Spośród wielu hipotez zarodkowania grafitu najmniej wątpliwości budzi zarodkowanie grafitu na cząstkach tej właśnie fazy, tzn. że na wydzieleniach grafitu pierwotnego krystalizuje grafit wtórny i eutektoidalny. Zgodnie ze współczesnym stanem wiedzy o własnościach ciekłego żeliwa wiadomo, że grafit najszybciej krystalizuje na zgrupowanych cząstkach homogenicznych, czyli takich które tuż powyżej temperatury krystalizacji maja nadkrytyczne rozmiary. Są to przede wszystkim cząstki egzogeniczne pochodzące z grafitu lub węgla zawartego we wsadzie metalowym, stąd też tak ważna jest jego postać wchodząca w skład wsadu stałego.

      Potwierdzona naukowo hipoteza tzw. dziedziczności grafitu świadczyć może o celowości zastosowania grafitu naturalnego, lub nawęglaczy zawierających grafit w miejsce innych nawęglaczy. Oznacza to, że stosując jako nawęglacz grafit amorficzny lub nawęglacz zawierający grafit otrzymamy w odlewach wydzielenia grafitu o idealnie uporządkowanej strukturze bez wydzieleń jakichkolwiek postaci pseudografitu, czyli grafitu zniekształconego. Zastosowanie takich nawęglaczy we wsadzie metalowym wpływa także na zwiększenie ilości zarodków grafitu (oddziaływanie modyfikujące), co z kolei ma niebagatelny wpływ na procesy rozdrobnienia cząstek i wzrostu grafitu w żeliwie, a w rezultacie na zwiększenie parametrów mechanicznych i użytkowych odlewów.

W skład wsadów metalowych przy wytwarzaniu odlewów z żeliwa wchodzą trzy zasadnicze grupy, w zależności od zawartości węgla:

Składniki wysokowęglowe (surówki) - w procesach metalurgicznych węgiel jest częściowo z nich utleniany, a częściowo przechodzi do ciekłego metalu;

Składniki zawierające węgiel w granicach Ceut. (3,2÷3,7%), głównie złomy żeliwne kupne i obiegowe oraz surówki wysokokrzemowe, które nie wykazują w procesach topienia wyraźnej zmiany zawartości węgla;

Składniki niskowęglowe (złomy stalowe) ulegają nawęglaniu w procesach metalurgicznych.

Wpływ jakości wsadu metalowego na proces nawęglania

     W ciągu ostatnich lat z wielu przyczyn (ekonomicznych i gospodarczych) zauważalny jest na rynkach wyraźny deficyt zarówno surówek, jak i złomów żeliwnych. Te ostatnie z kolei wyczerpują się na dostępnych rynkach, a ich jakość jest coraz gorsza (niejednorodność, wysoki zgar podczas topienia nawet do 30%). Alternatywą jest stosowanie procesu metalurgicznego opartego na ekonomicznie i technologicznie uzasadnionej bazie surowcowej, tj. wsadzie stałym z głównym udziałem złomu stalowego i nawęglacza wysokiej jakości.

     Wytapianie żeliwa w piecach elektrycznych przy dużym udziale złomu stalowego wymaga stosowania odpowiednich nawęglaczy. Dotyczy to również dowęglania żeliwa w zbiornikach lub piecach przetrzymujących ciekłe żeliwo. Przyswojenie węgla rośnie ze wzrostem czystości nawęglacza i powierzchni jego kontaktu z ciekłym metalem, a także ze wzrostem dodatku nawęglacza. Jednocześnie stopień nawęglenia maleje z powiększeniem zawartości węgla w ciekłym żeliwie i wzrostem zawartości krzemu, fosforu i siarki oraz obniżeniem temperatury kąpieli metalowej. Dobre nawęglacze cechować się powinny wysoką zawartością węgla oraz małą zawartością popiołu i części lotnych. Wyższa zawartość siarki w nawęglaczu sprzyja powstawaniu grafitu płatkowego o rozłożeniu równomiernym w żeliwie szarym. Przy nawęglaniu żeliwa należy pamiętać, aby zawartość wilgoci w nawęglaczu nie przekraczała 0,7%, co grozi znacznym zwiększeniem zawartości wodoru w kąpieli metalowej. Optymalna wielkość ziaren nawęglacza zależy od rodzaju pieca, parametrów wytopu oraz sposobu wprowadzania go do kąpieli. Zazwyczaj stosuje się nawęglacze o wielkości ziarna 1-6 mm.

     Bardzo ważną cechą jest w przypadku stosowania nawęglaczy szybkość jego rozpuszczania się w ciekłym stopie żelaza, szczególnie przy dowęglaniu na lustro metalu. Mamy tu do czynienia z dyfuzyjnym rozpuszczaniem węgla, którego szybkość zależy głównie od wielkości powierzchni kontaktu nawęglacza z ciekłym stopem oraz od czasu tego kontaktu. Duży wpływ na szybkość procesu dyfuzji węgla ma także charakter postaci węgla w nawęglaczu, zawartość węgla w kąpieli oraz jej skład chemiczny.

Wpływ jakości wsadu metalowego na proces nawęglania

     Rola siarki, azotu i wodoru w żeliwie Praktycznie ocenę parametrów jakościowych ciekłego stopu żelaza ocenia się oznaczając w nich zawartość pierwiastków podstawowych: węgla, krzemu, manganu i fosforu. Mniej uwagi poświęca się roli innych, nierzadko śladowych pierwiastków, a w szczególności siarki, azotu i wodoru. Pierwiastki te utożsamiane często mylnie z nieporządanymi mogą wywierać różne efekty (korzystne lub niekorzystne) w zależności od granic ich zawartości. Mając na uwadze powyższe należy kierować się zawsze kompleksowym wpływem wszystkich pierwiastków zawartych w ciekłym stopie żelaza.

     Siarka jest kluczowym pierwiastkiem śladowym w żeliwie i w zależności od jej zawartości w żeliwie jest korzystna lub niewskazana ze względu na efekty, jakie wywołuje w ciekłym żeliwie. Zawartość siarki powyżej 0,12% jest niewskazana w żeliwie szarym ze względu na zaznaczający się wówczas jej wpływ na możliwość powstawania zabieleń. Zawartość poniżej 0,04-0,05% wpływa niekorzystnie na postać wydzieleń grafitu i może również spowodować powstawanie zabieleń. Aby zoptymalizować przebieg procesu modyfikacji i zapewnić prawidłową postać wydzieleń grafitu, zaleca się aby końcowy poziom siarki we wszystkich gatunkach żeliwa szarego wynosił 0,05-0,12%. W odróżnieniu od żeliwa szarego poziom siarki w wyjściowym żeliwie do sferoidyzacji powinien być odpowiednio niski i nie przekraczać 0.025%. Jakkolwiek nawęglacze syntetyczne CA90-5 i CA95-5 zawierają do 0,30% siarki, to wprowadzenie ich do wsadu stałego w ilości nawet do 3% nie spowoduje wyraźnego jej wzrostu w żeliwie wyjściowym, dlatego też można je stosować z powodzeniem również do wytapiania wszystkich gatunków żeliwa sferoidalnego.

     Ważne jest, aby utrzymać niski poziom azotu w żeliwie szarym i sferoidalnym. Poziom zawartości azotu od 0,004 do 0,009% jest poziomem normalnym w handlowych gatunkach żeliwa szarego. Przy tej zawartości azot wpływa korzystnie na tworzenie struktury perlitycznej i poprawia wytrzymałość na rozciąganie. Maksymalna rozpuszczalność azotu w żeliwie zależy od temperatury i wynosi: 37 cm³/100 g żeliwa w temperaturze 1300^oC; 30 cm³/100 g żeliwa w temperaturze 1240^oC ; 20 cm³/100 g żeliwa w temperaturze 1150^oC. Przy zawartości powyżej 0,009% żeliwo jest mniej podatne na zatrzymywanie gazu podczas krzepnięcia i azot może sprzyjać tworzeniu się nakłuć lub pęknięć, szczególnie w połączeniu z wodorem. Ważne jest zatem, aby zastosować nawęglacz o niskiej zawartości azotu, najlepiej poniżej 0,25%. Szczególnie niebezpieczne jest występowanie w żeliwie wodoru. Wodór podobnie jak i inne gazy rozpuszcza się w ciekłym żeliwie proporcjonalnie do jego temperatury przegrzania i podczas krzepnięcia może tworzyć w zakrzepłym odlewie porowatość gazową. Rozpuszczalność wodoru w żeliwie wynosi 36,5 cm³/100 g żeliwa w temperaturze 1400oC; 30 cm3/100 g żeliwa w temperaturze 1300^oC, 10-20 cm³/100 g żeliwa w temperaturze 1150^oC. Dlatego też zwracać należy szczególną uwagę na zawartość wodoru w składnikach wsadowych, w tym także w nawęglaczu. Nawęglacz grafitowy W85-Z oraz nawęglacze syntetyczne CA90-5 i CA95-5 odznaczają się bardzo niską zawartością azotu i wodoru, nie mają więc wpływu na powstawanie wad pochodzenia gazowego w odlewach.

Analiza porównawcza nawęglaczy W85-Z, CA90-5 i CA95-5

     Zestawienie podstawowych właściwości i parametrów technologicznych typowych nawęglaczy grafitowych i syntetycznych przetestowanych SINOGARF zawarto w poniższej tabeli (zakres zawartości poszczególnych składników i typowe analizy).

Analiza porównawcza nawęglaczy W85-Z, CA90-5 i CA95-5
Badany składnik [%]	W85-Z	Typowa analiza W85	CA90-5	Typowa analiza CA90-5	CA95-5	Typowa analiza CA95-5
Węgiel	min. 85	87,470	min. 90	91,680	min. 95	96,347
Siarka	max. 0,15	0,060	max. 0,30	0,170	max. 0,30	0,120
Azot	max. 0,05	0,021	max. 0,045	0,015	max. 0,030	0,010
Wodór	max. 0,10	0,072	max. 0,08	0,046	max. 0,050	0,035
Części lotne	max. 3,5	2,420	max. 1,5	1,391	max. 0,50	0,380
Popiół	max. 11,0	9,530	max. 7,0	6,689	max. 4,0	2,865
Przyswojenie węgla [%]	min. 75,0	84,250	min. 80	88,500	min. 85	92,450

Dobór i optymalizacja stosowania poszczególnych gatunków nawęglaczy

     Poszczególne gatunki oferowanych przez naszą Firmę nawęglaczy zostały sprawdzone w kilku czołowych Polskich Odlewniach, jako nawęglacze alternatywne do oferowanych obecnie na rynku. Przeprowadzono wiele prób produkcyjnych z zastosowaniem ich jako składnika wsadowego (razem z wsadem metalowym) lub na lustro ciekłego metalu do różnych gatunków żeliwa: szarego, sferoidalnego, nisko i wysokostopowego. Przeprowadzono również szereg badań laboratoryjnych potwierdzających skuteczność jego stosowania. W wyniku badań i kontroli całego procesu metalurgicznego opracowano optymalizację jego zastosowania.

     Najlepsze efekty nawęglania żeliwa uzyskano stosując nawęglacz dozowany do wsadu razem ze złomem stalowym. Przy dodawaniu nawęglacza na lustro ciekłego metalu, najlepsze przyswojenie uzyskano przy stosowaniu grafitu amorficznego W85-Z. Nawęglacze CA90-5 i CA95-5 wymagają przy dozowaniu ich na lustro znacznie wyższej temperatury ciekłego stopu, przekraczającej 1400^oC. W warunkach tych odlewni, gdzie istnieje konieczność dowęglenia ciekłego żeliwa, a nie można go przegrzać do wyższych temperatur zaleca się stosowanie dwóch gatunków nawęglacza. Do wsadu stałego należy stosować nawęglacz CA90-5 lub CA95-5, a na lustro stosować nawęglacz W85-Z. Należy nadmienić, że przy przestrzeganiu reżimu technologicznego przyswojenie węgla utrzymywać się powinno na poziomie ok. 5- 10% niższym od zawartości węgla w nawęglaczu.

     Można zatem stwierdzić, że prawie cała zawartość grafitu lub węgla przechodzi do żeliwa, a straty zawartości węgla przy jego przechodzeniu do stopu wynikają jedynie ze zgaru węgla, zależnego przede wszystkim od rodzaju i wielkości pieca i od warunków przeprowadzania wytopu. Na uwagę zasługuje fakt, że zastosowanie naszych nawęglaczy poprawiło zarówno morfologię grafitu w żeliwie, jak również zwiększenie liczby ziaren eutektycznych, co zaznaczono również w rozważaniach teoretycznych. Nie stwierdzono zachwiań składu chemicznego żeliwa, nie zaobserwowano również zwiększenia stopnia zagazowania stopów w porównaniu z innymi wiodącymi nawęglaczami.

Główne uwarunkowania i zalecenia gwarantujące wysoki stopień nawęglenia i jakości ciekłego stopu

     W zależności od profilu produkcji i wyposażenia poszczególne odlewnie posiadają i rozwijają własne doświadczenia w komponowaniu wsadu dla poszczególnych gatunków stopów żelaza wytapianych w piecach elektrycznych. Aby uzyskać maksymalne przyswojenie nawęglacza (jego uzysk) należy zachować poniższe uwarunkowania:

Nawęglacz powinien być dozowany na dno pieca razem ze złomem stalowym. Dzięki temu zapewnia się optymalne rozprowadzenie nawęglacza w piecu, zapewnia wymagany czas na jego pełne rozpuszczenie oraz stabilny i wysoki uzysk;

Przy regulacji zawartości węgla w piecu topialnym, przetrzymującym, zbiorniku lub kadzi metal powinien być czysty, a żużel dokładnie usunięty przed dodaniem nawęglacza;

Mieszanie naturalne (indukcyjne) lub sztuczne w trakcie i po dodaniu nawęglacza poprawia przyswojenie węgla;

Dodawanie nawęglacza na lustro metalu należy przeprowadzać kilkakrotnie dodając niewielkie jego udziały, szczególnie gdy metal zawiera już dużo C i Si;

Po roztopieniu metalu pobiera się próbkę i ewentualnie koryguje skład chemiczny, dodając zawsze nawęglacz przed dodatkiem Fe-Si;

Należy pamiętać, że największe przyswojenie węgla i wysoką jakość metalu uzyskuje się tak dobierając dodatek nawęglacza do wsadu stałego, aby po roztopieniu i przegrzaniu nie korygować składu poprzez dodatek nawęglacza na lustro metalu;

Należy kontrolować temperaturę ciekłego metalu w piecu, jeżeli jest on przetrzymywany w nim długo, tak aby nie doprowadzić do nadmiernego przegrzania. Metal przetrzymywany powinien mieć temperaturę niższą od temperatury inwersji, poniżej 1450⁰C;

Kiedy wylewamy metal z dużego pieca w kilku porcjach lub gdy metal jest przetrzymywany pomiędzy spustami i posiada temperaturę wyższą od 1450⁰C, pierwszy i ostatni spust może różnić się zawartością węgla. Wówczas należy dodawać nawęglacz na lustro metalu. Kiedy wiadomo, że metal będzie przetrzymywany należy dodać większą ilość nawęglacza - ok.0,15%.

Przy spełnieniu powyższych zaleceń można jako pewnik przyjąć, że przy stosowaniu naszych nawęglaczy jako dodatku do wsadu stałego obowiązuje równanie:

MG=P * ΔC * Q gdzie:

P - współczynnik przyswojenia węgla z nawęglacza. W zależności od gatunku nawęglacza i warunków przeprowadzenia wytopu kształtuje się w granicach:

dla nawęglacza W85-Z - 82-86%

dla nawęglacza CA90-5 - 85-92%

dla nawęglacza CA95-5 - 88-95%

ΔC - różnica zawartości węgla wymaganego w żeliwie i obliczona z wsadu stałego [%],
Q - pojemność pieca [kg],
MG - konieczny dodatek nawęglacza do wsadu stałego [kg]