碳化硅在鑄鐵熔煉中的應(yīng)用效果

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061）

碳化硅作為一種人工合成材料，其熔點(diǎn)高，在2 700 ℃左右。根據(jù)純度不同而呈現(xiàn)不同的外觀顏色。碳化硅有著廣泛的用途，其中高純度的綠色碳化硅可以作為磨料使用；部分碳化硅作為耐火材料和耐腐蝕材料使用；冶金級(jí)黑色碳化硅越來(lái)越多的應(yīng)用于各種鑄鐵的熔煉當(dāng)中，能夠作為促進(jìn)異質(zhì)形核的核心長(zhǎng)時(shí)間存在，改善鑄鐵的可孕育性能。

1 生產(chǎn)條件

筆者所在單位使用中頻感應(yīng)電爐熔化鐵水，全功率熔化時(shí)長(zhǎng)約為0.9 h～1.3 h，爐料中以碳素廢鋼為主，約占總重量的60%～70%，回爐料約占30%～40%，使用高溫石墨化增碳劑對(duì)鐵水增碳，使用75硅鐵和錳鐵調(diào)整硅和錳的含量。

前期在灰鑄鐵熔煉中未使用碳化硅，隨著認(rèn)識(shí)的不斷深入，逐漸意識(shí)到碳化硅作為一種能夠調(diào)整鐵水成分和活性的爐料所起的作用后，將碳化硅納入到鑄鐵熔煉工藝流程當(dāng)中，并制定了相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如果碳化硅粒度過(guò)小，會(huì)在加料過(guò)程中被爐子的熱氣吹走，且會(huì)被鐵水表面的熔渣包裹而失效；但如果粒度過(guò)大，其起效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。根據(jù)碳化硅的以上特點(diǎn)，制定了碳化硅的粒度和成分要求。表1所示為本文所使用碳化硅的相關(guān)參數(shù)要求，其中碳化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為90%，自由碳比例小于3%.

表1 碳化硅檢驗(yàn)技術(shù)要求與實(shí)際測(cè)量值

碳化硅實(shí)物照片如圖1 所示，顏色為不透明的黑色，且?guī)в薪饘俟鉂?，存在少量粉末?/p>

2 使用方法

碳化硅加入方式與增碳劑類似，加入量為鐵水重量的0.5%到1.5%，在鐵料熔化完成40%～80%后加入。對(duì)不同加入時(shí)間的碳化硅使用效果進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)加入時(shí)間過(guò)早容易使碳化硅失去預(yù)處理劑的作用，僅起到調(diào)節(jié)成分的作用；加入時(shí)間過(guò)晚，碳化硅難以完全熔融入鐵水當(dāng)中，形成異質(zhì)夾雜物。

表2 所示為碳化硅在電爐熔化過(guò)程中的加料情況匯總，前3 爐一次將碳化硅全部加入，加入時(shí)間在鐵水熔化完成的60%～75%，后2 爐分為兩次加入，每次加入50%的碳化硅。

圖1 碳化硅照片

表2 碳化硅使用方法

3 應(yīng)用效果

3.1 碳化硅在灰鑄鐵中的應(yīng)用效果

以單鑄試棒為研究對(duì)象，表3 所示為碳化硅試驗(yàn)階段，試棒的抗拉強(qiáng)度、硬度和金相組織。從抗拉強(qiáng)度和硬度兩項(xiàng)來(lái)看，兩者均能滿足工藝要求。

表3 單鑄試棒理化性能

圖2 和圖3 所示為鑄件的石墨組織照片，可以看出，一次將碳化硅全部加入的石墨大小分布不均勻，局部位置石墨略有方向性。分批加入的碳化硅石墨大小均勻，石墨更加短粗，沒(méi)有過(guò)長(zhǎng)的石墨出現(xiàn)，并且分布更加無(wú)序。

3.2 碳化硅在蠕墨鑄鐵中的應(yīng)用效果

筆者所在單位生產(chǎn)蠕墨鑄鐵的缸體和缸蓋，鑄件蠕化率要求在80%，本體強(qiáng)度一般要求在400 MPa以上。蠕鐵縮松傾向比灰鑄鐵大，并且鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了保證鑄件的致密性，要求將鑄件鐵水的液相線溫度嚴(yán)格控制在1 138 ℃～1 147 ℃之間，即接近共晶的亞共晶狀態(tài)。

圖2 將碳化硅一次加入鑄件石墨形態(tài)

圖3 碳化硅分兩次加時(shí)鑄件石墨形態(tài)

用感應(yīng)電爐將鐵水熔化好后，一般約1 h 才能將鐵水用完，爐子中的鐵水長(zhǎng)時(shí)間處于高溫保溫狀態(tài)，鐵水中碳會(huì)因與氧氣接觸而燒損，造成液相線溫度不斷升高。

針對(duì)以上情況，結(jié)合碳化硅在灰鑄鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在蠕鐵原鐵水熔煉過(guò)程中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%左右的碳化硅，鐵水的液相線溫度比不使用碳化硅的鐵水液相線溫度穩(wěn)定，前三到四包鐵水液相線溫度能夠在不補(bǔ)加增碳劑的情況下保持穩(wěn)定，僅當(dāng)電爐中剩余爐底鐵水時(shí)需要少量補(bǔ)充增碳劑。如表4 所示為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的液相線溫度記錄，由此可見(jiàn)，蠕墨鑄鐵原鐵水熔化應(yīng)用碳化硅能夠穩(wěn)定鐵水碳當(dāng)量，提升鑄件成分一致性，有利于鑄件質(zhì)量提升。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

碳化硅在感應(yīng)電爐中應(yīng)用，除少部分粉末被炙熱爐氣沖走外，不存在其他的燒損。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%的碳化硅為例，其中含碳約27%，含硅約為63%，加入100 kg 碳化硅可以代替37.5 kg 75 硅鐵和70 kg 的增碳劑（增碳劑吸收率按90%計(jì)算）。盡管以上三種材料價(jià)格根據(jù)市場(chǎng)供求關(guān)系有所波動(dòng)，但每使用1 t 碳化硅代替硅鐵和增碳劑平均可以節(jié)約700～900 元人民幣。

4 機(jī)理分析

碳化硅化學(xué)性能穩(wěn)定，在鑄鐵熔煉溫度下不能被熔化，在鐵液中只能慢慢固溶，分解為碳和硅，因這一特性，碳化硅起作用的時(shí)間較硅鐵、硅鋇等爐前孕育劑慢，但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。針對(duì)碳化硅的這個(gè)特點(diǎn)，需要根據(jù)碳化硅的粒度具體確定在感應(yīng)電爐中的加入時(shí)間，如果所選用的碳化硅粒度偏小，加入時(shí)間可以適當(dāng)退后；碳化硅粒度大，則可以適當(dāng)提前碳化硅的加入時(shí)間。其目的是保證在鐵水出鐵澆注階段，碳化硅達(dá)到最佳孕育效果。

表4 爐前加入增碳劑與液相線溫度匯總

5 結(jié)論

1）碳化硅應(yīng)用于灰鑄鐵當(dāng)中能夠調(diào)節(jié)鐵水成分，并且可以改善鑄件微觀組織形態(tài)。碳化硅在蠕鐵中應(yīng)用還能夠穩(wěn)定蠕鐵原鐵水的碳當(dāng)量，避免鐵水當(dāng)中的碳燒損過(guò)快。

2）碳化硅在鐵水熔化的不同時(shí)間段分批次加入有利于碳化硅的吸收，并且可以延長(zhǎng)碳化硅的有效孕育時(shí)間。

3）鑄鐵熔煉過(guò)程使用碳化硅代替部分硅鐵和增碳劑，可以有效降低制造成本。