TWI516442B - Spheroidal graphite low-temperature manufacturing method and system - Google Patents

Description

球狀石墨之低溫製造方法及其系統

本發明係關於一種球狀石墨之低溫製造方法及其系統，尤其是一種能夠於低溫製程中，將碳粉加入鑄鐵熔湯，並促使球狀石墨由鑄鐵熔湯中飄浮出來，以進行收集石墨之連續、快速、一貫作業之製造技術。

目前，絕大多數電冶金或電解工業都使用人造石墨製品，即石墨化製品，而石墨化製品的物理化學性能，要比天然石墨製品强得多，其中石油焦、瀝青焦等碳素製品經過2000℃以上的高温熱處理後，能夠進行無定形碳轉化為石墨晶形之石墨化程序；因此傳統生產各種石墨化製品皆採用石油焦或瀝青焦為原料，而二者都是易石墨化之材料，故所生產之石墨化製品品質也較好。

由於石油焦必須加熱到1700℃以後才能進入石墨化時期，而瀝青焦則要加熱到2000℃左右才進入石墨化時期，而實際試驗中指出，石墨晶粒寬度與厚度的增長必須要於2000℃以後才比較明顯，一直到2300℃左右才能達到或接近天然石墨的晶格尺寸，比較完善的石墨化則要加熱到2500℃以上，所以，工業上生產石墨化產品的實際温度一般為2200~2300℃。

而傳統由石油焦、瀝青焦，經過高溫石墨化形成為球狀石墨之技術，雖然已於工業上行之有年，其優點係能夠控制石墨之粒度大小，但其缺點則是石墨化所用的溫度太高(約為2200~2300℃之間)，因此石墨化爐的設計及操作，其挑戰極大，同時會對環境造成嚴重污染。

因此，本發明係為了能夠於低溫製程中生產並精煉出球狀石墨，而傳 統之石油焦、瀝青焦等碳素製品則必須於2200~2300℃之間，才能形成品質較好的石墨化製品，故本發明也使用一種不同於傳統石油焦、瀝青焦之材料，並將碳粉加入鑄鐵熔湯，促使球狀石墨自動由鑄鐵熔湯中飄浮出來，以便於低溫製程中連續、快速、一貫作業生產出品質良好之球狀石墨； 另外，於近幾年的研究中發現(AFS Trans.,Vol.101(1993)447-458.)，有下列幾個現象，會造成球墨鑄件石墨漂浮，其現象說明下：

(1)A.P.Druschitz與W.W.Chaput研究發現，若縮短凝固時間(約10分鐘)，隨着澆注温度升高，石墨漂浮傾向降低。

(2)當碳當量過高，以致鐵液在高溫時就析出大量石墨。由於石墨的密度比鐵液小，在鎂蒸汽的帶動下，使石墨漂浮到鑄件上部。碳當量越高，石墨漂浮現象越嚴重。應當指出，碳當量太高是產生石墨漂浮的主要原因。

(3)在碳當量維持不變的條件下，適當降低含矽量，有助於降低產生石墨漂浮的傾向。

故本發明能夠藉鎂與矽的催化作用，同時球化與石墨化加入的碳粉，再如同上述研究可知，於製程中，將澆注温度降低，提高碳、矽含量，將能夠於製造過程中，增加石墨漂浮的數量，如此應為一最佳解決方案。

本發明即在於提供一種球狀石墨之低溫製造方法及其系統，係為一種於低溫製程中，將碳粉加入鑄鐵熔湯，並促使球狀石墨由鑄鐵熔湯中飄浮出來，以進行收集石墨之連續、快速、一貫作業之製造技術。

可達成上述發明目的之球狀石墨之低溫製造方法及其系統，其步驟為： 使用石墨鑄鐵熔煉製造技術，將鑄鐵進行熔融處理，以形成一鑄鐵熔湯，並於鑄鐵熔湯中連續加入碳粉；於鑄鐵熔湯中，陸續增加石墨化劑、成核劑及球狀化劑，其中該石墨化劑能使碳粉形成石墨化，而該成核劑係用以提高石墨聚合物之結晶度，且該球狀化劑係使碳粉形成球化；於鑄鐵熔湯中，增加碳含量及調整石墨化劑、成核劑及球狀化劑之含量，以使球狀石墨能夠由鑄鐵熔湯中持續飄浮出來；再藉由氣體吹送與靜電除塵，以進行收集粉狀石墨；以及將氣體進行回收，並將取得之粉狀石墨進行酸洗純化。

更具體的說，所述石墨鑄鐵熔煉製造技術係為感應爐、雷射或是電子束等能夠用以熔煉鑄鐵之技術。

更具體的說，所述鑄鐵熔湯之溫度範圍為1500~1600℃。

更具體的說，於1500~1600℃之溫度進行熔煉處理，並於鑄鐵熔湯中連續加入碳粉後，其鑄鐵熔湯內係會結晶出球狀石墨，而增加碳、矽含量之後，則能使球狀石墨由鑄鐵熔湯中持續飄浮出來。

更具體的說，所述石墨化劑係為Si，而於鑄鐵熔湯中連續加入碳粉時，能夠一併加入石墨化劑，用以增加鑄鐵熔湯中的矽含量，以促進碳粉石墨化的程度。

更具體的說，所述成核劑係為SiSr與BiFe混合而成。

更具體的說，所述成核劑係為SiFe與BiFe混合而成。

更具體的說，所述球狀化劑係為REMg，而於鑄鐵熔湯中連續加入碳粉時，能夠一併加入球狀化劑，以增加鑄鐵熔湯中的鎂或稀土含量，以使 石墨球化，形成球狀石墨。

更具體的說，所述酸洗純化係指使用酸性溶液將粉狀石墨進行酸洗處理。

另外，本發明球狀石墨之低溫製造系統，係包含一鑄鐵熔湯槽，該鑄鐵熔湯槽內係區分為鑄鐵熔湯區、入料區與石墨收集區，其中該鑄鐵熔湯區之底部係具有一斜面，而該鑄鐵熔湯區係用以於將鑄鐵進行熔融處理，並於該鑄鐵熔湯區中形成一鑄鐵熔湯，另外，該入料區頂端係連接有一入料管口，以由該入料管口將碳粉及矽粉加入該鑄鐵熔湯中，且該石墨收集區中係設有至少一個入氣孔及至少一個吸取口；一送氣設備，係連接於該石墨收集區之入氣孔，以將氣體輸入該石墨收集區中，用以吹動由該鑄鐵熔湯中所飄浮之球狀石墨，以形成粉狀石墨；一粉塵收集設備，係與該吸取口及該送氣設備相連接，該粉塵收集設備係具有一氣體吸取裝置、一過濾裝置及一氣體回收裝置，而該過濾裝置係設置於該氣體吸取裝置及該氣體回收裝置之間，該氣體吸取裝置由該吸取口收集該粉狀石墨後，該氣體回收裝置能夠將收集之粉狀石墨所連帶之氣體抽走回收，而位於該氣體吸取裝置及該氣體回收裝置之間的過濾裝置則能夠收集到粉狀石墨，且該氣體回收裝置所抽走回收之氣體則再次輸入該送氣設備中；以及一酸洗設備，係與該粉塵收集設備之過濾裝置相連接，該過濾裝置所收集之粉狀石墨能夠輸送至該酸洗設備中進行酸洗處理。

更具體的說，所述粉塵收集設備之氣體回收裝置係能夠透過一輸氣管路與該送氣設備相連接。

更具體的說，所述入料區與該石墨收集區之間係設置有一隔板。

有關於本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚呈現。

請參閱圖一，為本發明一種球狀石墨之低溫製造方法及其系統之製造流程圖，由圖中可知，其步驟為：1. 使用石墨鑄鐵熔煉製造技術，將鑄鐵進行熔融處理，以形成一鑄鐵熔湯，並於鑄鐵熔湯中連續加入碳粉101；2. 於鑄鐵熔湯中，陸續增加石墨化劑、成核劑及球狀化劑，其中該石墨化劑能使碳粉形成石墨化，而該成核劑係用以提高石墨聚合物之結晶度，且該球狀化劑係使碳粉形成球化102；3. 於鑄鐵熔湯中，增加碳含量及調整石墨化劑、成核劑及球狀化劑之含量，以使球狀石墨能夠由鑄鐵熔湯中持續飄浮出來103；4. 再藉由氣體吹送與靜電除塵，以進行收集粉狀石墨104；以及5. 將氣體進行回收，並將取得之粉狀石墨進行酸洗純化105。

本發明中所使用之石墨化劑係為矽(Si)，成核劑係為SiSr與BiFe混合而成、SiFe與BiFe混合而成，球狀化劑係為REMg，其中由於矽是石墨的促進劑，可以分解為雪明碳鐵，含量愈高，愈容易石墨化(Graphitization)，而球狀化劑能夠使析出的石墨球化(Spheroidization)，本發明中所使用之球狀化劑係為REMg，在REMg合金中鎂(Mg)是主要的球化元素，而稀土(RE)對球化的貢獻主要是為鎂掃除障礙，其中稀土是非常活潑的元素，能夠去氧脫硫淨化鐵水，並中和球化干擾元素；因此當鑄鐵熔湯中連續加入碳粉後，則能夠加入矽及鎂，以促使所加入之碳粉能夠逐漸石墨化與球 化；另外，本發明能夠進行兩次成核處理(Nucleation)，第一次成核將SiSr與BiFe混合而成之成核劑加入鑄鐵熔湯中，第二次成核則將SiFe與BiFe混合而成之成核劑加入鑄鐵熔湯中，而第一次及第二次的成核處理除了能夠提高石墨聚合物之結晶度之外，更能夠防止球化衰退、石墨球數減少等缺陷。

另外，由A.P.Druschitz與W.W.Chaput研究中發現，若縮短凝固時間，隨着澆注温度升高，石墨漂浮傾向降低，同時，由於碳、矽含量過高時，會造成石墨漂浮現象越嚴重，因此，若能夠於球化石墨成型後，由於整體溫度較低(1500~1600℃)，並於鑄鐵熔湯中增加碳、矽含量，將能夠使石墨漂浮傾向提高，如此球化石墨將能夠自動漂浮於鑄鐵熔湯表面上，之後，再藉由氬氣或鈍氣吹送，將使得球化石墨聚集形成粉狀石墨，再藉由靜電除塵作用，收集粉狀石墨。

最後，進行回收氬氣或鈍氣，並將粉狀石墨使用酸性溶液進行酸洗處理，即可取得球化石墨。

另外，本發明之球狀石墨之低溫製造系統1係包含一鑄鐵熔湯槽11、一送氣設備12、一粉塵收集設備13以及一酸洗設備14，由圖二及圖三中可知，其中該鑄鐵熔湯槽11內係區分為鑄鐵熔湯區111、入料區112與石墨收集區113，該鑄鐵熔湯區111之底部係具有一斜面1111，而該鑄鐵熔湯區111係用以於將鑄鐵進行熔融處理，並於該鑄鐵熔湯區111中形成一鑄鐵熔湯，且該入料區112頂端係連接有一入料管口1121，以由該入料管口1121將碳粉(原料)、石墨化劑、成核劑及球狀化劑加入該鑄鐵熔湯中，且該石 墨收集區113中係設有至少一個入氣孔1131及至少一個吸取口1132；而該入料區112與該石墨收集區113之間係設置有一隔板114，因此當該連接於該入氣孔1131之送氣設備12將氣體輸入該石墨收集區113中，用以吹動由該鑄鐵熔湯中所飄浮之球狀石墨，而該隔板114除了能夠避免加入之碳粉及矽粉飄到該石墨收集區113之外，更能夠將送氣設備12所吹入之氣體集中於該石墨收集區113中，以於該石墨收集區113中形成氣旋現象，而球狀石墨將會被吹起形成粉狀石墨，其中粉狀石墨係為sp²結晶結構；之後，由與該吸取口1132及該送氣設備12相連接之粉塵收集設備13進行粉狀石墨收集，而該粉塵收集設備13係具有一氣體吸取裝置131、一過濾裝置132及一氣體回收裝置133，其中該氣體吸取裝置131與該吸取口1132相接，而該氣體回收裝置133透過一輸氣管路1331與該送氣設備12相連接，且該過濾裝置132係設置於該氣體吸取裝置131及該氣體回收裝置133之間，因此當該氣體吸取裝置131由該吸取口1132吸取該粉狀石墨後，則啟動該氣體回收裝置133，以由該氣體回收裝置133將收集之粉狀石墨所連帶之氣體抽走回收，而粉狀石墨則會停留於該過濾裝置132上，以收集到粉狀石墨，另外該氣體回收裝置133所抽走回收之氣體，則透過該輸氣管路1331將抽出之氣體輸入該送氣設備12中；而該過濾裝置132所收集之粉狀石墨，則會再送至與該過濾裝置132相連接之酸洗設備14，以於該酸洗設備14中進行酸洗處理。

本發明所提供之一種球狀石墨之低溫製造方法及其系統，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：

1. 本發明於低溫製程中，將碳粉加入鑄鐵熔湯，並藉石墨化劑、成核劑及球狀化劑的催化作用，以於鑄鐵熔湯中促使碳粉石墨化及球化，因此在不斷加入碳粉的過程中，將能夠持續於鑄鐵熔湯中形成球狀石墨，之後，再調整碳、石墨化劑、成核劑及球狀化劑之成分，將能夠自動促使球狀石墨由鑄鐵熔湯中飄浮出來，再藉由氬氣或鈍氣吹送與靜電除塵作用，以進行收集石墨。

2. 本發明藉由研究中所提出的導致石墨於鑄鐵過程中飄浮出來的因素，應用於石墨產生製程，雖然於某些製程中導致石墨飄浮之因素是一種困擾，但於本發明中，卻是能夠於低溫環境下，更方便製造球狀石墨的一種製造方法。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

1‧‧‧低溫製造系統

11‧‧‧鑄鐵熔湯槽

111‧‧‧鑄鐵熔湯區

1111‧‧‧斜面

112‧‧‧入料區

1121‧‧‧入料管口

113‧‧‧石墨收集區

1131‧‧‧入氣孔

1132‧‧‧吸取口

114‧‧‧隔板

12‧‧‧送氣設備

13‧‧‧粉塵收集設備

131‧‧‧氣體吸取裝置

132‧‧‧過濾裝置

133‧‧‧氣體回收裝置

1331‧‧‧輸氣管路

14‧‧‧酸洗設備

圖一為本發明球狀石墨之低溫製造方法及其系統之製造流程圖；圖二為本發明球狀石墨之低溫製造方法及其系統之系統架構圖；以及圖三為本發明球狀石墨之低溫製造方法及其系統之系統設備示意圖。

Claims (8)

1. 一種球狀石墨之低溫製造方法，其步驟為：使用石墨鑄鐵熔煉製造技術，將鑄鐵進行熔融處理，以形成一鑄鐵熔湯，並於鑄鐵熔湯中連續加入碳粉；於鑄鐵熔湯中，陸續增加石墨化劑、成核劑及球狀化劑，其中該石墨化劑能使碳粉形成石墨化，而該成核劑係用以提高石墨聚合物之結晶度，且該球狀化劑係使碳粉形成球化；其中該石墨化劑係為Si，該石墨化劑成份為1.8wt%，而於鑄鐵熔湯中連續加入碳粉時，能夠一併加入石墨化劑，用以增加鑄鐵熔湯中的矽含量，以促進碳粉石墨化的程度，而該成核劑係為SiSr與BiFe或SiFe與BiFe混合而成、其中成核劑成份為0.1~0.3wt%，且該球狀化劑係為REMg、其中球狀化劑成份為0.1~0.3wt%，而於鑄鐵熔湯中連續加入碳粉時，能夠一併加入球狀化劑，以增加鑄鐵熔湯中的鎂或稀土含量，以使石墨球化，形成球狀石墨；於鑄鐵熔湯中，增加碳含量及調整石墨化劑、成核劑及球狀化劑之含量；再藉由氣體吹送與靜電除塵，以進行收集粉狀石墨；以及將氣體進行回收，並將取得之粉狀石墨進行酸洗純化。
2. 如申請專利範圍第1項所述球狀石墨之低溫製造方法，其中該石墨鑄鐵熔煉製造技術係為感應爐、雷射或是電子束等能夠用以熔煉鑄鐵之技術。
3. 如申請專利範圍第1項所述球狀石墨之低溫製造方法，其中該鑄鐵熔 湯之溫度範圍為1500~1600℃。
4. 如申請專利範圍第3項所述球狀石墨之低溫製造方法，於1500~1600℃之溫度進行熔煉處理，並於鑄鐵熔湯中連續加入碳粉後，其鑄鐵熔湯內係會結晶出球狀石墨，而增加碳、矽含量之後，則能使球狀石墨由鑄鐵熔湯中持續飄浮出來。
5. 如申請專利範圍第1項所述球狀石墨之低溫製造方法，酸洗純化係指使用酸性溶液將粉狀石墨進行酸洗處理。
6. 一種球狀石墨之低溫製造系統，係包含：一鑄鐵熔湯槽，該鑄鐵熔湯槽內係區分為鑄鐵熔湯區、入料區與石墨收集區，其中該鑄鐵熔湯區之底部係具有一斜面，而該鑄鐵熔湯區係用以於將鑄鐵進行熔融處理，並於該鑄鐵熔湯區中形成一鑄鐵熔湯，另外，該入料區頂端係連接有一入料管口，以由該入料管口將碳粉及矽粉加入該鑄鐵熔湯中，且該石墨收集區中係設有至少一個入氣孔及至少一個吸取口；一送氣設備，係連接於該石墨收集區之入氣孔，以將氣體輸入該石墨收集區中，用以吹動由該鑄鐵熔湯中所飄浮之球狀石墨，以形成粉狀石墨；一粉塵收集設備，係與該吸取口及該送氣設備相連接，該粉塵收集設備係具有一氣體吸取裝置、一過濾裝置及一氣體回收裝置，而該過濾裝置係設置於該氣體吸取裝置及該氣體回收裝置之間，該氣體吸取裝置由該吸取口收集該粉狀石墨後，該氣體回收裝置能夠將收集之粉狀石墨所連帶之氣體抽走回收，而位於該氣體吸取裝置及該氣體回收裝 置之間的過濾裝置則能夠收集到粉狀石墨，且該氣體回收裝置所抽走回收之氣體則再次輸入該送氣設備中；以及一酸洗設備，係與該粉塵收集設備之過濾裝置相連接，該過濾裝置所收集之粉狀石墨能夠輸送至該酸洗設備中進行酸洗處理。
7. 如申請專利範圍第6項所述球狀石墨之低溫製造系統，其中該粉塵收集設備之氣體回收裝置係能夠透過一輸氣管路與該送氣設備相連接。
8. 如申請專利範圍第6項所述球狀石墨之低溫製造系統，其中該入料區與該石墨收集區之間係設置有一隔板。