浅谈铸铁的“预处理”（二）【转帖】

老翻砂匠

                                                                              

                 （接上期）

      四、预处理剂和预处理

      采用预处理工艺的目的，是使铁液中供石墨生核的异质晶核增多，并增强其在铁液中的稳定性。这样，铸铁就可以在较高的温度下发生共晶转变、析出石墨，并改善共晶转变时石墨的生核和长大的条件。

      预处理是针对感应电炉熔炼铸铁的问题研发的，主要适用于感应电炉熔炼。

      近年来，有报道说，用冲天炉熔炼时，在浇包中加入预处理剂也可得到很好的效果。其实际效果和工艺的可行性，还有待验证。

      还有报道说，由于焦炭价格不断攀升，国外的铸造厂曾尝试将低品位碳化硅碎料制成的烧结块，配用于冲天炉。结果，既可节省硅铁，又可代替部分焦炭，因而能使生产成本降低。这种工艺就不属于预处理的范畴了。

      1、预处理剂及其加入方法

      从预处理工艺开始研发之日起，碳化硅就是预处理剂的首选材料。今后，随着对预处理作用机制的认识逐渐深化，一定会有效果更好的新品种问世。

      1970年代，S. Russell公司所用的预处理剂中，就有碳化硅。因为他们是用于生产球墨铸铁件，同时还配加了硅铁镁合金。

      用于灰铸铁，当然不需要硅铁镁合金。

      即使是用于生产球墨铸铁件，硅铁镁合金也不宜在炉内加入铁液中。改为出炉后包中处理，则出炉后处理的工序太繁，铁液的温度下降过多，也不可取。因此，从上世纪80年代起，预处理剂就以全部用碳化硅者居多，主要是硅含量75％左右的冶金碳化硅。

      有关碳化硅的情况，将在后面的附件中作简单的介绍，为了了解其在预处理工程中的作用，这里先提及两项相关的特点。

      1）碳化硅的熔点很高，在2700℃以上，2600℃以下相当稳定。在熔炼铸铁的温度下，烧损量很少，而且不可能‘熔化’，只能逐步‘溶解’、扩散，因而其作用的时效相当长。

      2）碳化硅是将硅砂和焦炭（或石油焦）置于电极加热的电阻炉内，在1450～1900℃的高温下，由碳将SiO2还原而制得的。在制造、破碎、烧结过程中，SiC表面都会形成很薄的SiO2保护膜。这也就是SiC抗氧化能力特别强，能用作耐火材料和电热元件的原因。

      因此，一般的碳化硅，都含有5％左右的游离SiO2。

      碳化硅溶于铁液后，这种游离SiO2以非常微细的颗粒分散于铁液中，对于异质晶核的生成非常有益。国外有研究者认为，碳化硅的预处理作用主要在于含有这种游离SiO2。

      2、加入方法和加入量

      碳化硅加入后需要一定的时间使之溶于铁水，而且需要搅拌，以加速其溶解。用感应电炉熔炼时，可在出铁前将预处理剂加入炉中。考虑到碳化硅的密度低，约为3.2%～3.3％，熔清后加入，易浮在液面，还是随固体炉料一并加入为好。

      作为预处理剂，碳化硅的加入量一般为金属炉料的0.5%～1％。由于预处理的效果受铁液的成分、炉况条件以及作业方式等多种因素的影响，铸造厂都应该通过试验，求得适合企业具体条件的最佳用量。

      3、预处理剂的发展

      约在十年前，瑞典Elkem公司基于T. Skaland等人对铸铁中石墨生核进行的研究工作，考虑到Al、Ca、Zr等元素的硫化物、氧化物，都是异质晶核中的主要组成物，研制了一种新型预处理剂“Preseed”，其化学成分（％）如下：

                Si            Ca           Zr             Al

            62～69    0.6～1.9   3.0～5.0    3.0～5.0

      据称这种预处理剂的效果很好，用量比碳化硅少得多，只是金属炉料的0.1％左右。对于其实际应用的情况，目前我还一无所知。

      此外，也有用晶态石墨作预处理剂的报道。

      4、应用于灰铸铁

      用感应电炉熔炼灰铸铁时，在保持原铁液中硫含量不低于0.06％，且有一定的氧含量的条件下，采用预处理工艺，可使铸铁发生共晶转变时的过冷度减小，避免组织中出现B型、D型和E型石墨。组织中共晶团数量增多，铸铁的力学性能得以提高，而且比较稳定。

      如果应用得当，还可以明显减缓孕育作用的衰退。

      如果需要提高原铁液的硫含量，可按铸铁的实际成分加入FeS即可。

      提高铁液中的氧含量，最简便易行的措施是在炉料中配加30％左右的铸铁切屑，这样，既可以明显改善铸铁的显微组织，还能使废弃物得以循环利用。我曾经在美国见到几家铸造厂在大量生成中应用，我国上海华新铸造公司对从也有很成功的经验。

      生产薄壁铸件时，不仅可避免组织中出现碳化物，而且可使过冷石墨（B型和D型）减至最少。经预处理工艺的铁液，可用于砂型铸造，也可用于金属型铸造和离心铸造。

      5、应用于球墨铸铁

      预处理对于提高球墨铸铁件的质量也有明显的效果，既适用于制造薄壁（4～6mm）铸件，也适用于制造厚壁（约300mm）铸件。

      生产球墨铸铁件，希望在共晶凝固时得到足够多的石墨球数，而且球化率高、石墨球圆整。这样，晶间偏析物分散，可减轻晶界组织对铸铁性能的影响。

      用感应电炉熔炼时，先在炉内加入增碳剂和预处理剂。出铁时，在包内加球化剂（含镁3.6%、硅45.5%的硅铁镁合金），随后用75硅铁孕育。

      用碳化硅进行预处理，可以提高镁的收得率。如果保持残留镁量大致相同，则用碳化硅预处理后，球化剂加入量有可能减少10%左右，铸铁的激冷倾向也会随之较低。

      生产厚壁球墨铸铁件，采用预处理工艺，可以增加石墨球数量、改善石墨球形态。而且由于降低球化剂加入量，还有助于减少晶间析出物，对提高铸件质量也是非常有益的。

      尤其值得注意的是，采用预处理工艺，可以使铸铁力学性能参数值的波动范围缩小，铸件的加工性能改善。


      【供参考的附件】

      1、碳化硅的一些特性

      碳化硅的分子式是SiC，纯碳化硅是无色透明晶体。碳化硅的晶体结构可分为六方或菱面体结构的α-SiC和立方体结构的β-SiC两种，各种晶型SiC的形成与温度相关。

      α-SiC属高温稳定型，因碳原子和硅原子在其晶体结构中堆垒的不同而有很多不同的变体，已经知道的就不下100多种，如2Hα-SiC、4Hα-SiC、15Rα-SiC、6Hα-SiC等。

      β-SiC属低温稳定型，在1600℃以上，即缓慢地向α-SiC的多种变体转变；在2000℃以上，可转变为4Hα-SiC；在2100℃以上，可形成6H等变体。

      碳化硅有很多优异的性能：

      硬度极高，莫氏硬度9.5，仅次于金刚石，是理想的磨料；

      高温下化学稳定性高，热膨胀系数小，密度低而强度高，既是优质耐火材料，也广泛用于制造电热原件；

      在钢、铁的熔炼方面，低品级碳化硅是优良的增碳、增硅材料；

      粉状碳化硅，加入MgO-Al2O3-SiO2系烧结剂，经烧结可制成耐高温的多孔陶瓷滤片；碳化硅的热导率高、热稳定性好，用于热交换器，可显著改善能量的回收利用；

      高纯碳化硅可制造用于高级复合材料的晶须。

      此外，高纯碳化硅是继硅和砷化镓（GaAs）之后发展起来的第三代半导体材料。

      2、碳化硅的制备方法要点

      在陨石和地壳中发现过少量的天然碳化硅，但迄今为止还未发现可供开采的矿源。

      工业用碳化硅，1891年由美国人Acheson首先制成，因所含杂质的种类和含量不同，可呈浅黄、蓝、绿乃至黑色，透明度也因其纯度不同而异。

      用Acheson工艺生产工业用碳化硅的要点是：以石英砂和石油焦(或焦炭)为原料，在电阻炉内，将炉芯发热体置于两石墨电极之间，炉芯周围装炉料。由两电极供电，炉芯发热体的温度可达2500～2700℃。加热到1450℃以上，就开始发生反应，SiO2被碳还原而制成碳化硅。随着反应时间的延长，炉料中处于高温的范围增大，得到的SiC也增多。

      炉料部分由表及里反应的程度不一，依次是保温层、氧碳化硅层、烧结层、无定型层、三级品SiC层、二级品SiC层和一级品SiC层。

      其中一级品、二级品和三级品SiC等层的总厚度因炉子的功率而异，一般在50～45mm之间，产品主要是2H和4H型α-SiC晶体，含量在96％以上。其余未充分反应的各层，可在下次配料时混入炉料中。

      经处理的炉料，经破碎、酸碱洗、磁选、筛分、水选而得到粒度不同的产品。由于所用的原材料不同，工业用碳化硅中SiC含量可以是96％或更高一点，也可以是80％左右。

      Acheson工艺的优点是所用的原材料价格低廉、便于规模生产。缺点是能耗高，产品的SiC含量低，一级品出产率低。

      除上述工业用碳化硅的制造法外，还有多种制造高纯度碳化硅的方法，如采用微米、亚微米乃至纳米级SiO2粉料的碳热还原法，气相反应法。

      工业用碳化硅一般以粒状供应。通过烧结，可制成各种成形耐火材料、砂轮、油石、硅碳棒、空心方粱、块状料、多孔陶瓷滤片等适用于各方面的材料。

      在铸铁熔炼方面，作为合金材料或预处理剂使用的主要是粒状料和烧结块状料。我国生产碳化硅材料的地区主要有青海、宁夏、甘肃、河南和贵州等省、区。（完）   

高山流水

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