。然而对固定碳和C含量存在有认识误区，固定碳是根据增碳剂的水分、灰分、挥发分和硫分计算得来的，而碳含量是通过碳硫分析仪等检测设备得来的。
大家对增碳剂的认识上往往忽略了一个重要的指标，那就是增碳剂中的N含量；随着合成铸铁工艺的发展，越来越多的人将N元素视为一个重要的合金元素，N在灰铸铁中的作用具有两面性:一般认为，N 含量在70-120ppm时，N具有稳定珠光体、使片状石墨弯曲、尖端钝化，从而提高灰铸铁的力学性能；当灰铸铁中的N含量超过平衡浓度（一般认为约140ppm）时，铸件就会产生裂隙状的氮气孔缺陷；因此增碳剂的选择，合适的氮含量是关键。有研究表明，氮对灰铸铁的影响主要表现在改善石墨形态和提高灰铸铁基体性能两个方面。在初生奥氏体析出过程中，氮在奥氏体和残留液相中的含量没有差别，氮在石墨中的浓度却明显高于基体，用俄歇谱仪检测发现共晶转变过程中石墨表面有几个原子层厚度的氮吸附层，在石墨长大过程中氮固溶于石墨中使晶格产生畸变，集中缺陷增多，导致石墨产生弯曲和分支倾向增加，由于吸附在表面的氮阻碍了片状石墨的生长，因此石墨端部钝化，石墨的长宽比减小；同时氮使初生奥氏体一次轴变短，二次臂间距减小，使共晶团细化，珠光体含量增加，从而提高了灰铸铁基体的强度、硬度。
灰铸铁具有良好的铸造性能、减震性能、加工性能和良好的力学性能，加之合成铸铁技术的发展和氮对灰铸铁的有益作用，灰铸铁仍旧是铸造业不可替代的主题，且正向着高碳微合金化的方向发展。氮在改善灰铸铁石墨形态和提高基体性能方面有着积极的作用，是一种廉价量大的“合金元素”，伴随着灰铸铁性能要求和产品结构的复杂性的提高，增碳剂技术指标的认识和选择是高强度灰铸铁生产的关键。
增碳剂的使用
熔炼过程中加入增碳剂的目的是为了满足灰铸铁生产工艺所需的碳含量，主要通过溶解和扩散，采用中频炉熔炼灰铸铁，为了提高增碳剂的收得率，需要注意以下方面。
（1）增碳剂的粒度 增碳剂增碳的过程包括溶解扩散过程和氧化损耗过程，增碳剂的粒度不同，溶解扩散的速度和氧化损耗的速度就不同，增碳剂收得率的高低就取决于增碳剂溶解扩散速度 和氧化损耗速度的综合作用。一般情况下，增碳剂的粒度小，溶解扩散速度快，氧化损耗的速度也快，主要看溶解扩散和氧化损耗哪个占主导作用。因此，增碳剂粒度大小的选择与炉膛直径和容量有关，炉膛直径和容量大，增碳剂的粒度要大些，反之，增碳剂的粒度要小些。
（2）加入方法，将增碳剂随废钢等炉料分层加入电炉中下部，可以使增碳剂与废钢充分接触，废钢熔化后，铁液中的碳含量低，更有利于增碳剂的扩散，从而提高增碳剂的收得率（可达90%~95%）。
（3）炉温控制。一 般认为铁液温度越高，作用时间越长，碳的吸收率越高，恰恰相反，感应电炉中低温增碳，高温增硅；这与C-Si-O的平衡有关，C主要损失于向大气的扩散，C-Si-O的平衡温度与铁液中C、Si含量有关，铁液温度在平衡温度以上时，优先发生碳的氧化，C氧化生成CO和CO2。因此，在平衡温度以上时碳的吸收率降低；反之在平衡温度以下时，碳的饱和溶解度也低，溶解扩散速度降低，因此碳的吸收率也降低；因而在平衡温度时增碳剂的收得率最高，灰铸铁的平衡温 度一般为(1400±20) ℃。
（4）炉工操作。增碳剂还未完全溶解吸收时，就频繁地往外扒渣，将增碳剂和熔渣一起扒出，增碳剂的收得率降低。
4.结论
（1）合成铸铁生产优先选择石墨型增碳剂， 石墨型增碳剂利于石墨化、增加石墨核心数量。
（2）利用增碳剂生产合成铸铁，应合理控制铁液N含量。N元素具有增加珠光体含量、 细化共晶团及改善石墨形态功效的合金化作用。低于下限达不到合金化效果、高于上限容易产生N气孔，因此调整废钢加入量来控制N含量。
（3）增碳剂粒度应根据熔炼炉大小选择，熔炼应在出炉前不少于10min加入完毕且与废钢分批加入，这样增碳剂可以充分溶解、扩散、吸收，收得率达到90%~95%。
