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国际铸业技术专家刘连琪谈“铸铁用碳化硅及其使用要点”
发布时间:2016-04-29       关键字:碳化硅,铸铁,材料             来源:国际铸业网

  我国铸造行业使用碳化硅已经有很多年的历史了。走过了使用冶金用碳化硅——只是强调利用它的强还原作用,到铸铁用(铸造用)碳化硅——既强调其强还原作用的同时又突出认识到其对石墨结晶的形核功能的认识过程,技术提高过程。

  我国是碳化硅原料的生产大国,也是出口大国。在满足国外用户的不同需求的过程中,不断提高自己的生产技术水平,拓展碳化硅的应用。

  无论是冶金级_强还原性碳化硅,还是既要求强还原性更要求其对石墨结晶时的强烈持久的形核作用的铸铁用碳化硅。

  都是碳化硅的生产过程中的不可避免的产生的“下脚料”——生产碳化硅的高温炉内的低温区形成的结晶构造不适宜磨料使用的碳化硅。

  这些“下脚料”破碎以后。可以针对使用要求进行再加工。铸铁用碳化硅使用的增效材料是光伏产业中的经过适当处理的“多晶硅”下脚料。

  针对灰铸铁、球墨铸铁的不同生产工况要求,铸铁用碳化硅,常常使用不同的铸造行业常用的粘结剂淀粉、糊精、水玻璃、硅酸盐水泥熟料、建筑硅酸盐水泥等形成不同的形状——压球、压块。实际生产过程中,如果有优质增碳剂的协同配合,效果更会更好一些。

  由于是“下脚料”的碳化硅,过去的冶金级碳化硅,铸铁用碳化硅的价格不高。但是,随着市场需求的增加,供应商的再制造的技术理论水平的提高造成的碳化硅再制品的性能的明显提高。

  随着碳化硅价格的提高。过去使用廉价碳化硅替代硅铁,以降低生产成本的现象,可能已经不存在了。

  有些供应商使用碳化硅等等材料的生产过程中产生的细微粉粒,添加在铸铁用碳化硅再制品中,以明显降低生产成本,这不一定是好办法。因为这样的“碳化硅”,往往表面被二氧化硅包裹,甚至存在污染物。其中的纯碳化硅组分明显降低。今年就发生在某大型央企,出现的碳化硅预处理剂“无效果”的现象就与使用这种“碳化硅”有关。

  SiC按照化学式计算,含硅量=28/28+12=70%;含碳量=12/28+12=30%。实际商品碳化硅由于纯度等等的关系,含硅量含碳量略为偏低一些。通常温度下,碳化硅属于化学惰性物质。比较稳定的存在,甚至加热到1300度,由于其表面形成的比较致密的二氧化硅薄的保护作用,碳化硅仍然是比较稳定的。而1400多度以上,如同石英砂炉衬被铁水里面的碳还原的反应一样,由于碳的化学活性大大增强,导致了以下化学反应被明确启动:

  2C+SiO2=Si+2CO;1

  碳化硅表面的二氧化硅保护膜被铁水里面的碳量,铁水熔炼所加的增碳剂所还原,失去保护膜的高温碳化硅化学活性被启动,其中的碳和硅得以充分发挥其强还原剂作用:

  SiC+FeO=Si+Fe+CO2

  由于CO的逃逸,这个化学反应将正向推进,对高温铁水中的氧量进行还原,从而得到还原性高温铁水,应该指出的是,由此必然产生碳和硅的回收率问题——不同工况时,碳和硅的回收率——“烧损”现象是不同的,没有烧损却是不正常的现象。

  铁水中的弥散的FeO-SiO2细微的夹杂物,不易浮出而脱离铁水,是使铁水流动性下降,补缩能力降低,缩松倾向增大,白口趋势明显的重要原因之一。本人曾经在某工厂,冲天炉球墨铸铁生产中看到氧化程度大的原铁水,球化良好,但是,对热压边缝隙补缩冒口浇注的195柴油机平衡轴,充型速度明显减慢,同时,出现不能补缩的现象。打碎平衡轴,得到证实,整包铁水报废。着名的福士科公司认为,还原良好的纯净铁水,其充型能力、补缩能力都被增强了。

  同时,失去惰性二氧化硅保护膜的高温碳化硅,这样的的化合物不是很难的被分解打开于铁水中,其不断分解持续形成新生的碳和硅原子,一方面它们显示很强的还原性,另一方面,实际使用中产生的是天文数字量级的碳化硅,其碳和硅原子造成铁水的极微观区域碳当量达到甚至超过过共晶状态,明显降低了铁水的过冷度,这样形成非常活跃的浓度起伏,伴随碳化硅的分解、打开、融入,激发了石墨结晶的动力学条件。

  这时的碳化硅分解、打开、融入,同时产生了的物理-化学现象,伴生了活跃的温度起伏和铁水中间某些化学构成的结构形态起伏。而刚刚尚未溶解的碳化硅,碳和硅溶质颗粒和刚刚结晶析出的石墨颗粒,它们在铁水熔液中被“布朗运动”,也促进了铁水的这些活跃。这样看来,我们对碳化硅的作用的研究使用是不可小嘘的。

  简介:化学现象中的布朗运动——悬浮微粒,在液体或气体中的永不停息地做不规则运动的现象。其解释为:作为布朗运动的粒子非常微小,在周围液体或气体分子的碰撞下,产生一种随机的涨落不定的净作用力,导致微粒的布朗运动。间接反映并证明了分子热运动。

  每个液体分子对小颗粒撞击时给颗粒一定的瞬时冲力,由于分子运动的无规则性,因而,布朗运动是无规则的。因为由于液体的运动是永不停息的,所以液体分子对固体微粒的撞击也是永不停息的——颗粒越小,温度越高,布朗运动越明显。

  布朗运动是大量分子做无规则运动对悬浮的颗粒各个方向撞击的作用的不均衡性造成的,所以,布朗运动是大量液体分子集体行为的结果。值得铸造工作者关注的是,铁水中的“活性元素”OS对这种布朗运动有促进作用——这是我们在孕育中要求有效使用一定的OS元素的基础。布朗运动现象可以作为解释碳化硅的作用长效现象的基础。

  中国冲天炉技术的提高,建立在70年代,在全国进行冲天炉技术大普查的基础上,借鉴了国外大双冲天炉技术。可惜,那时候,我国铸造厂使用的是多孔隙的冶金焦,焦炭内部需要进行氧化,生成一氧化碳。就需要比较高的风机风压和风量。但是同时,那时候已经明确,冲天炉用风,讲究的是风压而不是风量。

  随着国外对冲天炉燃烧技术的认识的提升,他们经历了炉底风口送风技术,单排风口技术的进程。国际着名企业力士乐公司曾经在北京开了一家独资公司——华德铸造公司,其中的5吨冲天炉就是单排送风,中国主要的技术负责人多次要求改为大双模式,被力士乐技术负责人一直坚决否定。

  我也对大双冲天炉技术进行调整,取得了很好的效果——带一排(下排)辅助风的单排(上排主风口)送风的相对小风口冲天炉技术。该技术强调的是送风的速度,就好比使用钳子夹住橡胶水管出口的一部分,使水流高速冲出,达到风力吹进底焦内部并且保证了其在底焦中的送风通道,促成底焦内部的高温燃烧。这对于当前,我们使用致密焦炭的高温燃烧是

  非常有利的。底焦内部的燃烧被强化,而底焦的附壁高温燃烧的优势相对弱化,这对冲天炉运行无疑是有利的。相对强大的上排主风口,造成铁水的强氧化还原的冶金效果,下排辅助风口,延长了铁水的高温时间,和还原状态。

  这有利充分发挥碳化硅对铁水的预处理作用。铸铁用碳化硅的使用:一部分放在底焦中部,逐渐落入主风口下,有利于对铁水进行还原,起到持续提高石墨结晶晶核形态数量的强大作用。批料里面也加入一定的(大约占铁水的1%)的铸铁用碳化硅压块、压球。

  批料里面的碳化硅在冲天炉的氧化区内显示化学惰性——其表面形成的二氧化硅保护膜,而主要表现为预热到高温。而在冲天炉的高温还原区,充分发挥其优秀的作用。甚至可能利用碳化硅的这样的性质,利用冲天炉存在送风通道,给我们向炉内喷吹悬浮在风中的碳化硅微颗粒提供了可能性,这是在以后的生产中非常值得探索的。碳化硅供应商完全可以提供微颗粒碳化硅,而且价格几乎没有提高。

  生产实践证实了适当缩小风口的冲天炉技术,无论用于球墨铸铁的生产,还是用于灰铸铁的生产,都是可能明显提高铸铁品质——铁水温度高,还原良好的。有利于降低铁水的不良遗传性特别是明显改善原铁水的遗传性带来的块状石墨、尺寸超大石墨、石墨不均匀分布。

  中频炉熔炼铁水,建议尽量做到:大部分炉料熔化过程中,不覆盖造渣剂,任由大气对其氧化,称之为亚氧化熔炼技术,以破坏铁水的不良遗传性,特别是氧化铅锌等极有害元素使其成为渣子从而脱离铁水,随后,使用造渣剂覆盖铁水,高温1500-15505分钟或再长一点时间进行处理,以分解打开原铁水的块状石墨,由于在整个熔炼过程中,石墨的结晶晶核在不断减少,而碳化硅对铁水的预处理作用效果只有在高温下显现,并且可以延续一定的时间,建议在熔炼初期就可以加入铸铁用碳化硅,以利于铸铁用碳化硅球、块、大颗粒的预热和打开。更好地发挥其对铁水的预处理作用。

  铸铁用碳化硅的使用效果可以根据被处理的铸铁的质量进行判断:1.灰铸铁,共晶团明显增加,石墨分布均匀无方向——不折不扣的A型石墨,石墨长度3-5级。铸件加工性能明显改善。2.球墨铸铁,球墨尺寸细小,圆整度明显改善,机械性能特别是断后伸长率明显提高,加工性能明显改善。铁水充型补缩能力提高。

  本人参与指导的使用某铸铁用碳化硅出口供应商的铸铁用碳化硅与否的金相照片如下:

  图1宁波,1.5吨中频炉使用铸铁用碳化硅进行预处理的金相照片。抗拉538MPa,伸长率18,7%,球墨数量285/?2

  图2宁波,1.5吨中频炉没有使用碳化硅预处理的金相照片。抗拉518MPa,伸长率12.3%,球墨数量56/?2

 

  图3宁波5吨冷风冲天炉没有使用碳化硅预处理的金相照片。抗拉487MPa,伸长率14.3%,球墨数量87/?2

  图4宁波5吨冷风冲天炉使用铸铁用碳化硅预处理的金相照片。抗拉478MPa,伸长率19.3%球墨数量263/?2

  图5温州3吨中频炉HT250使用铸铁用碳化硅预处理的铸件金相照片——没有进行铁水的高温过热处理

  图6温州3吨中频炉HT250使用铸铁用碳化硅预处理的铸件金相照片——没有进行铁水的高温处理

  图7温州3吨中频炉HT250没有使用碳化硅预处理的铸件金相照片——没有进行铁水的高温处理

  图8铸铁用碳化硅预处理形成的厚片状石墨的金相照片

  图9铸铁用碳化硅预处理形成的厚片状石墨的金相照片

  本文2016年发表在天津铸锻协会会刊,略有文字修改。

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