沖天爐熔煉鑄鐵時(shí)，熔融的鐵以液滴通過(guò)灼熱的底焦，增碳效果很好，通常可以通過(guò)調(diào)整底焦高度、控制爐料配比和鐵液溫度來(lái)控制增碳量，有必要采用增碳劑的情況很少。

感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí)，爐內(nèi)沒(méi)有碳源，爐料中廢鋼的用量又多，增碳劑一般都是可少的。增碳劑的品種及其特征，不僅影響增碳效率，對(duì)鑄件的冶金質(zhì)量也有重要的影響。

一、鐵液中的碳

碳在常壓下的熔點(diǎn)為3550℃，沸點(diǎn)為4194℃，3500℃開始升華，是熔點(diǎn)**的元素。在常溫下，各種含碳材料中的碳基本上都不具活性，在高溫下卻有很強(qiáng)的反應(yīng)能力。在有氧的條件下加熱，無(wú)定形碳在350℃以上就會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，石墨則在450℃以上發(fā)生氧化反應(yīng)。碳氧化所產(chǎn)生的CO2在高溫下是不穩(wěn)定的，易于釋放氧而形成CO。大氣中的CO2在1000℃下基本上都轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>CO，殘留的CO2不到1％。

鐵液中的碳，主要以兩種狀態(tài)存在：

一種是溶于鐵液中，稱之為溶解碳

另一種是以亞微觀的顆粒懸浮于鐵液中，也稱為游離碳，其形態(tài)是晶態(tài)石墨。

灰鑄鐵鐵液凝固過(guò)程中，溶解碳主要以石墨的形態(tài)析出，少量固溶于共晶奧氏體。共析轉(zhuǎn)變時(shí)，固溶于奧氏體中的碳，一部分以化合碳Fe3C析出，一部分?jǐn)U散到已形成的石墨上。常溫下，除合金含量高的奧氏體鑄鐵外，固溶于鐵中的碳很少。

凝固后的鑄鐵中碳含量的測(cè)定值，是其中化合碳量、游離碳含量和少量固溶碳量的總和。

澆注鐵液制成的鑄件中，微觀組織中化合碳的含量，化合碳的形態(tài)和彌散程度，游離碳的形態(tài)和尺寸，都取決于鑄鐵的化學(xué)成分、鐵液的過(guò)熱程度、鐵液的處理過(guò)程和鑄件的冷卻速率。對(duì)于控制鑄鐵質(zhì)量，這些都是至關(guān)重要的問(wèn)題。

除此以外，在高溫下，鐵液中的碳易于被氧化成為CO，所以有人認(rèn)為鐵液中的碳也是一種“氣體形成元素”。CO在鐵液中的溶解度很小，形成后即釋放于鄰近液面的大氣中。

鐵液中硅含量高，則溶解于其中的碳以石墨析出的傾向大，在這種條件下，要使鐵液增碳當(dāng)然困難。鐵液中硅含量低，增碳就比較容易。因此，鑄鐵熔煉過(guò)程中的增碳應(yīng)在增硅以前進(jìn)行。

對(duì)鑄鐵進(jìn)行孕育處理時(shí)，細(xì)小的孕育劑彌散分布，產(chǎn)生大量硅濃度高的微區(qū)，促使該處的 碳以微細(xì)的晶態(tài)石墨析出，形成鐵液共晶凝固階段的石墨化核心。鐵液經(jīng)孕育處理后，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，高濃度的硅又逐漸向周邊擴(kuò)散，硅濃度降低后，微細(xì)的晶態(tài)石墨又會(huì)逐漸溶于鐵液，孕育作用也就隨之逐漸衰退。

為了使鑄鐵組織中石墨的形態(tài)和尺寸符合要求，鐵液中必須有這樣的微細(xì)晶態(tài)石墨，作為共晶凝固時(shí)的石墨化晶核。除此以外，鐵液中還需要氧化物、硫化物、硫氧復(fù)合化合物之類的夾雜物，作為石墨的外來(lái)晶核。

如果鐵液在感應(yīng)電爐中保持時(shí)間很長(zhǎng)（20小時(shí)以上），由于長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，又有感應(yīng)電流的攪拌作用，微細(xì)的晶態(tài)石墨和外來(lái)結(jié)晶核心都逐漸溶于鐵液，石墨化的核心大幅度減少。這樣的鐵液，過(guò)冷度很大，對(duì)孕育處理的回應(yīng)能力極差，不可能通過(guò)孕育處理使鑄鐵具有符合要求的微觀組織，因而，即使化學(xué)成分符合要求，也不能用以澆注鑄件。這種缺乏石墨結(jié)晶核心的鐵液，美國(guó)通常稱之為“周一晨間鐵液（Monday morning iron）”，因?yàn)?，大型感?yīng)電爐中貯存的鐵液，經(jīng)周末休假后，周一上班時(shí)就是這種狀況。這是一個(gè)令人十分頭痛的問(wèn)題，目前，處理周一晨間鐵液的方法是：加入廢鋼使鐵液激冷，同時(shí)加入硅鐵，以促進(jìn)析出微細(xì)的晶態(tài)石墨，增加石墨化所必需的核心。

二、增碳劑

可以用作鑄鐵增碳劑的材料很多，常用的有人造石墨、煅燒石油焦、天然石墨、焦炭、無(wú)煙煤以及用這類材料組配成的混合料。

1、人造石墨

上述各種增碳劑中，品質(zhì)**的是人造石墨。

制造人造石墨的主要原料是粉狀的優(yōu)質(zhì)煅燒石油焦，在其中加瀝青作為粘結(jié)劑，再加入少量其他輔料。各種原材料配合好以后，將其壓制成形，然后在2500～3000℃、非氧化性氣氛中處理，使之石墨化。經(jīng)高溫處理后，灰分、硫、氣體含量都大幅度減少。

由于人造石墨制品的價(jià)格昂貴，鑄造廠常用的人造石墨增碳劑大都是制造石墨電極時(shí)的切屑、廢舊電極和石墨塊等循環(huán)利用的材料，以降低生產(chǎn)成本。

熔煉球墨鑄鐵時(shí)，為使鑄鐵的冶金質(zhì)量上乘，增碳劑宜**人造石墨，為此，**向附近用電弧爐煉鋼的企業(yè)或電解鋁生產(chǎn)企業(yè)購(gòu)買廢電極，自行破碎到要求的粒度。

2、石油焦

石油焦是目前廣泛應(yīng)用的增碳劑。

石油焦是精煉原油得到的副產(chǎn)品，原油經(jīng)常壓蒸餾或減壓蒸餾得到的渣油及石油瀝青，都可以作為制造石油焦的原料，再經(jīng)焦化后就得到生石油焦。生石油焦的產(chǎn)量大約不到所用原油量的5％。美國(guó)生石油焦的年產(chǎn)量約3000萬(wàn)噸。生石油焦中的雜質(zhì)含量高，不能直接用作增碳劑，必須先經(jīng)過(guò)煅燒處理。

生石油焦有海綿狀、針狀、粒狀和流態(tài)等品種。

海綿狀石油焦是用延遲焦化法制得的，由于其中硫和金屬含量較高，通常用作煅燒時(shí)的燃料，也可作為煅燒石油焦的原料。經(jīng)煅燒的海綿焦，主要用于制鋁業(yè)和用作增碳劑。

針狀石油焦，是用芳香烴的含量高、雜質(zhì)含量低的原料，由延遲焦化法制得的。這種焦炭具有易于破裂的針狀結(jié)構(gòu)，有時(shí)稱之為石墨焦，煅燒后主要用于制造石墨電極。

粒狀石油焦呈硬質(zhì)顆粒狀，是用硫和瀝青烯含量高的原料，用延遲焦化法制得的，主要用作燃料。

流態(tài)石油焦，是在流態(tài)床內(nèi)用連續(xù)焦化法制得的，呈細(xì)小顆粒狀，結(jié)構(gòu)無(wú)方向性，硫含量高、揮發(fā)分低。

石油焦的煅燒，是為了除去硫、水分和揮發(fā)分。將生石油焦于1200～1350℃煅燒，可以使其成為基本上純凈的碳。

煅燒石油焦的**用戶是制鋁業(yè)，70％用以制造使鋁礬土還原的陽(yáng)極。美國(guó)生產(chǎn)的煅燒石油焦，用于鑄鐵增碳劑的約占6％。

各種石油焦制品的大致成分列于表1，供參考。

3、天然石墨

天然石墨可分為鱗片石墨和微晶石墨兩類。

微晶石墨灰分含量高，一般不用作鑄鐵的增碳劑。

鱗片石墨有很多品種：高碳鱗片石墨需用化學(xué)方法萃取，或加熱到高溫使其中的氧化物分解、揮發(fā)，這種鱗片石墨產(chǎn)量不多、價(jià)格高，一般也不用作增碳劑；低碳鱗片石墨中的灰分含量高，不宜用作增碳劑；用作增碳劑的主要是中碳鱗片石墨，但用量也不多。

天然石墨的大致成分見表2。

4、焦炭和無(wú)煙煤

電弧爐煉鋼過(guò)程中，可以在裝料時(shí)配加焦炭或無(wú)煙煤作為增碳劑。由于其灰分和揮發(fā)分含量較高，感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí)很少用作增碳劑。

關(guān)于鑄鐵行業(yè)常用的幾種增碳劑的成分和堆密度，表3中列出了一些典型的測(cè)定數(shù)據(jù)，供參照。

三、增碳劑的選用

選用增碳劑時(shí)，一般都應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)。

1、固定碳和灰分的含量

固定碳和灰分是增碳劑中此消彼長(zhǎng)的兩個(gè)對(duì)立參數(shù)，也是影響增碳效率的兩個(gè)**重要的參數(shù)。增碳劑中的固定碳含量高、灰分低，則增碳效率高，反之則增碳效率低。由于生產(chǎn)條件下影響的因素很多，很難嚴(yán)格評(píng)定兩參數(shù)各自對(duì)增碳效率的影響。

灰分高，對(duì)增碳有抑制作用，而且還會(huì)使?fàn)t渣量增多，從而延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間，增加電耗，增加冶煉過(guò)程中的勞動(dòng)量。采用熔溝式感應(yīng)電爐，如增碳劑加入爐內(nèi)，尤應(yīng)選用低灰分的品種，以免熔溝中聚集氧化物而影響電效率。

從增碳效率考慮，當(dāng)然希望增碳劑的固定碳含量高一些、灰分低一些，但同時(shí)也要考慮生產(chǎn)成本的因素和對(duì)鐵液質(zhì)量的影響。

增碳劑的加入方式對(duì)增碳效率也有很大的影響。

a、增碳劑在裝料時(shí)加入爐內(nèi)

裝料時(shí)將增碳劑與爐料混勻，置于感應(yīng)電爐的底層和中部，增碳效率較高。關(guān)于不同增碳劑的增碳效率，美國(guó)有人在保持其他條件不變的情況下進(jìn)行過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，此處簡(jiǎn)述其要點(diǎn)如下：

在無(wú)心感應(yīng)電爐中熔煉灰鑄鐵，鑄鐵的目標(biāo)碳當(dāng)量為（C 3.4%、Si 1.9%、）。

爐料的配比是：鑄造生鐵16％；回爐料30％；廢鋼52％；增碳劑2％。

增碳劑與金屬爐料同時(shí)加入爐內(nèi)，不同增碳劑的增碳效率見表4。

b、出鐵時(shí)加增碳劑

出鐵時(shí)在包內(nèi)加增碳劑，增碳效率比加入爐內(nèi)者低得多。美國(guó)有人在包內(nèi)加入不同增碳劑進(jìn)行過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，其要點(diǎn)如下：

熔煉的鑄鐵是低碳當(dāng)量鑄鐵，目標(biāo)成分是：C 2.55%；Si 1.7%；Mn 0.4%。

出鐵時(shí)，鐵液溫度為1510～1530℃。

增碳劑加在包內(nèi)，然后沖入鐵液，試驗(yàn)的結(jié)果見表5。

2、硫含量

熔煉球墨鑄鐵時(shí)，應(yīng)采用硫含量低的增碳劑，雖然低硫增碳劑的價(jià)格高，但卻是必需的。

熔煉灰鑄鐵時(shí)，宜采用硫含量較高的增碳劑。這樣，不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且還可增強(qiáng)鐵液對(duì)孕育處理的回應(yīng)能力，得到冶金質(zhì)量高的鑄件。在這種條件下，片面地追求增碳劑“質(zhì)量高”而選用低硫的品牌，不僅增加生產(chǎn)成本，而且還對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有負(fù)面影響。

3、氮含量

灰鑄鐵中含有少量的氮，有促成珠光體的作用，有助于改善鑄鐵的力學(xué)性能。如果氮含量在以上，則鑄件就易于產(chǎn)生“氮致氣孔”。

通常，廢鋼中的氮含量高于鑄造生鐵。用感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí)，由于爐料中所用的鑄造生鐵錠少、廢鋼多，制得的鑄鐵中氮含量會(huì)相應(yīng)較高。爐料中廢鋼用量為15%時(shí)，鑄鐵中的氮含量約為；廢鋼用量為50%時(shí)，氮含量可達(dá)；爐料全部為廢鋼時(shí)，氮含量可能高達(dá)以上。

此外，由于爐料中使用大量廢鋼，必須用增碳劑，而大多數(shù)增碳劑中氮含量都比較高，這又是導(dǎo)致鑄鐵中氮含量增高的另一因素。

近十多年來(lái)，隨著感應(yīng)電爐的應(yīng)用不斷增多，增碳劑中的氮含量日益受到重視。為避免鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷，感應(yīng)電爐熔煉鑄鐵時(shí)所用的增碳劑，一定要選購(gòu)含氮量低的品種，如有可能，應(yīng)核查增碳劑的氮含量。當(dāng)前的困難在于：分析增碳劑中的氮含量，尚缺乏簡(jiǎn)便而準(zhǔn)確的方法。

四、工藝因素對(duì)增碳效率的影響

除增碳劑中的固定碳含量和灰分對(duì)其在鑄鐵中的增碳效率有重要的影響外，增碳劑的粒度、加入的方式、鐵液的溫度以及爐內(nèi)的攪拌作用等工藝因素都對(duì)增碳效率有明顯的影響。在生產(chǎn)條件下，往往是多種因素同時(shí)起作用，難以對(duì)每一因素的影響作準(zhǔn)確的說(shuō)明，需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化工藝。

1、加入方式

增碳劑在裝料時(shí)隨金屬爐料一同加入爐內(nèi)，由于作用的時(shí)間長(zhǎng)，增碳效率比出鐵時(shí)加入鐵液時(shí)高得多，由表4和表5中的數(shù)據(jù)，對(duì)這一點(diǎn)可以有概略的了解。

2、鐵液的溫度

出鐵時(shí)將增碳劑加入包內(nèi)，然后沖入鐵液，增碳效率與鐵液的溫度有關(guān)。在正常的生產(chǎn)條件下，鐵液溫度較高，則碳較易溶于鐵液，增碳效率因而較高。

3、增碳劑的粒度

一般說(shuō)來(lái)，增碳劑的顆粒小，則其與鐵液接觸的界面面積大，增碳的效率就會(huì)較高，但太細(xì)的顆粒易于被大氣中的氧所氧化，也易于被對(duì)流的空氣或抽塵所致的氣流帶走，因此，增碳劑顆粒尺寸的下限值以為宜，而且其中不應(yīng)含有以下的細(xì)粉。

顆粒尺寸的**值，應(yīng)該以能在作業(yè)時(shí)間內(nèi)溶入鐵液為度。如果增碳劑在裝料時(shí)隨金屬爐料一同加入，碳與金屬的作用時(shí)間長(zhǎng)，增碳劑的顆粒尺寸可以較大，上限值一般可為12mm。如果在出鐵時(shí)加入鐵液中，則顆粒尺寸宜小一些，上限值一般為。

4、攪拌作用

攪拌有利于改善增碳劑和鐵液的接觸狀況，提高其增碳效率。在增碳劑與爐料一同加入爐內(nèi)的情況下，有感應(yīng)電流的攪拌作用，增碳的效果較好。向包內(nèi)加增碳劑時(shí)，增碳劑可先置于包底，出鐵時(shí)使鐵液直沖增碳劑，或連續(xù)地將增碳劑投向液流，不可在出鐵后投放在包內(nèi)的液面上。

5、避免增碳劑卷入爐渣

增碳劑如果卷入爐渣，就不能與鐵液接觸，當(dāng)然會(huì)嚴(yán)重影響增碳的效果。