一种增碳剂吸收率达到95以上的废钢熔炼球铁工艺

技术领域

本发明属于金属材料领域，涉及一种废钢熔炼球铁工艺，具体涉及一种增碳剂吸收率达到95％以上的废钢熔炼球铁工艺。

背景技术

球墨铸铁(简称球铁)是通过球化等处理得到的球状石墨，有效地提高了铸铁的机械性能，特别是提高了塑性和韧性，从而得到比碳钢还高的强度。球墨铸铁是近来发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，球墨铸铁的高温强度和耐氧化性优良，正是基于其优异的性能，球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。

球铁的生产通常是利用生铁和回炉料高温熔化后再进行球化处理，这种球墨铸铁的生产方法需用生铁量高达80％，由于生铁原料价格高，造成球墨铸铁的生产成本高。前几年，在国内优质原生铁日益紧张，而客户对球铁产品材质要求越来越严格。

现有技术中利用废钢生产球墨铸铁件熔炼技术在近几十年中有大量应用。

如CN200910019239.2《一种利用废钢生产球墨铸铁件熔炼工艺》，包括：步骤1.在炉内加入钢，并在钢上加入增碳剂，然后加热使钢熔化并充分渗碳；步骤2.再次加入钢，并加入回炉料；步骤3.加入球化剂、孕育剂进行球化、孕育处理；步骤4.进行浇铸。本发明采用现有的球墨铸铁电炉冶炼的熔炼方法，利用钢和铁不同处主要是含碳量，给钢增碳到一定量钢就成了铁。本发明成本低，质量好；在抗拉强度不变的情况下，延伸率提高了一倍。

又如CN201010225659.9《球墨铸铁的制备方法及浇铸装置》，先将下列各组分：低碳废钢60～70％，废球墨铸铁15～25％，生铁10～20％的1/3投入电频感应电炉中，再将1.6～2.1％的低磷硫增碳剂加入到电频感应电炉中，然后将剩余的低碳废钢、废球墨铸铁、生铁投入电频感应电炉中进行熔炼，最后将熔炼后的铁水倒入浇铸装置中的包体内。

再如CN201310251955.X《合金球墨铸铁轧辊的熔炼工艺》，包括以下步骤：先将第一份回炉料置于中频感应炉内熔化；再加入第一份优质废钢进行熔炼；待回炉料和优质废钢溶化后，升温至1360-1380℃，加入第一份增碳剂(石墨增碳剂)，边搅拌边加入铁屑；待熔化后，加入第二份优质废钢；溶化后升温至1360-1380℃，加入第二份增碳剂；溶化后再加入第二份回炉料；溶化后升温至1380-1400℃保温2.5-5分钟；所述第一份回炉料：第二份回炉料为1:4，所述第一份优质废钢：第二份优质废钢为2:3，所述第一份增碳剂：第二份增碳剂为4:1。通过上述方式，本发明能够提高轧辊的力学性能，并延长使用寿命，降低成本。

然而，现有技术中增碳剂吸收率普遍在90％之下，能达到95％的就算非常先进的熔炼技术。提高增碳剂的吸收率能有效的减少生产成本，使企业在竞争中处于有利地位。还能使球铁的石墨球更加圆整，增加石墨球数量。

虽然，现有技术中公开了增碳剂吸收率的五大影响因素，如：

1.增碳剂粒度的影响；

使用增碳剂的增碳过程包括溶解扩散过程和氧化损耗过程。增碳剂的粒度大小不同，溶解扩散速度和氧化损耗速度也就不同。而增碳剂吸收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：在一般情况下，增碳剂颗粒小，溶解速度快，损耗速度大；增碳剂颗粒大，溶解速度慢，损耗速度小。增碳剂粒度大小的选择与炉膛直径和容量有关。一般情况下，炉膛的直径和容量大，增碳剂的粒度要大一些；反之，增碳剂的粒度要小一些。对于1t以下电炉熔炼晶体石墨粒度要求0.5～2.5mm；1t～3t电炉熔炼晶体石墨粒度要求2.5～5mm；3t～10t电炉熔炼晶体石墨粒度要求5.0～20mm；覆盖在浇包中晶体石墨粒度要求0.5～1mm。

2.增碳剂加入量的影响；

在一定的温度和化学成分相同的条件下，铁液中碳的饱和浓度一定。铸铁中碳的溶解极限为([C％]＝1.3+0.0257T－0.31[Si％]－0.33[P％]－0.45[S％]+0.028[Mn％](T为铁液温度)。在一定饱和度下，增碳剂加入量越多，溶解扩散所需时间就越长，相应损耗量就越大，吸收率就会降低。

3.温度对增碳剂吸收率的影响；

从动力学和热力学的观点分析，铁液的氧化性与C-Si-O系的平衡温度有关，即铁液中的O与C、Si会发生反应。而平衡温度随目标C、Si含量不同而发生变化，铁液在平衡温度以上时，优先发生碳的氧化，C和O生成CO和CO2。这样，铁液中的碳氧化损耗增加。因此，在平衡温度以上时，增碳剂吸收率降低；当增碳温度在平衡温度以下时，由于温度较低，碳的饱和溶解度降低，同时碳的溶解扩散速度下降，因而收得率也较低；增碳温度在平衡温度时，增碳剂吸收率最高。

4.铁液搅拌对增碳剂吸收率的影响；

搅拌有利于碳的溶解和扩散，避免增碳剂浮在铁液表面被烧损。在增碳剂未完全溶解前，搅拌时间长，吸收率高。搅拌还可以减少增碳保温时间，使生产周期缩短，避免铁液中合金元素烧损。但搅拌时间过长，不仅对炉子的使用寿命有很大影响，而且在增碳剂溶解后，搅拌会加剧铁液中碳的损耗。因此，适宜的铁液搅拌时间应以保证增碳剂完全溶解为适宜。

5.铁液化学成分对增碳剂吸收率的影响；

当铁液中初始碳含量高时，在一定的溶解极限下，增碳剂的吸收速度慢，吸收量少，烧损相对较多，增碳剂吸收率低。当铁液初始碳含量较低时，情况相反。另外，铁液中硅和硫阻碍碳的吸收，降低增碳剂的吸收率；而锰元素有助于碳的吸收，提高增碳剂吸收率。就影响程度而言，硅最大，锰次之，碳、硫影响较小。因此，实际生产过程中，应先增锰，再增碳，后增硅。

但是，由于产品成本和技术等原因，需要增碳剂吸收率在95％以上，而在现有技术的基础上结合上述五大影响因素，增碳剂吸收率能达到95％以上的废钢熔炼球铁工艺还不能令人满意，或是难以稳定，或是工艺复杂，或是成本偏高。

发明内容

为了改善球铁的品质，本发明主要对影响增碳剂的吸收率因素：1、增碳剂型号的选用；2、增碳剂粒度的选用；3、增碳剂的加入时间控制；4、增碳剂加入后，铁水熔化过程中的控制；进行整体系统技术开发，从而提供一种增碳剂吸收率达到95％以上的废钢熔炼球铁工艺。

本发明采用的技术方案是：

一种增碳剂吸收率达到95％以上的废钢熔炼球铁工艺，包括以下步骤：

(1)在熔炼炉中分若干次加入炉料，炉料包括球铁屑、回炉料和废钢，先在炉底中加入一次炉料，待炉子底下开始化出铁水后，开始加入增碳剂；每次加入增碳剂后，用炉料压住，炉料的加入次数比增碳剂加入次数多一次；其中，回炉料要预留10±2％；

(2)分若干次全部加完炉料后，熔炼炉中炉料全部熔化时，开始升温至铁水温度达1550±5℃，保温3±0.5分钟，保温时搅拌均匀，待所有增碳剂完全熔化完后，加入除渣剂，渣全部集中在一起后，将渣用打轧棍挑出炉子外面；

(3)炉前取样化验，炉前化验各大元素达到要求之后，加入步骤(1)预留的回炉料，升温到1620±5℃，进行球化处理，球化是采用堤坝式球化包，球化剂的加入量为1.5±0.1％，放在铁水对冲的另一侧，在球化剂上压1±0.1％的球铁屑和0.5±0.2％的硅铁孕育剂；

(4)二次孕育处理；

在大包转小包时候，进行二次孕育；孕育方法是用0.5mm规格的硅钡粉，通过孕育漏斗，每一小包铁水加入孕育剂量为0.2±0.05％；

(5)浇铸；

所得球铁的球化级别为2～3级，硬度在155HB-165HB之间；基于球铁的质量百分比计，珠光体含量5％±0.5％，S含量<0.02％，铁素体含量＞85％，不含游离渗碳体，以上百分比为质量百分比。

进一步，步骤(1)中，废钢所占的比例≥65％，增碳剂的比例为2.5％±0.2％；回炉料和球铁屑按照1:1的比例搭配使用。

进一步，所述废钢包括边角料废钢；回炉料包括浇冒口。

进一步，增碳剂为低硫增碳剂，选用煅后焦，其内的固定C含量≥98.5％，S含量≤0.05％。

进一步，增碳剂的粒度为5±0.5mm粒度。

进一步，步骤(3)中，球化处理前的原铁水的C含量为4.0％±1％，Si含量1.2％±0.2％。

进一步，熔炼炉采用中频感应炉熔炼。

进一步，在熔炼炉中分10±2次等量加入炉料。

本发明有益效果明显：

1.通过使用废钢取代原生铁熔炼球铁，减少了杂质含量，提高了原铁水的纯净度；

2.提高了产品质量，延伸率和抗拉强度都得到了提高；

3.各种元素能够得到保证，微量元素特别是各类反球化元素超标极少；

4.原生铁中存在较多粗大石墨，使得使用原生铁制作的铸件，存在石墨遗传性的不良影响；全部用废钢、回炉料加增碳剂制作球铁，能避免遗传性带来的负面影响；

5.铁水增碳后存在大量弥散分布的非均质结晶核心，石墨晶核显著增多，促进石墨形成，同时降低铁水的过冷度白口倾向；

6.降低了生产成本，提高了利润的空间；

7.本发明铸造产品材质能达到：QT450-10，球化级别不得低于三级，含S＜0.02％，铁素体含量高于85％以上，不得出现游离渗碳体。硬度在国家标准160-210HB之间要取下限，控制在160HB左右。

本发明在不增加任何成本的情况下，创造性地在生产过程中通过对细节的处理和对炉料的掌控，在炉料使用废钢含量大于2/3，用增碳剂所增加碳含量，大于总含碳量一半的情况下，把加入增碳剂的次数从三次提高到十次，并且每次加入后都在上面压上废钢回炉料等重量较重的原材料。在出铁水前在炉子里面高温保温3分钟，使得原铁水的含碳量有着显著的提升。原铁水的含碳量提高了，相对应的球化后铁水的含碳量也就会提升，显著提高了增碳剂的吸收率。提高了产品质量，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例1球铁产品具有代表性的两块本体切块腐蚀后的金相照片。

图2是本发明对比例2球铁产品具有代表性的两块本体切块腐蚀后的金相照片。

具体实施方式

下面结以具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：

熔炼设备是中频感应炉，每炉的满负荷容量为1800KG。原料包括废钢、回炉料和增碳剂，以原料的质量百分比计，废钢所占的比例＞65％。废钢为本厂边角料废钢，回炉料为本厂的回炉料。

选用合理大小的增碳剂粒度，能保证增碳剂的最大吸收率。根据本厂中频感应炉的大小，选用5mm直径粒度的高品质低硫增碳剂。以质量百分比计，增碳剂内的固定C含量＞98.5％，S含量<0.05％，增碳剂的加入总量为45KG；选用优质稳定的增碳剂，是保证增碳剂使用稳定的前提。

废钢熔炼球铁的步骤如下：

(1)在中频感应炉熔炼中分11次等量加入炉料，炉料包括球铁屑、回炉料和废钢，其中废钢所占的比例≥65％，增碳剂的比例为2.5％±0.2％；回炉料和球铁屑按照1:1的比例搭配使用，所述废钢包括边角料废钢，回炉料包括浇冒口；先在炉底中加入一次炉料，待炉子底下开始化出铁水后，开始加入增碳剂，增碳剂为低硫增碳剂，选用煅后焦，以质量百分比计，其内的固定C含量≥98.5％，S含量≤0.05％，增碳剂的粒度为5mm粒度；每次加入增碳剂后，用炉料压住，增碳剂分10次等量加入；其中，回炉料要预留10±2％；

增碳剂的加入时间要尽量长；每次用铁锹加入增碳剂后，用铁屑、浇冒口和废钢压住，防止增碳剂上浮以影响吸收率。

(2)分11次全部加完炉料后，铁水烧到中频感应炉容量的九成满时，即熔炼炉中炉料全部熔化时，开始升温至铁水温度达1550℃，保温3分钟，保温时搅拌均匀，待所有增碳剂完全熔化完后，加入除渣剂，渣全部集中在一起后，将渣用打轧棍挑出炉子外面；

保温时用打渣棍充分搅拌均匀，使得炉内增碳剂能够充分的融化分解，达到最大的吸收率；搅拌均匀后，除去铁水上面的渣。

(3)炉前取样化验，炉前化验各大元素达到要求之后，其中，铁水的C含量为4.0％±1％，Si含量1.2％±2％；加入步骤(1)预留的回炉料，升温到出炉温度后出铁水球化处理；即升温到1620℃，进行球化处理，球化是采用堤坝式球化包，球化剂的加入量为1.5％，放在铁水对冲的另一侧，在球化剂上压1％的球铁屑和5％的硅铁孕育剂；

(4)二次孕育处理；

在大包转小包时候，进行二次孕育；孕育方法是用0.5mm规格的硅钡粉，通过孕育漏斗，每一小包铁水加入孕育剂量为0.2％；

防止因球化剂的加入使得球铁的过冷倾向增大，从而减少碳化物的析出，促进析出大量细小而圆整的石墨球。

(5)浇铸；

所得球铁的球化级别为2～3级，硬度在155HB-165HB之间；基于球铁的质量百分比计，珠光体含量5％±0.5％，S含量<0.02％，铁素体含量＞85％，不含游离渗碳体，以上百分比为质量百分比。

本发明自身对比例：

也是采用中频感应炉为熔炼设备，每炉的满负荷容量为1800KG。由于产品含硫量有严格的要求，增碳剂加入量一般比较大，一炉铁水增碳剂的加入量为45KG。因此，增碳剂选用高品质的低硫增碳剂，即固定碳含量98.5％＞，含硫量0.05％＜的高品质煅后焦；选用的是3mm直径的粒度。由于加入量较大，采取分次数加入的方法，平均分成三份，分三次加入。一份加在炉底，上面盖上球铁屑，浇冒口，再加废钢。等炉子融化出1/3铁水再把第二份加入，依次加入球铁屑，浇冒口，废钢。铁水融化出半炉再把剩下的1/3增碳剂加入。炉料加9成以后，先不急着打渣，在温度达到1500℃左右用打轧棍充分搅拌均匀，再除渣，除渣后炉前取样化验，化验无误后，再把剩下的炉料加入，升温到指定温度，出水球化处理。经过炉前光谱分析检测，增碳剂的吸收率只有85～90％之间。

对比分析：

一、实施例1原铁水的光谱分析结果如表1所示：

表1

实施例1球化处理后的光谱分析结果如表2所示：

表2

二、对比例原铁水的光谱分析结果如表3所示：

表3

对比例球化处理后的光谱分析结果如表4所示：

表4

表1提高吸收率后原铁水碳含量,表3吸收率提高之前原铁水碳含量；对比表1表3能发现，在炉料使用废钢含量大于2/3，用增碳剂所增加碳含量，大于总含碳量一半的情况下，把加入增碳剂的次数从三次提高到十次，并且每次加入后都在上面压上废钢回炉料等重量较重的原材料。在出铁水前在炉子里面高温保温3分钟，使得原铁水的含碳量有着显著的提升。原铁水的含碳量提高了，相对应的球化后铁水的含碳量也就会提升，表2表4能清楚的看到。

表2所示的炉前光谱分析检测结果，增碳剂的吸收率达到95％以上。

如图1所示球铁的金相照片，球化级别2-3级，硬度在155HB-165HB之间；经检测，基于球铁的质量百分比计，珠光体含量在5％左右，S含量<0.02％，铁素体含量＞85％，不含游离渗碳体。同时原铁水白口及反白口倾向较小；生产的球铁中石墨球尺寸小，圆整度高，铁素体含量多，球铁的韧性提高。

表4所示的炉前光谱分析检测结果，增碳剂的吸收率只有85～90％之间。

如图2所示球化级别2-3级，珠光体含量20％左右，硬度在170HB-180HB之间，不符合客户对于硬度的要求，影响其加工性能。