碳化硅在铸铁熔炼中的应用效果

2020-03-04

铸造设备与工艺 2020年6期

（潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261061）

碳化硅作为一种人工合成材料，其熔点高，在2 700 ℃左右。根据纯度不同而呈现不同的外观颜色。碳化硅有着广泛的用途，其中高纯度的绿色碳化硅可以作为磨料使用；部分碳化硅作为耐火材料和耐腐蚀材料使用；冶金级黑色碳化硅越来越多的应用于各种铸铁的熔炼当中，能够作为促进异质形核的核心长时间存在，改善铸铁的可孕育性能。

1 生产条件

笔者所在单位使用中频感应电炉熔化铁水，全功率熔化时长约为0.9 h～1.3 h，炉料中以碳素废钢为主，约占总重量的60%～70%，回炉料约占30%～40%，使用高温石墨化增碳剂对铁水增碳，使用75硅铁和锰铁调整硅和锰的含量。

前期在灰铸铁熔炼中未使用碳化硅，随着认识的不断深入，逐渐意识到碳化硅作为一种能够调整铁水成分和活性的炉料所起的作用后，将碳化硅纳入到铸铁熔炼工艺流程当中，并制定了相应的企业标准。如果碳化硅粒度过小，会在加料过程中被炉子的热气吹走，且会被铁水表面的熔渣包裹而失效；但如果粒度过大，其起效时间过长。根据碳化硅的以上特点，制定了碳化硅的粒度和成分要求。表1所示为本文所使用碳化硅的相关参数要求，其中碳化硅的质量分数约为90%，自由碳比例小于3%.

表1 碳化硅检验技术要求与实际测量值

碳化硅实物照片如图1 所示，颜色为不透明的黑色，且带有金属光泽，存在少量粉末。

2 使用方法

碳化硅加入方式与增碳剂类似，加入量为铁水重量的0.5%到1.5%，在铁料熔化完成40%～80%后加入。对不同加入时间的碳化硅使用效果进行检测，发现加入时间过早容易使碳化硅失去预处理剂的作用，仅起到调节成分的作用；加入时间过晚，碳化硅难以完全熔融入铁水当中，形成异质夹杂物。

表2 所示为碳化硅在电炉熔化过程中的加料情况汇总，前3 炉一次将碳化硅全部加入，加入时间在铁水熔化完成的60%～75%，后2 炉分为两次加入，每次加入50%的碳化硅。

图1 碳化硅照片

表2 碳化硅使用方法

3 应用效果

3.1 碳化硅在灰铸铁中的应用效果

以单铸试棒为研究对象，表3 所示为碳化硅试验阶段，试棒的抗拉强度、硬度和金相组织。从抗拉强度和硬度两项来看，两者均能满足工艺要求。

表3 单铸试棒理化性能

图2 和图3 所示为铸件的石墨组织照片，可以看出，一次将碳化硅全部加入的石墨大小分布不均匀，局部位置石墨略有方向性。分批加入的碳化硅石墨大小均匀，石墨更加短粗，没有过长的石墨出现，并且分布更加无序。

3.2 碳化硅在蠕墨铸铁中的应用效果

笔者所在单位生产蠕墨铸铁的缸体和缸盖，铸件蠕化率要求在80%，本体强度一般要求在400 MPa以上。蠕铁缩松倾向比灰铸铁大，并且铸件结构复杂，为了保证铸件的致密性，要求将铸件铁水的液相线温度严格控制在1 138 ℃～1 147 ℃之间，即接近共晶的亚共晶状态。

图2 将碳化硅一次加入铸件石墨形态

图3 碳化硅分两次加时铸件石墨形态

用感应电炉将铁水熔化好后，一般约1 h 才能将铁水用完，炉子中的铁水长时间处于高温保温状态，铁水中碳会因与氧气接触而烧损，造成液相线温度不断升高。

针对以上情况，结合碳化硅在灰铸铁生产中的应用经验，在蠕铁原铁水熔炼过程中加入了质量分数0.8%左右的碳化硅，铁水的液相线温度比不使用碳化硅的铁水液相线温度稳定，前三到四包铁水液相线温度能够在不补加增碳剂的情况下保持稳定，仅当电炉中剩余炉底铁水时需要少量补充增碳剂。如表4 所示为实际生产过程中的液相线温度记录，由此可见，蠕墨铸铁原铁水熔化应用碳化硅能够稳定铁水碳当量，提升铸件成分一致性，有利于铸件质量提升。

3.3 经济效益分析

碳化硅在感应电炉中应用，除少部分粉末被炙热炉气冲走外，不存在其他的烧损。以质量分数90%的碳化硅为例，其中含碳约27%，含硅约为63%，加入100 kg 碳化硅可以代替37.5 kg 75 硅铁和70 kg 的增碳剂（增碳剂吸收率按90%计算）。尽管以上三种材料价格根据市场供求关系有所波动，但每使用1 t 碳化硅代替硅铁和增碳剂平均可以节约700～900 元人民币。

4 机理分析

碳化硅化学性能稳定，在铸铁熔炼温度下不能被熔化，在铁液中只能慢慢固溶，分解为碳和硅，因这一特性，碳化硅起作用的时间较硅铁、硅钡等炉前孕育剂慢，但持续时间长。针对碳化硅的这个特点，需要根据碳化硅的粒度具体确定在感应电炉中的加入时间，如果所选用的碳化硅粒度偏小，加入时间可以适当退后；碳化硅粒度大，则可以适当提前碳化硅的加入时间。其目的是保证在铁水出铁浇注阶段，碳化硅达到最佳孕育效果。