冒口廠(chǎng)家淺談碳化硅在鑄鐵生產(chǎn)中應用

提高鐵水的冶金質(zhì)量，生產(chǎn)質(zhì)量穩定的高牌號灰鑄鐵件和鑄態(tài)球墨鑄鐵件，保證獲得理想的金相組織和力學(xué)性能，防止金相惡化、縮松、皮下氣孔等鑄造缺陷，是鑄造企業(yè)努力追求的目標。鑄鐵件生產(chǎn)中存在著(zhù)的問(wèn)題較多，比如使用低質(zhì)爐料引起鐵液夾雜物較多、純凈度低，灰鑄鐵件孕育效果差，過(guò)冷石墨超標（D、E型石墨）或石墨片粗大，導致力學(xué)性能不合格；球墨鑄鐵件中球化不良，石墨球數少，球經(jīng)大圓整度差，鎂的消耗大；薄壁鑄件游離碳化物超標；鑄件縮松、疏松引起滲漏等，解決這些問(wèn)題的有效途徑就是改善鑄鐵熔煉的冶金條件，而碳化硅經(jīng)過(guò)大量生產(chǎn)實(shí)踐驗證是一種能有效改善鑄鐵冶金質(zhì)量的重要材料之一。目前碳化硅在鑄鐵生產(chǎn)中的應用主要用于兩方面：一是作增碳增硅劑用于合成鑄鐵；二是作為預處理劑用于鐵液球化和孕育前的鐵液預處理。

（一）     SiC在合成鑄鐵中的應用

（1）碳化硅選定理論依據：

   SiC加入灰鐵中可促進(jìn)A型石墨的生成，改善冶金質(zhì)量，提高鐵液的純凈度 ，而且SiC對孕育處理的回應能力很好。使用碳化硅可以同時(shí)達到增碳增硅的目的，但主要是增硅，而且廢鋼（普通碳素鋼）的碳硅含量低（C＜0.4%左右），組織細密，成熟度高，所以利用SiC和增碳劑的配合使用，可以獲得組織和性能更優(yōu)越的合成鑄鐵。

     碳化硅的作用機理可能與碳化硅的熔解過(guò)程有關(guān)。與硅鐵不同，碳化硅有很高的熔點(diǎn)，在鐵水中不是熔化而是慢慢溶解，在溶解過(guò)程中不但向周?chē)峁┕柙?，還提供碳原子。同時(shí)碳化硅在鐵水溶解過(guò)程中，在其周?chē)纬稍S多細小的顆粒，這些顆粒再溶解，溶解后形成許多碳原子集團，這些碳原子集團就作為后來(lái)石墨形核的基礎。碳化硅對球鐵原鐵水處理具有顯著(zhù)的減少白口傾向、消除反白口、改善組織的作用。

    對所有的鑄鐵來(lái)說(shuō)（灰鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵），鐵液中晶核的存在都有助于鐵液按照鐵—石墨穩定系凝固。鑄鐵的凝固過(guò)程有兩種形核條件：一種是奧氏體形核（目前沒(méi)有這方面的應用）；另一種是石墨形核。目前的理論認為，為促進(jìn)形成灰鑄鐵，需要有適當的并且有活性的結晶核心，這種核心是一種含有Ca、Ba、Sr、RE等活性元素的氧硫復雜化合物。進(jìn)一步的理論認為，鐵液中適當尺寸，沒(méi)有溶解的石墨質(zhì)點(diǎn)存在，可以作為促進(jìn)先共晶和共晶石墨析出核心。也就是說(shuō)，為了形成球狀石墨核心，需要鑄造用硅鐵和碳化硅等（含有Ca、Ba、Sr、RE,等活性元素），鐵液中石墨質(zhì)點(diǎn)的存在有助于提高球狀石墨核心的數量。實(shí)驗和生產(chǎn)實(shí)踐都表明在存在異質(zhì)核心的情況下，碳化硅可以通過(guò)增加鐵液中晶核點(diǎn)的數量來(lái)促進(jìn)形核。因此在合成鑄鐵中，為了提高鐵液的形核能力，在碳化硅的作用下，鐵液的形核能力得到提高，進(jìn)一步影響凝固過(guò)程，從而改善鑄鐵微觀(guān)組織。

（2）SiC在合成鑄鐵中的應用研究

1. 鐵液中C、Si、Mn、P、S對SiC吸收率的影響：

   在一定條件下，隨著(zhù)鐵液中初始炭量和硅量的增加，SiC的吸收率會(huì )降低。初始碳量每增加0.1%，SiC的吸收率大約降低2%~3%；初始硅量每增加0.1%，SiC的吸收率大約降低3%~4%；隨著(zhù)鐵液中硫、磷含量的增加，SiC的吸收率也會(huì )降低，硫量每增加0.01%，SiC的吸收率大約降低2%~3%；磷量每增加0.01%，SiC的吸收率大約降低1%~2%；而對于鐵液中的錳含量來(lái)說(shuō)，隨著(zhù)鐵液中錳含量的增加，SiC的吸收率反而增加，錳量每增加0.1%，SiC的吸收率大約增加2%~3%。

2. SiC的加入量對SiC吸收率的影響：

   在生產(chǎn)碳化硅增碳增硅合成鑄鐵中，碳化硅的加入量對其增碳增硅效果有著(zhù)重要影響，在熔煉時(shí)，隨著(zhù)碳化硅加入量的增加，吸收率逐漸降低，加入量少，不能達到增碳增硅的要求，加入量過(guò)多，鐵液硅量超標。實(shí)驗表明：當碳化硅的加入量小于1%時(shí)，碳和硅的吸收率為85%~95%，當加入量為1%~2%時(shí)，碳和硅的吸收率為80%~90%，當加入量為,2%~3%時(shí)，碳和硅的吸收率為70%~80%。

3. 熔煉溫度對SiC吸收率的影響：

    熔煉溫度在1400~1450℃時(shí)，SiC在鐵液中未完全溶解，擴散速度較慢，SiC的吸收率較低；隨著(zhù)熔煉溫度的升高，SiC的吸收率呈增加趨勢，但SiC熔煉溫度大于1600℃時(shí)，雖然碳化硅能完全溶解，但SiC的吸收率增加趨勢減緩，反而此溫度下鐵水的吸氣、氧化加重，能耗也高；因此將熔煉溫度設置在1500~1550℃，此溫度既能保證SiC具有較高的吸收率，也能保證鐵水質(zhì)量，且能降低能耗。

4）SiC的加入時(shí)間對SiC吸收率的影響：

   因SiC密度較小，如果在爐料完全熔化后加入，SiC將浮在鐵液上，使之不能充分溶解，SiC吸收率相對較低；廢鋼能夠將SiC碳化硅壓入鐵液中，使SiC不易上浮，且長(cháng)時(shí)間在鐵液中溶解擴散，SiC的吸收率較高。試驗表明，在加入量、SiC粒度、熔煉溫度都相同的條件下，選擇在爐料完全熔化后加入，SiC的吸收率為70%~80%，而選擇在裝料時(shí)加入，SiC的吸收率提高到80%~90%。

5）SiC的粒度對吸收率的影響：

    SiC的粒度要恰當選用，粒度過(guò)小雖然比表面積增大，但由于浮于鐵液表面，難以用廢鋼壓入鐵液中，因而與鐵液接觸的總面積不一定增加，同時(shí)一些熔渣上浮，易將SiC與鐵液隔開(kāi)，降低碳化硅的吸收率；粒度過(guò)大，SiC的比表面積降低，同樣也降低吸收率。實(shí)驗表明，當SiC的粒度1~6mm時(shí)，吸收率為75%~80%；當SiC的粒度6~20mm時(shí)，吸收率為80%~90%；當SiC的粒度大于20mm時(shí)，SiC的吸收率逐漸降低，吸收率為70%~80%。

(3)碳化硅在合成鑄鐵中應用案例：

1)用碳化硅增碳增硅生產(chǎn)合成灰鑄鐵HT300：

用碳化硅增碳增硅生產(chǎn)合成灰鑄鐵HT300的化學(xué)成分

對HT300加入1.5%碳化硅（SiC＞90%），原材料選擇廢鋼60%+回爐料40%，在熔煉過(guò)程中加入0.1%左右的硫化鐵做增硫劑，選擇1480~1500℃的出爐溫度，出爐時(shí)澆注直徑30mm的抗拉試棒。

2）用碳化硅增碳增硅生產(chǎn)合成球墨鑄鐵QT450-10：

用碳化硅增碳增硅生產(chǎn)合成球墨鑄鐵QT450-10的化學(xué)成分

對QT450-10加入1.5~1.8%%碳化硅（SiC＞90%），原材料選擇廢鋼60%+回爐料40%，選擇1500~1520℃的出爐溫度，出爐時(shí)澆注成“Y”型試塊。

（二）     碳化硅作為預處理劑在鑄鐵中的應用

（1）          碳化硅作為預處理劑的理論依據

碳化硅的溶解特性：SiC在鐵液中并不熔化，僅逐漸溶解，導致在SiC微粒周?chē)植繀^域碳和硅的富集和許多細小的過(guò)共晶區域，從而在該處析出許多石墨團簇和碳微粒，它們在一定時(shí)間、在熱力學(xué)上是穩定的，在預孕育中起著(zhù)很重要的作用。用作預處理用的冶金SiC含有百分之幾的SiO2，它在部分SiC微粒外形成保護層（其熔點(diǎn)是1712℃），阻礙了SiC的溶解，從而延遲了碳集聚物的析出和存留時(shí)間。

SiC的溶解吸熱過(guò)程（硅鐵是放熱過(guò)程），降低了局部Si和C富集區向鐵液中的擴散速度。

從碳化硅的溶解特性的角度分析，它是一種十分理想的長(cháng)效孕育劑，理由如下：

1. SiC孕育劑顆粒表面生成的SiO₂膜阻隔（或延緩了）碳、硅元素在熔液中的擴散過(guò)程，防止過(guò)快自身濃度勻化，減少石墨衰退，十分利于長(cháng)效孕育。

2. SiC與FeSi孕育劑相比，SiC更能承受鐵液溫度不穩定，造成孕育不良效果的影響，即無(wú)論溫度低或偏高，均可達到好的孕育效果。溫度低時(shí)（在保證SiC處理所要求的低溫度前提下），SiC顆粒表面生成的SiO₂膜不會(huì )被鐵液中的C去和SiO₂反應，將SiO₂膜消失或變薄，因為鐵液中的碳必須在溫度超過(guò)一定值后，才能有碳出現，按：SiO₂ + [C] = Si + CO↑ 式子進(jìn)行。

如果鐵液溫度過(guò)高，超過(guò)了臨界值，從熱力學(xué)角度看，熔液中有[C]出現，它必然要與SiC顆粒外殼SiO₂膜反應，破壞或消耗SiO₂膜?？墒菍?shí)踐證明，SiC顆粒附近存在一個(gè)富Si層，它阻礙了這上面[C]還原反應的進(jìn)行。所以，不管是低溫或高溫，孕育結果穩定。

3. 用SiC做孕育劑所得到的石墨核心數要比FeSi的多，一方面，“Ｃ”直接做了核心；另一方面，富Si微區使它附近的“Ｃ”過(guò)飽和。以石墨析出。核心數量多與受SiO₂膜保護，以及富Si、富C的液體“圍墻”擋住，這三條件足以使它變成長(cháng)效孕育劑及預處理劑。

4. SiC經(jīng)人工氧化后形成一定數量的裂開(kāi)SiO₂膜，可保證孕育結果穩定，可人為控制。

5. SiC起到了保證長(cháng)效孕育功能的Si源作用。

（2）碳化硅預處理劑在灰鑄鐵、球墨鑄鐵生產(chǎn)中的作用：

1. SiC在灰鐵預處理中的作用：

（A）促進(jìn)A型石墨的形成;

(B)減少共晶過(guò)冷度;

(C)增加共晶團數;

(D)減少初生奧氏體過(guò)冷度，初生奧氏體樹(shù)枝晶多且短，有利于形成A型石墨;

2. SiC在球鐵預處理中的作用：

A)增加石墨球數，提高石墨球圓整度；

B)降低鐵液過(guò)冷度，減小白口傾向；

C)具有脫氧功能，凈化鐵液，可減輕銹蝕爐料中氧化物的有害影響；

C）提高鎂的收得率，減少球化劑的加入量；

D）改善鑄件的力學(xué)性能和機加工性能；

(3)不同硅含量的SiC預孕育劑效果比較：

SiC84＞SiC98＞＞SiC99.99  

趨勢是：共晶團數由多變少，過(guò)冷度由小變大

試驗證明，選用84-88％左右的碳化硅，它含SiO2微細質(zhì)點(diǎn)多，是最適合做鐵液預處理劑的，同時(shí)，不能用含較多的廢粉量，它價(jià)格低廉。

（4）碳化硅作為預處理劑的使用方法：

 1.在電爐熔煉中使用時(shí)，可在出鐵前10分鐘左右扒盡鐵液表面的熔渣，把碳化硅（3~5mm）加到鐵液表面即可，建議加入量0.5%。

2.沖天爐熔煉生產(chǎn)中，生產(chǎn)高牌號灰鐵時(shí)，加入鐵液處理包中沖入高溫鐵液即可；生產(chǎn)球鐵件時(shí)，將碳化硅（1~3 mm）放在球化劑凹坑的的另一側或撒在球化劑覆蓋物的最上層，沖入鐵液。建議加入量0.4%。

3.碳化硅的增硅量按加入量的50%計算。