王銳

（商都縣豐彥驕新材料有限公司，內(nèi)蒙古烏蘭察布 013450）

1.碳元素及晶體石墨增碳劑材料特性

1.1 碳元素

碳元素在常壓狀態(tài)下的熔點(diǎn)是3550℃，沸點(diǎn)是4194℃，并且在3500℃的時(shí)候開(kāi)始逐漸升華，屬于熔點(diǎn)最高的元素。在異常高溫條件下，碳元素不會(huì)出現(xiàn)晶態(tài)變化，如變形、軟化等現(xiàn)象均不會(huì)發(fā)生。碳物質(zhì)的同元素異構(gòu)體主要有金剛石、石墨以及無(wú)定形碳等。由于結(jié)構(gòu)組成各不相同，密度也有所不同，進(jìn)而使得三者之間性能差距十分明顯。其中，金剛石的密度值最大，約為3.51g/cm3；石墨密度次之，約為2.3g/cm3；無(wú)定形碳的實(shí)際密度值最小，約為1.98g/cm3。需要注意的是，在含碳元素晶體中具有一個(gè)顯著的特征，即在無(wú)氧環(huán)境條件下進(jìn)行加熱，會(huì)使得晶體結(jié)構(gòu)狀態(tài)變得更加密實(shí)和完整。通過(guò)實(shí)踐操作能夠發(fā)現(xiàn)，在高溫和高壓條件下，石墨會(huì)轉(zhuǎn)變成為金剛石；無(wú)定形碳（如木炭、焦炭以及炭黑等物質(zhì)），會(huì)在溫度達(dá)到一定高度的情況下轉(zhuǎn)變成為石墨[1]。

1.2 炭質(zhì)材料

炭質(zhì)材料主要是由碳元素構(gòu)成的非金屬材料，當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)以及層片配列等發(fā)生變化的時(shí)候，則可以相繼產(chǎn)生出多種類別的同元素異構(gòu)體，并且在這些同元素異構(gòu)體當(dāng)中，其晶體結(jié)構(gòu)均以金剛石或者石墨為根本[2]。

1.2.1 金剛石

金剛石晶體可以劃分于等軸晶系當(dāng)中，其原子晶格屬于面心正立方狀態(tài)，間隔距離為0.154nm，在所有的碳物質(zhì)同元素異構(gòu)體當(dāng)中間距最小，密實(shí)程度最高；金剛石的莫氏硬度數(shù)值為10左右，絕對(duì)硬度大致為10000kgf/mm。

1.2.2 石墨

石墨是由6方層片狀晶體而組成的，其質(zhì)地較軟，莫氏硬度為2～3，主要呈黑色，光澤度及潤(rùn)滑度較高。其中，可以將石墨劃分為兩大類別，分別是天然形成的石墨（天然石墨）以及人工制造而成的石墨（人工石墨），以上二者在鑄造行業(yè)當(dāng)中均得到了廣泛應(yīng)用。天然石墨：主要含有鱗片狀石墨、微晶石墨。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)分析，我國(guó)擁有豐富的天然石墨資源，產(chǎn)量位列全球第一，主要產(chǎn)地有黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古、福建以及廣東等省份及自治區(qū)。一般情況下，在完成開(kāi)采后的天然石墨當(dāng)中還有其他多種雜質(zhì)和脈石，假使需要提取品質(zhì)更高一些的天然石墨，則需要采用浮選法進(jìn)行操作。具體步驟如下：粉碎礦料、加入適量水直至呈現(xiàn)礦漿形態(tài)；在礦漿中加入石灰或者堿均可，使其變成弱堿性，再加入水玻璃，以起到抑制脈石的作用；在脈石中使用篩分設(shè)備把其中的石墨分離出來(lái)；最后在浮選槽中加入適量捕集劑，通過(guò)離心分離、干燥后，即可獲取石墨（碳元素含量為70%～95%）。人造石墨：基于高溫、惰性條件下，無(wú)定形碳能夠轉(zhuǎn)換為石墨。具體步驟：將炭質(zhì)材料充分?jǐn)D壓得到一定形狀，并高溫加熱至2000℃～3000℃之間，即可在非氧化條件下轉(zhuǎn)化成為石墨[3]。

2.晶體石墨增碳劑對(duì)鑄件微觀組織的影響

鑄件組織對(duì)鑄件的基本力學(xué)性能起決定性作用；鑄件組織主要是由球鐵鑄件中的化學(xué)成分和整個(gè)凝固環(huán)節(jié)來(lái)確定的。其中，凝固環(huán)節(jié)需要兩種形核條件，分別是奧氏體和石墨，石墨能夠同鑄件硅鐵在特定元素的作用下加快形成共晶石墨晶核體，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)可以得知含有特定元素的氧硫化合物有利于石墨形成核體，在鐵液中尺寸比較合理且不具備溶解石墨的質(zhì)點(diǎn)，能夠有效確保先共晶體以及共晶石墨進(jìn)行析出反應(yīng)；強(qiáng)化增加球體石墨核心應(yīng)用技術(shù)手段，使得鐵液中石墨質(zhì)點(diǎn)得以擴(kuò)大球狀石墨具體核心數(shù)量；由于結(jié)晶核心屬于異質(zhì)核心，使得呈現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)的碳能夠加強(qiáng)鐵液形核狀態(tài)的速度，需要特別注意的是石墨增碳劑（六方結(jié)構(gòu)），其中碳化硅和石墨中的六方結(jié)構(gòu)尤為相似，因此，也可以將其看作成比較特殊的石墨增碳劑。除此之外，石墨增碳劑還能夠增加晶核點(diǎn)在鐵液當(dāng)中的具體數(shù)量，增強(qiáng)鐵液最終形核能力。例如：生產(chǎn)技術(shù)人員在經(jīng)過(guò)一系列試驗(yàn)可以證明，在球鐵鑄件中應(yīng)用質(zhì)地緊密的石墨結(jié)構(gòu)類別增碳劑可以提升球鐵當(dāng)中的實(shí)際鐵元素含量，通常情況下會(huì)提升10%～15%，這樣一來(lái)則能夠?qū)τ商厥庖蟮蔫F元素球體進(jìn)行鑄鐵生產(chǎn)起到一定的促進(jìn)作用。

3.在生產(chǎn)高韌性球鐵鑄件過(guò)程中應(yīng)用晶體石墨增碳劑

3.1 晶體石墨增碳劑的具體應(yīng)用方法

在多數(shù)情況下，鋼鐵配料使用的都是回爐料（20%～30%）和碳素廢鋼，具體回爐料配量需要以車間回爐料的實(shí)際狀況而定，不宜大于30%。順序：在爐底加回爐料、再加碳素廢鋼，調(diào)節(jié)大功率進(jìn)行送電。當(dāng)爐料熔化到60%的時(shí)候，需要加入總量二分之一的晶體增碳劑配料，再將晶體增碳劑加入其中，提升爐溫溫度并加入適當(dāng)配料再次熔化，剩下的60%需要在爐料完全熔化之后將碎渣擊碎后加入，攪動(dòng)直至增碳劑全部溶解，取樣分析后用覆蓋劑保護(hù)爐內(nèi)鐵液，做好爐子保溫。

3.2 晶體石墨粒度的基本要求

針對(duì)小于1t的晶體石墨，其具體粒度要求范圍應(yīng)控制在0.5mm～2.5mm；針對(duì)1t～3t的晶體石墨，其具體粒度要求范圍應(yīng)保持在2.5mm～5mm；針對(duì)3t～10t的晶體石墨，其具體粒度要求應(yīng)把控在5.0mm～25mm；針對(duì)覆蓋在澆包中球化劑上的晶體石墨，其具體粒度要求范圍應(yīng)規(guī)定在0.5mm～1.0mm。

3.3 晶體石墨增碳劑的新用途

經(jīng)過(guò)反復(fù)研究以及多次實(shí)驗(yàn)，使得相關(guān)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)了晶體石墨增碳劑的新用途，即將其應(yīng)用在高韌性球鐵鑄件的具體生產(chǎn)環(huán)節(jié)之中。當(dāng)前階段，操作工人在進(jìn)行相關(guān)高韌性球鐵鑄件生產(chǎn)作業(yè)的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)球化級(jí)別在2～3級(jí)的現(xiàn)象，導(dǎo)致石墨球體不夠完整和圓潤(rùn)、球體直徑值無(wú)法達(dá)到6級(jí)以上，并且在EPC灰鑄鐵生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重卡變速機(jī)箱內(nèi)部存在D型石墨，以上問(wèn)題在一定程度上阻礙了球鐵鑄件的正常生產(chǎn)操作，技術(shù)人員采用了一些工藝手段，但是最終效果都不夠顯著。為了改變高韌性球鐵鑄件的生產(chǎn)環(huán)節(jié)現(xiàn)狀，可以將晶體石墨增碳制劑運(yùn)用到其中。例如，生產(chǎn)技術(shù)人員不需要對(duì)原來(lái)生產(chǎn)過(guò)程中的使用配料、熔化工藝、球化工藝以及孕育加工方式等進(jìn)行大規(guī)模的整改，只需要在出鐵環(huán)節(jié)在比例為1.5kg/t～2.0kg/t的鐵液包中沖入晶體增碳劑（0.5mm～1.0mm），并且將其覆蓋于球化劑表面，如此一來(lái)則可以有效改善相關(guān)問(wèn)題。由此可見(jiàn)，在進(jìn)行高韌性類別球鐵鑄件生產(chǎn)期間，應(yīng)用適當(dāng)?shù)木w增碳添加劑不僅能夠提升鑄件球化率、增強(qiáng)石墨球體的圓整程度，還可以使得石墨球體直徑有所減小、加強(qiáng)EPC灰鑄鐵箱體對(duì)D類型石墨的消除作用。

3.4 在生產(chǎn)高韌性球鐵鑄件環(huán)節(jié)中運(yùn)用晶體石墨增碳劑的相關(guān)注意事項(xiàng)

（1）在配料中施加增碳劑的時(shí)候，應(yīng)將增碳劑（5mm～15mm）和爐料一起加入到電爐下端，實(shí)際碳收率為95 %左右；在使用鐵液和鋼液進(jìn)行補(bǔ)碳的時(shí)候，應(yīng)提前將鋼液表面雜質(zhì)進(jìn)行清除，并加入增碳劑（0.5mm～2.5mm），最終碳收率為92%左右；在初次使用增碳劑的時(shí)候，應(yīng)至少進(jìn)行2～3次試驗(yàn)操作，這樣可以有效提升增碳劑的最終碳收率。

（2）在熔煉球鐵鑄件以及灰鑄鐵鑄件期間，在加入增碳劑之后不需要再多施加覆蓋劑和頻繁打渣，防止出現(xiàn)增碳劑溶解度不足而與覆蓋劑進(jìn)行混合的不良現(xiàn)象發(fā)生。

（3）在運(yùn)用石墨增碳劑鑄鐵組件生產(chǎn)的時(shí)候，應(yīng)合理控制晶體粒度規(guī)格參數(shù)（細(xì)化）和質(zhì)地（干燥），以此來(lái)避免球鐵出現(xiàn)夾雜或者氣孔等問(wèn)題。

4.結(jié)語(yǔ)

為了提升高韌性球鐵鑄件在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的質(zhì)量和效率，技術(shù)人員應(yīng)及時(shí)在其中運(yùn)用石墨增碳劑，并采用關(guān)于球鐵鑄件的新式工藝，以此來(lái)強(qiáng)化生產(chǎn)操作、降低管理成本，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的高效發(fā)展。