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碳化硅作為一種人工合成材料，其熔點高，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；冶金級黑色碳化硅越來越多的應(yīng)用于各種鑄鐵的熔煉當中，能夠作為促進異質(zhì)形核的核心長時間存在，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，全功率熔化時長約為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，隨著認識的不斷深入，逐漸意識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中，并制定了相應(yīng)的企業(yè)標準。如果碳化硅粒度過小，會在加料過程中被爐子的熱氣吹走，且會被鐵水表面的熔渣包裹而失效；但如果粒度過大，其起效時間過長。根據(jù)碳化硅的以上特點，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)量分數(shù)約為90%，自由碳比例小于3%.

表1 碳化硅檢驗技術(shù)要求與實際測量值

碳化硅實物照片如圖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。對不同加入時間的碳化硅使用效果進行檢測，發(fā)現(xiàn)加入時間過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；加入時間過晚，碳化硅難以完全熔融入鐵水當中，形成異質(zhì)夾雜物。

表2 所示為碳化硅在電爐熔化過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象，表3 所示為碳化硅試驗階段，試棒的抗拉強度、硬度和金相組織。從抗拉強度和硬度兩項來看，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，沒有過長的石墨出現(xiàn)，并且分布更加無序。

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，爐子中的鐵水長時間處于高溫保溫狀態(tài)，鐵水中碳會因與氧氣接觸而燒損，造成液相線溫度不斷升高。

針對以上情況，結(jié)合碳化硅在灰鑄鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用經(jīng)驗，在蠕鐵原鐵水熔煉過程中加入了質(zhì)量分數(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加增碳劑的情況下保持穩(wěn)定，僅當電爐中剩余爐底鐵水時需要少量補充增碳劑。如表4 所示為實際生產(chǎn)過程中的液相線溫度記錄，由此可見，蠕墨鑄鐵原鐵水熔化應(yīng)用碳化硅能夠穩(wěn)定鐵水碳當量，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)量分數(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%計算）。盡管以上三種材料價格根據(jù)市場供求關(guān)系有所波動，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，碳化硅起作用的時間較硅鐵、硅鋇等爐前孕育劑慢，但持續(xù)時間長。針對碳化硅的這個特點，需要根據(jù)碳化硅的粒度具體確定在感應(yīng)電爐中的加入時間，如果所選用的碳化硅粒度偏小，加入時間可以適當退后；碳化硅粒度大，則可以適當提前碳化硅的加入時間。其目的是保證在鐵水出鐵澆注階段，碳化硅達到最佳孕育效果。

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量，避免鐵水當中的碳燒損過快。

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

3）鑄鐵熔煉過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。