王學(xué)政，王 亮，宋曉瑞

(1.山東第一醫(yī)科大學(xué)(山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院)，山東 泰安 271016；2.中汽認(rèn)證中心有限公司，北京 100044)

在鋼鐵的冶煉過程中，常常會(huì)因?yàn)槠湟睙挕⒈氐纫蛩?，使得鐵液中碳元素?fù)p耗量增大，造成鐵液中的含碳量有所降低，導(dǎo)致鐵液中的含碳量達(dá)不到預(yù)期的理論值。為了補(bǔ)足鋼鐵熔煉過程中燒損的碳含量而添加的含碳類物質(zhì)稱之為增碳劑。使用增碳劑不僅可以補(bǔ)充鋼鐵冶煉過程中碳的燒損，確保鋼鐵特定牌號(hào)碳含量滿足要求，還可以用于爐后調(diào)整。在進(jìn)行除渣、除氣處理之后的鋼包中加入一定量的增碳劑[1-17]，可調(diào)整鋼包中鐵水的碳含量，達(dá)到一包多牌號(hào)的目的。增碳劑采用的材料主要有石墨、類石墨、電極塊、焦炭、碳化硅等材料。

但是通常鑄造公司的鑄造車間，在其熔煉鋼鐵的生產(chǎn)過程中，平均每年將產(chǎn)生廢石墨磚100～150 t，這些廢石墨磚在過去都是以1 500元/t的價(jià)格向外銷售。同時(shí)，鑄造車間又以5 500元/t的價(jià)格采購(gòu)生產(chǎn)用的增碳劑。特別是近幾年鑄造車間的球磨鑄鐵的生產(chǎn)，增碳劑需求量大，具體如表1所示。每噸球墨鑄鐵需要的增碳劑量為2%。如果能把廢石墨磚作為增碳劑在鑄鐵生產(chǎn)中得到使用，那么在減少鑄造廢棄物處理的同時(shí)，在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下循環(huán)再利用廢石墨磚，不但可以顯著降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，而且還減少了企業(yè)對(duì)環(huán)境破壞和影響，有利于資源的循環(huán)再利用。

表1 2012—2018年采購(gòu)增碳劑的情況一覽表 t

1 石墨磚和鑄造增碳劑的比較

石墨磚和鑄造增碳劑同為石墨化產(chǎn)品，兩者含碳量相差不大，具體比較見表2。將石墨磚和鑄造增碳劑進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)后，對(duì)比其吸收率、原鐵水含S量、爐前金相、Y型試塊等，具體實(shí)驗(yàn)如下。

表2 石墨磚和鑄造增碳劑的成分比較

1.1 吸收率

經(jīng)車間實(shí)驗(yàn)測(cè)試，鐵水對(duì)破碎石墨磚的吸收率約為74.5%，低于正常使用的增碳劑平均吸收率81.7%。

1.2 原鐵水的含硫量

熔煉鐵水時(shí)，應(yīng)注意鐵水中硫的含量。通過添加增碳劑，比較容易將硫等元素也加到鐵水中，導(dǎo)致鐵水質(zhì)量下降，因此，增碳劑中的硫的含量要嚴(yán)格控制。表3為廢石墨磚和鑄造增碳劑的含硫量一覽表，從表3中可以看出，使用廢石墨磚增碳的鐵水含硫量微高于增碳劑，但其含硫量均在允許的范圍內(nèi)，對(duì)鐵水質(zhì)量的影響基本可以忽略。

表3 廢石墨磚和鑄造增碳劑的含硫量一覽表

1.3 爐前金相

表4為廢石墨磚和鑄造增碳劑的爐前金相情況，從表4中可以看出，使用廢石墨塊增碳其球化級(jí)別中2級(jí)占比5.1%，高于增碳劑的3.8%，球徑7級(jí)的比增碳劑的高出約30%，且球徑較小。

1.4 Y試塊金相檢測(cè)報(bào)告

表5是從Y試塊金相檢測(cè)球化報(bào)告，從表5中可以看出廢石墨磚的球化1級(jí)2級(jí)的比例高于增碳劑，4級(jí)比例也較高，因此，廢石墨磚的球化穩(wěn)定性不如增碳劑。使用碎石墨磚增碳時(shí)的Y形試塊金相組織如圖1所示。

圖1 使用碎石墨磚增碳時(shí)Y形試塊的金相組織

1.5 物理性能

表6為廢石墨磚和增碳劑的鑄件的物理性能一覽表，從表6中鑄件的物理性能比較可以看出，以廢石墨磚增碳的鑄件在抗拉強(qiáng)度和延伸率上低于正常使用的增碳劑的鑄件，但硬度稍高；而且兩種鑄件的物理性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 廢石墨磚和增碳劑的鑄件的物理性能一覽表

因此，通過以上的檢測(cè)比較，廢石墨磚可以代替增碳劑在鑄鐵生產(chǎn)中使用，且對(duì)鑄鐵質(zhì)量影響很小，廢石墨磚的吸收率接近增碳劑，可以在鑄鐵生產(chǎn)中作為增碳劑使用。

1.6 廢石墨磚增碳試驗(yàn)

1.6.1 廢石墨磚成分的檢測(cè)

檢測(cè)廢石墨磚的成分，特別是其固定碳和灰分的含量等。固定碳和灰分是增碳劑中重要的成分，也是影響增碳效率的兩個(gè)最重要的參數(shù)。因?yàn)閺U石墨磚中的固定碳含量高、灰分低，則增碳效率高；反之則增碳效率低。廢石墨磚中灰分高，對(duì)鐵水的增碳有抑制作用，而且還會(huì)使鐵水中的爐渣量增多，增加電耗，增加冶煉過程中的勞動(dòng)量，并延長(zhǎng)了作業(yè)時(shí)間。因此，要嚴(yán)格對(duì)廢石墨磚的成分進(jìn)行控制。

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。

1.6.2 廢石墨磚的塊度

一般說來，增碳劑的顆粒小，則其與鐵液接觸的表面的面積大，增碳的效率就會(huì)較高，但太細(xì)的顆粒易被大氣中的氧所氧化，同時(shí)也易被對(duì)流的空氣所帶走。因此，增碳劑顆粒要具有一定的尺寸。

實(shí)驗(yàn)證明，廢石墨磚塊度≤20 mm，鐵水的增碳效果最佳。未破碎石墨磚在生產(chǎn)中無法全部熔化吸收，塊度20～70 mm的破碎石墨磚吸收率數(shù)據(jù)波動(dòng)大，不穩(wěn)定，偶爾有少量未熔化石墨塊扒渣時(shí)帶出。只有塊度≤20 mm時(shí)，可以全部被鐵水吸收。當(dāng)最大塊度≤5 mm時(shí)，破碎成本、破碎損耗都增大。所以廢石墨磚作為增碳劑，其塊度尺寸為≤20 mm的破碎石墨磚。

1.6.3 廢石墨磚的加入量

采用與增碳劑同樣的爐料配比及加入量，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。廢石墨磚的最佳加入量為1.5%。

由圖4可知，隨著亞硝酸鹽濃度的增加，魯氏酵母菌的生長(zhǎng)受到不同程度的抑制。當(dāng)亞硝酸鹽濃度為0.005%時(shí)，魯氏酵母菌的吸光度值驟然下降，生長(zhǎng)速度明顯遲緩；亞硝酸鹽濃度達(dá)到0.015%時(shí)，魯氏酵母菌仍保持一定程度的生長(zhǎng)；當(dāng)亞硝酸鹽濃度升高至0.020%時(shí)，吸光度值明顯小于0.6，處于生長(zhǎng)滯緩階段。由此說明，魯氏酵母菌具有較高的耐受亞硝酸鹽能力，可作為發(fā)酵香腸的發(fā)酵劑使用。

2 熔煉工藝

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)每一因素的影響進(jìn)行準(zhǔn)確的說明，需要通過試驗(yàn)來優(yōu)化工藝。

2.1 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2和表3中的數(shù)據(jù)可以有概略的了解。

2.2 廢石墨磚的加入位置

在固態(tài)爐料中加入，位置盡量靠近電爐線圈底部。

2.3 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)地將增碳劑投向金屬液流，不可在出鐵后投放在包內(nèi)的液面上。

2.4 爐料要求

爐料要求干凈，避免石墨磚被爐渣包裹，不利于石墨塊的吸收。避免增碳劑卷入爐渣增碳劑如被卷入爐渣中，就不能與鐵液接觸，會(huì)嚴(yán)重影響增碳效果。因此，如采用在出鐵時(shí)增碳的工藝，應(yīng)特別注意避免渣、鐵混出。

2.5 澆注鑄件類別

考慮到石墨塊有可能對(duì)鑄件質(zhì)量產(chǎn)生影響，鐵水允許澆注的鑄件為非加銅鑄件。石墨塊顆粒尺寸的下限值以1.5 mm為宜，而且其中不應(yīng)含有0.15 mm以下的細(xì)粉。顆粒尺寸的最大值應(yīng)該以能在作業(yè)時(shí)間內(nèi)溶入鐵液為宜。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12 mm。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6.5 mm。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在2016—2017年車間生產(chǎn)中，采取本工藝并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤，共跟蹤墊板54件、飛輪70件，未發(fā)現(xiàn)鑄件因更換增碳劑造成產(chǎn)品質(zhì)量問題。

4 試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)對(duì)比吸收率、原鐵水含S量、爐前金相、Y型試塊金相等，證明了廢石墨磚用于鑄鐵件生產(chǎn)增碳的可行性，且對(duì)鑄鐵質(zhì)量影響甚微，可以作為增碳劑在鑄鐵生產(chǎn)中使用。關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)確定了破碎廢石墨磚代替增碳劑用于鑄鐵件生產(chǎn)的可行性，在不影響鑄件質(zhì)量的前提下達(dá)到了降低生產(chǎn)成本的目的。

(2)掌握了用廢石墨磚做增碳劑的工藝。破碎的最佳塊度及最大吸收率：需破碎至≤20 mm塊度加入；合理加入時(shí)間節(jié)點(diǎn)，按工藝要求在熔煉的中前期加入，吸收率最好。吸收率可以達(dá)到74.5%，接近部分外購(gòu)增碳劑吸收率。

(3)應(yīng)用后經(jīng)濟(jì)效益：①截至2017年8月24日，已經(jīng)使用了約60 t廢舊石墨磚，節(jié)約增碳劑54 t。節(jié)約成本5 500元/t×54 t-1 500元/t×60 t=20.7萬元。②應(yīng)用在鑄鐵件生產(chǎn)上，每噸球墨鑄鐵可節(jié)省成本0.018 t×5 500元/t-0.02 t×1 500元/t=69元。每噸灰鑄鐵可節(jié)省成本0.009 t×5 500元/t-0.01 t×1 500元/t=34.5元。③目前鑄造有限公司產(chǎn)生的所有廢石墨磚都不再外銷。④每年按產(chǎn)生廢石墨塊150 t，可代替135 t增碳劑使用，按石墨塊單價(jià)1 500元/t、增碳劑單價(jià)5 500元/t計(jì)算，年可節(jié)約生產(chǎn)成本：5 500×135-1 500×150=60萬元。