再论碳化硅在铸造生产中的应用

1、再论碳化硅在铸造领域中的应用摘要；根据有关国外刊登的信息，文章介绍了在铸造领域SiC的研究和使用。其中有球墨铸铁的生产情况，国外碳化硅应用现状、新技术发展情况以及在铸造生产中使用了经过碳化硅预处理的原辅材料，还预测了铸造技术中使用“碳化硅”的发展趋势。关键词：SiC预处理复合SiC人工合成cBasedontheInformationpublishedanintroductionwasmadetothepresentsituationofsicresearchandapplicationductileironpretreatmenttechniquewithsicprogressofmethod

2、ofproductionabroad.Aswellastheinvestigationandanalysisresultsofductileonproduction.AndthedevelopmenttendencyofSiCwasforecast.近年来，碳化硅这一名字，在我国铸造界，正在有所传论，逐渐对它熟悉起来，试验工作早的工厂已稳步投入生产，尝到了甜头。更多的却还在等待观望，或者有些厂家想用而处于不会用，没有试验和使用。所以很多的铸造人，对这种铸造辅助材料还很陌生。它到底有哪些作用？具有哪些特性等等。笔者在2014年5月写了题目为“碳化硅的物理化学性能与它在铸造业领域的应用”。一年过去

3、了，这次再论碳化硅，就是为了把碳化硅的优点宣传推广于更多的业内人士。使同行们都能利用它来解决生产中的问题，改变不合理的生产工艺。让大家都知道SiC的用处及特点，提高产品件的质量、性能。把我国的铸造技术水平提高起来。故笔者编写了如下内容，献给有兴趣的读者，望你们成功，给你们加油。一碳化硅的人工合成1.1 SiC与金钢砂、金钢石的区别SiC俗称金刚砂，自然界中天然的碳化硅很少发现。工业上使用的SiC是由人工合成得到，它是二氧化硅和碳质物料（主要是石英砂和焦炭）在高温下合成的产物。按SiC分子式计算分子量时Si占70.4%,C占29.6%。形成金刚砂结晶反应的温度区间为16002000C,经过粉碎的

4、焦炭或无烟煤作为碳质物料。原料用纯石英、其SiO2含量由97%99.55%。例如；美国金刚砂公司采用的石英砂，杂质含量大约0.3%Al2O3+Fe2O3。当将SiC俗称为金刚砂时，要特别注意不要在两者间画上等号。如果再把金刚石也一同考虑，这三者尽都是指SiC,但它们是有区别的。要从基本概念上理解其中具体内涵。金刚石是指自然界中存在的一种物质，它由晶态、单质碳元素组成，杂质含量很少。金刚砂的主要成分包含有SiG彳1SiC又并不是金刚砂组成中的唯一，从表中组成的SiC量都达不到100%,说明，即使金刚石这种世界最硬的物质，所含的杂质也不为零，地球上绝对纯的物质是难寻找的。1.2 SiC的生产过程简

5、述具体的生产方法有；1）艾奇逊法是使用碳热还原反应，直接制得碳化硅的块体。它的电阻炉的外形象一个长方形的槽子，由耐火砖砌成的炉床。两组电极穿过炉墙深入炉床之中，专用的石墨粉炉芯体配置在电极之间，提供一条导电通道，通电时产生很大热量。炉芯体周围装盛有硅质原料以及石油焦和木削等组成，外部为保温料。2） ESKt是把大型的Si冶炼炉建在户外，直线形和U形电极位于炉子底部,炉子长达60m,用聚乙烯袋子进行密封以回收炉内逸出的气体，提取硫后将其通过管道输送到小型火电厂发电。1.3 SiC生产过程的煨烧（又称烧结）环节1煨烧过程可分为三个基本阶段1）加热到最高温度。2）在最高温度保温；目的在于使作用进行得

6、最完全，并使制品本身和整个窑容积内的温度分部得更均匀。3）然后冷却到常温。在加热过程里材料的一切变化可以分为两类；（1） 驱除吸附水和化合水，碳质和有机物料发生的氧化过程，碳酸盐和硫化物分解。（2） 砖体的烧结。这是由于各成分间的固体反应；以及在加热过程中形成的玻璃相发生作用了。烧结作用是由于成分在固态下发生反应以及一些液相形成的结果。在不久以前，还认为窑业制品中所发生的反应主要不是固体反应，而是在液相里进行的反应。由于原料含有小量杂质，在颗粒边缘会产生液相。现在已经证明，在大部分情况下，固体反应在液相形成之前即已发生。由于固体反应而得的产物粒度很细，因此在液体介质里溶解性很高；液体介质本身又

7、促进料体更完全的再结晶，从而促进结晶增长。1.4碳化硅煨烧后的品质与等级经过严格执行所拟定的SiC烧结工艺，由于在炉子不同地区炉温加热强度不一样，加热时间也有区别，所获得的SiC产品绕着石墨碳棒芯部呈放射性方向生长，因而人们按照相同的外形分别取出产品。力段烧后的碳化硅，愈靠近芯部就愈纯，一般分为五个等级。1）密实大块结晶体-被称为一级金刚砂（SiC它紧贴着石墨碳芯棒，呈绿色，有时呈黑色，那是由于夥质碳进入金刚砂（SiC）吉晶组成里而造成。2）由分散的小结晶体组成的金刚砂（SiC方属二级金刚砂。3）该区域没达到结晶条件，只生成性松脆的隐晶质金刚砂（SiC又称非晶质金刚砂它围绕着小结晶体金刚砂（S

8、iC料层。4）.灰绿色料体，它属于料体，不称金刚砂。沉积在非晶质金刚砂（SiC底面上。做下投料使用5）未起反应的物料备用。1.5 碳化硅的人工合成原理（反应方程式）合成SiC冶炼所用的原料以石英为主要成分，所以SiQ的含量要尽可能高，含量在97%-99.5%。另一成分以C为主的石油焦，固定碳含量也要高，要求（灰份1,2%,挥发分小于12%）。辅助原料为木霄和食盐。石油焦的粒度为2mm1,5mm。原料SiQ与石油焦在电阻炉内经过以下反应生成碳化硅SiO2+2C=Si+2C0（1）Si+C=SiC（2）SiO2+3C=SiC+2C04704kj（3）食盐与SiQ形成硅酸钠和氯气（2NaCl+SiO

9、+1/2O2=NaSiQ+C2）挥发性氯化物通过反应介质逸出，并在较冷的地方沉淀下来。木削的用途是使物料形成多孔烧结体，有利于反应式中CO气体排出。用量为3-5%CO体积分数。各种原料的配料成分可采用；石英砂53%、焦炭38%、盐1.5%。1.6 碳化硅（金刚砂）的性能特点1）高硬度一金刚石的莫氏硬度为十级，碳化硅（Si。的莫氏硬度达到9.5-9.75仅次于花岗岩。所以，最早用于磨削，切削，（抛光（布，砂纸，磨研）等处。2）高导电性一SiC的组成是Si、C元素，都不属金属，但有着极高的导电性能。得以在半导体材料及原件领域应用。由于导电性高、在国防、航天、武器装备上可节约大量运行能源，延长寿命。

10、保证设备原器件完好无损。3）高导热性一比金属银高4倍500c导热系数65W/（mK）875c导热系数42W/（mk）SiC这一性能十分有用；例如做激冷材料、做特种型砂、成本低。4）高的耐温性一即在极高的温度下，工作时间长而不变形、尺寸稳定。5）SiC中的Si、C元素是具有强还原能力的元素，是冶金，铸造过程中的脱氧剂，炉料添加剂，补充炉料中Si、C的不足。6）集多项优良性能于一体的特种高温耐火材料（包括高导热，低膨胀，耐高温，与大多数酸，碱不发生反应，高的稳定性）7）碳化硅还具有耐高温，耐磨，抗冲击，耐腐蚀，质硬，尺寸稳定性好。二SiC的冶金物化性能a3'2.1 SiC的物化性能真密度3

11、.103.22g/cm3莫氏硬度9.59.75线膨胀系数破4.44.7X10-6C(251400C)导热系数65w/(m-K)(500C)42w/(m-K)(875C)碳化硅多为-SiG它的热传导能力最高（比铜和银高4倍）。碳化硅与各种化学物质的反应见下表一表1Sic与其它物质的反应.如膝侪反应怕况，加热孤熏一无作用一OwitxiVC加热.不变化"空气lOOCMSOOTC力呼和稍韦已空气广135cMm00T.在表面帮咸焙融¥1SO?空气-因熔融56膑莓蔬，氧化作用停止#ST以口口如孔也出理迸泞C。、水黛气只在碟化哇的离解流在600七下加热表面映浸性2.2 SiC的溶解性能从

12、Si、C状态图中，了解到SiC是不熔解的。在正常的压力（1个大气压）下它是不熔化的。在2760c时，就直接分解成气态Si,它只能在铁液中逐渐的溶解。图1看出SiC是S-C二元系中唯一的化合物，（图中显示SiC的是一条直线）。SiC状态图是S-C二元系状态图的靠Si元素这端。在1410c时，为固体+SiC;当大于2630c直接从SiC形成的特点，是不通过液相，其过程如下：约从1700c开始，硅质原料的沙粒成熔体，进而变成蒸气（白烟）；SiC熔体和蒸气钻进碳质材料的孔隙，发生SiC生长的反应；温度到1700c1900C生成BSiC;温度进一步升到1900-2000C细小白BSiC转变为aSiGaS

13、iC晶粒逐渐长大和密实；炉温再升至2500c左右，SiC开始分解变为硅蒸汽和石墨。口融m叁&刊图1SiC的状态图世界的材料市场显示，增长的废钢消耗相对应的是需要提高增Si与渗碳材料的供应。SiC正好能满足这两方面的要求。具增碳效果十分显著。它们的添加量由增Si量确定。添加两份Si,大约可带入一份碳。试验发现：SiC在冲天炉内的增碳量与废钢料的用量有关。图2表示碳化硅在铁液中的溶解速度与温度、熔池运动、C的过饱和度的关系。正如大家所认识的那样，这些参数都表现出极明显又典型的影响5'6。图3指出SiC在Fe-Si或在FeC熔液内的溶解速度与Si、C浓度的关系。溶解速度均随其在铁液中

14、的浓度增高而减低。两种元素进行对比的话，碳在铁液中的含量对溶解速度的影响要比硅量带来的影响大5。用感应电炉熔化时，起初是尽可能的限制SiC的使用，允许SiC少量作炉料应用，到后来尽可能限制用废钢加料。现在变成特别喜欢使用，之所以发生如此大的转化，不仅是SiC的溶解速度，而且还有另一个优点，是在于它对废钢、生铁，以及废旧铸件的良好脱氧效果。Is0435i和C的含施*$修小-J?_&v戮的大小»图2表示碳化硅在铁液中的溶解速度与温度、熔池运动、C的过饱和度的关系图3SiC在Fe-Si或在Fe-C熔液内的溶解速度与Si、C浓度的关系（）图4表示SiC的溶解时间与粒度的关系，图4表示

15、SiC的溶解时间与粒度的关系，溶解时间随着颗粒直径的增大而减少，溶解速度增加，这个结论与通常习惯看法不同，是可以理解的。考虑到每个SiC颗粒（处在微米级的大小范围），它的表皮是被反应产物SiO2包住了，SiO阻碍了SiC继续与铁液接触，这时一粒大粒度核心的溶解速度要比几颗小直径颗粒的要快。2. 3SiC的耐高温性能在SiC表层所形成的SiQ膜，对抵抗含氧气体具有特殊的意义。从图5得知，氧化表层膜的生长很缓慢。在1500c纯氧下，一颗粒度为63pm的SiC9小时后仅有6%SiC受到氧化，可见，毫无疑义只是表层遭受到氧化。根据它所固有的抗氧化性，碳化硅无论抵制冲天炉中的氧化炉气，还是在电炉中溶解时

16、，都经得住空气的侵蚀。在一个大熔池中，大表面积的熔池容易被烧损，SiC颗粒实际上受到气相烧损相对要少。2.4 SiC的脱氧性SiC与液渣相或液态金属中的氧相互反应，强烈地释放出大量燃烧热，因为形成的SiQ在这种情况下迅速逸出，加强了反应的动力学条件，这种特性对脱氧过程是很有帮助的。SiC所含的Si与C都存在有被氧化的潜在能力，当温度一样时两者的这种潜能近似相同，因而SiC不仅对冷风冲天炉，而且对热风冲天炉也是一种优良的脱氧剂。SiC的脱氧作用在感应炉中，SiSiC.CSiC则由废钢加入量与其品质决定，处于85%大于95%之间。对于冲天炉，其意义较小，脱氧效果就只能概括表述。熔炼工艺（包括冷风、

17、二次空气的使用、富氧、热风、酸性、碱性、无炉衬）以及在熔化过程临时采取的改变因素都会形成重要的影响。曾提到过，炉渣脱硫能力与SiC的去氧作用是相互彼此关联的。炉衬寿命的长短与金属炉料受氧化程度（废钢中形成的锈蚀）、炉料带入的低熔点化合物的影响有关。由于炉料中SiC还原金属氧化物的能力强，因此，可大大改善不良条件引起的负面干扰。SiC的脱氧作用超过FeSi因为用FeSi脱氧时，按下式进行，又重新形成了氧化物SiQ、FeO,增加了铁液中的含氧量。2FeSi+30=2SiQ+2FeO如果用SiC进行脱氧，则反应式为：对于铁液中的FeO3FeO+SiC=3Fe+（S20+CO+Q对于75中FeO:（F

18、eO）+SiC=Fe+Si+CO+Q由于按下式反应，渣中的氧化铁，由515%降到0.5%或更低。如此巨烈的改变炉渣、液态金属以及炉衬的反应特性，提高了S在渣中的分配系数，从0.52.5到4.017.5,从而降低金属中含S量至IJ0.0350.045%同时减少渣的数量。除Si之外，还降低铁液中气体含量。因为从式中看出，CO释放可带出其它气体。2.5 冶金SiC的纯度表2给出冶金SiC的化学成分，并第一次公布了其中的痕迹元素的含量。由于废钢炉料的比例日益增多，铁液被污染的机会随之不断增加，污染物含量也极不稳定，时高时低，所以冶金SiC的纯度大小就变得很有意义。因为，通过调整SiC的用量就可降低其它

19、炉料伴随的有害元素的水平。表2冷金3。的化学成分或量，）元菽1化合加典型的化学成分户浓度范算，SiCg3CX4+竽5，20.1©*A13畤,6261山F中口,制口一，0XCa»0.3-'0J-0%0.U0gozAhO?D.Sp0f1承Si。：2.5-As/<0.002植CiD.005.0Co0.003Ct0.005Cu'<0.01H0.01Mb<0.02Mtv0.01N0.03Ni0.05P0.002s0.07Sb<0.001Sc<0.0001Sn0.001Ter0.0001710,05'V0.05冶金SiC作为硅的携带

20、者，首先是以含铝量低为特点，从表2看到，仅含自由铝0.2%,即指存在于SiC品格内含嵌入有约0.2%溶解Al晶格，以及附加约0.2%Al附着在研土上，有如SiQ在纯渣相中那样。与此相反，硅铁含Al量2%或更多。含Al低的硅铁价格较贵。Al是生成皮下气孔的原因。氢来源于型腔中的水份，止匕外，潮湿的炉料或严重锈蚀的金属料也都有可能与Al反应，促进皮下气孔的增多。在生产球铁时，铁液中的Al还会引起球墨产生畸变。见表3硅铁、冶金SiC中Al的含量对比表3硅铁、冶金SiC中A1的含量对比一Si的携带者.75磋铁，代号"(£eSi75)产Al的含量小现大2.0%，75硅铁75-A1贫一

21、(hcSt?A1L，最大L0”90硅块一(FeSiOO)a最大2.5%-'90硅铁A1贫.CFeSi90Al1)+最大L0”冶金曲Al品格*,约0.2%.2.6 人工氧化SiC关于SiQ膜层对延迟溶解过程的证明，最好的办法是向SiC中加入少量的碱性物质，形成低熔点的碱性硅酸块，观察冶金碳化硅的加速溶解状况。当铁液温度不高时，SiQ在铁液中是稳定的，铁液的温度升高到一定后铁液中的碳会与SiC表层生成的SiC2发生还原反应，由于在SiC颗粒附近存在高浓度的这种还原反应受到阻碍。高的SiQ适应于低含量的SiC低的SiC含量则表现较好的预处理效果，为了适应SiQ阻碍层的影响，对溶解特性或者孕育

22、处理效果的影响，在添加到溶液之前，人为地对纯SiC98!行氧化处理。处理之后，SiC98oxid溶解速度显著降低，降到和SiC84的溶解速度很接近。祺痔FeSi3357、:看籍2100*nSi»8:SOS25<0图6Si的载体种类与预处理材料效果的关系（图6）对比后得出，石墨分布状态、共晶过冷度以及共晶数的变化反映出溶解速度的变化，在作用效果方面，SiC98和SiC84很接近。根据某些激冷试验结果与保持时间（10、60、120分钟）的关系指出SiC98oxidSiC98FeSi对灰口凝固的影响，SiQ壳层对SiC颗粒溶解动力学的重要影响。可以说，SiC起到了长效孕育功能的Si源

23、作用。SiC的溶解不是放热反应，而是个吸热反应（局部位置的温度下降，肯定会大于测出的熔池下降温度（图7）0因而，当围墙内SiC“贮藏”的热量与墙外溶液之间的扩散平衡进行缓慢时，石墨还能继续稳定存在较长的一段时间，即延缓了该石墨晶穿生存的寿命，减少了衰退。rfSn潘刖I：-曲如小用（6图7在添加面C和Fesi时的温度效科Si的控制（图8）示出，未经人工氧化处理过的SiC,在表层SiQ层均匀覆盖在SiC颗粒表面，阻碍着SiC向熔液析出。经氧化处理后，形成裂缝，内部的SiC可控的有机会经裂缝析出，达到缓慢，适时不衰的孕育成核作用。而FeSi在铁液中的熔化速度快，但消失浓度差的时间也快。这是SiC和F

24、eSi促进熔液中的C析出机理上的重要差别。从动力学讲，在局部区域，特别是那些富Sk富C区，SiC晶体慢慢地逐渐溶解到铁液中。又由于Si的溶解度高，C的溶解度低，客观上允许低的SiC组分的功效得以发挥。51翼的沼修哪成T的石聚石墨分子的常段图9代，曦藤SiC.FeSi作用机制示意图（图9）可以看出碳族、SiC.FeSi的作用机制的差别，左下是表达FeSi装到石英管全套浸入到铁液中时的情况。FeSi逐渐向右扩散溶解，C以石墨形式弥散进入铁液，浓度逐渐向右稀释，石英管中的FeSi含的Si元素也得从左到右、浓度从高到低，同时，如石墨管中是SiG则SiC中的C浓度从高到低，在紧连着FeSi固体边处已有少

25、量熔化，淡蓝色晶体是SiG当孕育剂基体熔化，SiC也在变大，随与孕育剂中心距离增大。代表浓度SkC两条线相交的那一短暂时刻，形成了液体的SiC增加了铁液的石墨核心。进入了图右箭头所示，C分子的微观集团数增加。溶液内部状况按图右粗箭头发生，奥氏体的成核生长容易，石墨成核容易。如果用FeSi加到铁水里面所得核心数明显减少（如图9下左）。三SiC在铸造领域的应用3.1SiC的预处理预处理是前几年我国更换熔化设备，由冲天炉改为电炉，造成铁液在炉内存放时间过长，铁液长时间保存于炉内，使铁水内部的核心状态、成核条件变异易形成过冷组织，使强度、硬度、性能不易达标。为挽救这种现象而寻找铁水成核势能的复苏途径，

26、在铁液原定的孕育处理之前所进行的工艺措施。关于预处理的工艺，在国外很早就出现过铁液长时间保存（即周五至下周一）铁液内部核心状态失效现象。只不过诱因有所侧重。2009年，加拿大CANMYT材料研究所发表了一篇研究报告；选用了7种添加剂，如SiC（单独添加）或SiC+75FeFeSiMgCaSiSFe结晶石墨。用这些原铁水进行试验观察、对铁液的核心成核势能，如过冷度、球数、金属基体组织数量、力学性能等。分析结果证明了原始铁液和处理过后的铁液的过冷倾向，存在一定的关联。第一阶段的主要任务是在试验室试验条件下进行的，包括铁液的原始停留时间、温度、化学成分、组织状况。而不是以往所要求的简单的原始铁水状况

27、，仅指（时问、温度、化学成分、组织状况）而已，这意味着铁液经熔化后的原始状态影响到铁液的敏感性，还进一步说明铁液的原始状态与回炉料的质量有关。如果回炉料质量不好的话，会使新熔化铁水质量变坏。说明这些铁水的成核势能已经较低，所以即使是在炉中保持时间较少，但使熔化的新铁液质量变坏。总而言之，表示出在灰铸铁片状石墨与球墨铸铁的石墨球数量之间形成了某种关系。在种关系的其它知识可以为进一步系统化，和更好的重复稳定化。第二阶段研究的目的是；评论这种工艺、发展这种工艺，并用它改善具有高激冷倾向溶液成核势能，以及与原铁液的状况、过冷和生产球墨铸铁质量之间的关系。关于第二阶段的内容，有少量发表的文章表示，通过加

28、入冶金的有效物质（在球化处理前或者球化处理中）就能够改善球铁凝固成核势能2-12Godse113使用一种混合物质，它是由SiC以及FeSiMg5加入量0,2%。得出的结果指出，硬度、强度和均匀性改善了。Lope产对比高纯石墨和含硅石墨（混合物由石墨及25%的SiC组成）。这些混合物是在Mg处理前加进去的，结果指出，加高级质量好的石墨时石墨球数有少量提高。在试样中看到有强烈的改善，那是加入石墨和SiC混合物所得到的结果。JuretzkO8观察到，在薄壁铸件的激冷倾向。通过加入Si及石墨的预处理，激冷倾向减少，以这种方式去提高石墨球数。但是，却使延伸率降低，带来了不利作用。Moder用盖包法加入0

29、,1至0,3FeSi含有73%Si1%Ak1%Ca1.75%Cb少于与1%的S。试验结果改善了成核，减少了过冷。这个效果通过对处理后的热分析给予了证明。关于干扰元素在铁中含量未做解释。Venkateswaran9J旨出，SiC在影响球数方面比FeSi75的作用大。同时还指出，在SiC中，二氧化硅含量高时的作用更强烈。Lalich和Htchings2的观点也认为，Mg-CaS化物作为球墨铸铁中球状石墨核心。他们还证明，那些硫化物、氧化物、氮化物颗粒，对石墨的成核具有很大的意义。我们意识到，在这些不同的工艺之间，没有进行对比研究，进行同类的比较也是有益的，但是为消除“星期一铁液”（是指周五的铁液保

30、温存放至下周一）不好的成核势能这也是极为重要的和过高的激冷倾向，去寻找、发现、发展最有效的可能使用的工艺。这也是及为重要的。尽管一般都能接受那种意见，球化处理后，原铁液的状况管理是有意义的。但是有关这方面文章发表的太少。事实上，只有少量的铸造厂对他们球化前的原铁液成核势垒或过冷倾向做过调查，而大多的铸造厂，在生产球墨铸铁时的工艺管理，是在处理后进行的，这是一个公开的事实。关于原铁液的成核势垒，以及与所生产的球墨铸铁的质量之间的知识，对于发展控制方法，是十分有促进作用的。处理剂的数量要准确，确定镁处理前原铁液重量，以便较正，以避免防止大量铁液损失。这个研究工作是分两个阶段完成的，第一阶段，不同的

31、添加剂的作用应该在试验室里查明；第二阶段，主要是使用和检查的决定，考核最有效的方法，应该是在铸造现场更为实际，因为“周末铁液”就出现在那里。试样282试样2F1试修2F2图10试验D（炉次2）;0.5%SiCa冶金添加剂的化学成分潘加处理剂化学成分%SiCSiC;93F;1.25C;0*03HiO;4.9混合物XSiC;SOSlOs50FeSiMg;5混合物ySIC;50FeSi75;50si；74.27Al;1.13Ca;0.93SrCaC;0.55SI;62.5Al;1.2Ca;29.5Cr;0.1藤化铁C;3.5S;29.95余量:Fe结晶态石墨C;99S；0.020.7HT+挥发物中间

32、合金与孕育剂的化学成分口金化学成分（%）1AlCaCeMgReSIFeMgFeSiMg6-l%Re0.651.030,9860,9947余下FeSi751.130.93一i|74.27余下11表6表加冶金添加剂的试验炉次、编号试验炉次i添加物A（炉次1）0.3%SiC=B（炉次3）0.2%混合物X一1!C（炉次7）0.2%混合物Y一1D（炉次2）0.05%SiC；E炉次6?10.01%FeS一F（炉次6）91%结晶石甥一.C.炉次10）0»1%结晶石"唱|试验进行首先要特别重视试验用的炉料成分的一致性，添加剂的化学成分见（表4）中间合金与孕育剂的化学成分见（表5）熔炼方法所

33、有试验炉次都用一种试验方法生产，在（表6）中，用字母AG来标明的，像已经提到的那样，为了得到精确的可对比的结果，在处理后都可证明为两个阶段进行的试验；用原铁液浇注试样和用处理过后的球铁液体试样，这样就可保留原始的状况。要避免在镁处理时温度提高后，改变了核心生成的势能，每次试验同时在两个炉子进行，一次熔化225Kg.两次两个阶段的时间相隔大约30分钟，在炉内的保持温度1425正负10C,以至于尽可能少的引起成核势能的变化。镁处理后的停放时间，3.54.9分钟，浇注温度1355正负8C。见表根据球数和在三角试样中，碳化物少激冷倾向就减少。在低的过冷度和低的冉晖温度也得到同样的结果。并从中得出如下结

34、论；（1）.SiC在提高溶液的成核势能方面，是有效的添加剂，在降低过冷倾向也是很有效的。不管是原铁液还是处理后的球铁铁液，都能改善铁液的成核势能。对原铁液的结果指出，0.3%的SiC添加对片状石墨的形成，增加了A型石墨数量，都起着很好的改善作用。在球墨铸铁中，SiC增加球数64%,形成小球方面也有较好的效果，增加9%。它适宜的起着作用，这是众所周知的。加SiC,不管是对球铁的过冷还是冉晖，或是对它们二者的过冷和冉晖，都起着减少的作用。在原铁液中，过冷减少22%、冉晖P1低31%。在球墨铸铁过冷减少7.4%、冉晖降低50%。添加SiC的正面影响也指出，抗拉强度增加2%、屈服极限增加4%、延伸率提

35、高44%0另外，抗拉强度性能的标准偏差也得到了减少。（2）含有FeSi75的碎粒SiC对铁液质量作用要小于单独添加SiC球墨数提高15%,小石墨球数量增加4%,原铁液的过冷减少23%,再晖减少63%,球铁过冷稍微改善只有0.6%,而冉晖降低了15%,抗拉强度性能只稍有改善，抗拉强度提高0.4%、屈服提高4.2%、延伸率10%。抗拉强度性能的标准容许偏差，变的比较大。（3） .添加晶体石墨到高过冷倾向的原铁液是不太适合的。尽管这种铁液的球数增加2.5%,原铁液的过冷也提高了5%,而同时冉晖数也从0.46%,升到4.84%。对普通正常的铁液反之，石墨球数提高13%,过冷以及冉晖，不管在原铁液或者在

36、球化之后的球铁中，也都降彳氐（4） .SiC和FeSiMg组成的(混合物X)是不合适的，球数降低10%,原铁液的冉晖和过冷提高35%?口54%,而对球墨铸铁提高28%?口75%。(5),添加0.05%的SiCa是好的，但对球数影响较小，只增加3.5%,另外对过冷和冉晖有不适的影响。在原铁液中增加过冷88%、冉晖79%,但在球墨铸铁中过冷31%,冉晖180%是较高的。(6) .加FeS,不管是原铁液还是球墨铸铁，都是适宜的，在原铁液中，过冷降低了0.9%,再晖降低0.6%=同时在球铁中回落15%、和64%。在加FeS之后，很可能是残余Mg量过盛而引起。(7) .热分析的结果证明，在过冷倾向和原铁

37、液的冉晖及球墨铸铁相应的参数之问是有一定关联的。因而原铁液的过冷倾向和冉晖倾向是都可以预知的。用这个方式可以在Mg处理前，做相应的核对和调整。(8),不能由原铁液的三角试样，白口深度和共晶团数为球铁的过冷倾向提供足够的予知信息。原铁液试样的激冷深度在所有样品中指出了，激冷倾向的增加与添加剂无关的。在热分析中，三角试样的激冷深度与过冷值没有关联性。(9).氧的含量和球数比较后指出，如果在铁液里增加氧的总含量不充足，不能提高铁的成核势能。笔者看法；此文章作者是加拿大(CANMET材料工艺研究实验室)原题目是；铸铁的预处理，美国AFS奂国铸造工程师协会)资助，开展的研究工作，内容、结论、观点明确；密

38、切与生产实际相结合，为解决铁液长期保温的所谓“星期一铁水”过冷度大，核心数少，导致材质性能降低的难题提供了方向。采用SIC进行预处理是很好的解决措施。此结论与我国生产实际状况相吻合。原作者在文章得到的结论，除根据从定性的宏观现象统计外，还选自微观可信的定量数据，以及代表各方面物理现象的数学参量；如凝固收缩量的影响的对那些要进行今惜对比，要从现今与从前工作中取样，拿到对比的试样参数去管理生产，是十分重要的。要对过去的试样做到绝对的稳定、不变化、不移动。3.2SiC孕育剂在铸铁中起到的作用1) .SiC中的(SD进入铁水，(C)小部分被空气中的氧氧化、其它SiC微粒进入铸件。2) .SiC微粒子进

39、入铁水，凝固时起到核心基底作用，SiC越细、多，生核能力越强。在TEM下观察，SiC颗粒与基体界面结合良好，颗粒周围存在高密度位错，导致晶粒细化，并且改变石墨形态，石墨长度变短，A型石墨增加，D型石墨减少，共晶团数及珠光体数明显改善。众所周知，当达到300个/mm2,铸件有缩孔现象，而SiC使用后130250个/mm2,故提高力学性能，又不渗漏。3) .脱氧在炉前，包内处理铁液时，SiC的Si能减少气体与夹渣。4) .增C的SiC孕育剂分低碳、高碳。低碳型(C<10%不至于使得铸件增C;高碳型(O23%),可使得铸件增C,碳当量易掌握，从而可多加入废钢，易制得性能好的铸件。5) .本品含

40、Si量有50%、60%两种，含碳分别在(C<10%),(C>23%,使用量根据各厂需要与硅铁(FeSi75%混用或单独使用。注意：碳化硅最大加入量不得超过12公斤。6）,碳化硅孕育剂在浇注前加入。它的作用即能增C又能增S（炉前用2-3mm,炉后用2030mm）。SiC中所包含的C、Si元素的孕育能力早已得到肯定，当时，硅来自硅铁，碳从结晶石墨获取，形成各种形式的混合孕育剂，用于生产。后来，由于硅铁的生产容易，资源丰富，价格低廉，破碎方便，所以，国内外普遍使用FeSi逐渐发展了以Si铁为基础、外加一些特定的合金元素。例如；钙、钢、锹、皓、铝、钮、钮等等。形成独霸天下的硅基，却不用或很

41、少用碳系。二十世纪的下半叶也未见过有关SiC作孕育剂方面的报导。原因在于它的生产合成温度高、原料纯、电能消耗大、价格高，阻碍了它的发展。新世纪头十多年里也未见含SiC的新型孕育剂出现。但是，从技术的角度分析，它是一种十分理想的长效孕育剂，理由如下：1） SiC孕育剂颗粒表面生成的SiQ膜阻隔（或延缓了）碳、硅元素在熔液中的扩散过程，防止过快自身浓度匀化，减少石墨衰退，十分利于长效孕育。2） SiC与FeSi孕育剂相比，SiC更能承受铁液温度不稳定，造成孕育不良效果的影响，即无论温度低或偏高，均可达到好的孕育效果。温度低时（在保证SiC处理所要求的最低温度前提下），SiC颗粒表面生成的SiQ膜不

42、会被铁液中的C去和SiQ反应，将SiQ膜消失或变薄，因为铁液中的碳必须在温度超过一定值后，才能有碳出现，按：SiQ+C=Si+CO式子进行。如果铁液温度过高，超过了临界值，从热力学角度看，熔液中有C出现，它必然要与SiC颗粒外壳SiQ膜反应，破坏或消耗SiQ膜。可是实践证明，SiC颗粒附近存在一个富Si层，它阻碍了这上面C还原反应的进行。所以，不管是低温或高温，孕育结果稳定。3）用SiC做孕育剂所得到的石墨核心数要比FeSi的多，一方面，“C”直接做了核心；另一方面，富Si微区使它附近的“C”过饱和。以石墨析出。核心数量多与受SiQ膜保护，以及富Si、富C的液体“围墙”挡住，这三条件足以使它变

43、成长效孕育剂及预处理剂。4） SiC经人工氧化后形成一定数量的裂开SiQ膜，可保证孕育结果稳定，可人为控制。5） SiC起到了保证长效孕育功能的Si源作用。上述SiC性能特点也构成了它在作为孕育剂的重要不利因素，如这层氧化膜太牢固，封闭了膜内的CSi分子向外迁移扩散，将失去C、Si成核的条件。这个问题不解决，无法谈论上述陈述的SiC成为优良孕育剂和预处理剂的理由。解决次障碍的初潜看法是，二氧化硅膜所造成的困难是此问题的关键；SiC2熔点1700C,铁水处理温度最高也就是1450_1500C,所以这层膜的去出是较困难的。比较好的办法是降低膜的熔化温度或厚度。大家知道，SiQ是酸性氧化物，所以应该

44、寻找一些碱性渣材料予以中和，将低熔点。设法使膜局部破裂，形成通道或沟槽。具体措施；对SiO进行煨烧处理，SiQ在经过500多度时，加热冷却过程体积变化较大。容易形成裂纹。3.3 SiC颗粒增强项与铸铁基体组成的复合材料一一高铁列车闸瓦复合材料（CompositeMaterials）是由两种以上组分以及它们之间的界面构成。国外于20世纪50年代开始使用，国内大约于60年代，并不生疏的玻璃钢就是一种，最早出现的以环氧树脂为基体，在其中添加一定量（C大于10%体积分数的组合材料（玻璃纤维）。然后，借助于相应的复合工艺将它们组合成一种新型材料。近年来，所开发了宏观一微观复合为一体的各种新型复合材料，例

45、如20世纪80年代后出现了功能梯度复合材料。由于这种材料性能是空间位置的梯度分布规律与材料使用中环境条件对材料性能的要求相适应，因此，由它所制成的器件式结构将具有最优环境匹配性，它也被称为最先进复合材料。铸造工程中，使用最多的合金材料一铸铁，自身就是一种非常典型的由其基体组织指金属基体相分（铁素体，珠光体，奥氏体等）加各种类型石墨（称增强相）组织共生而成的复合材料。至今这种材料长久不衰，在用新的技术武装着，使它为人类继续做着贡献。例如；碳化硅基体和用碳化硅纤维增强碳化硅基体所制造的陶瓷基复合材料，可分别在1700c和1200c下保持20c时的拉伸强度。在航天飞机高温区应用。如以金属基体的总类（

46、指（Al.Cu.Mg.Yi.Ni.Fe金属间化合物基复合材料不难看出，Al基复合材料排列为第一位，说明这种金属被研究有着悠久历史，得到了工程界同仁的认可。但是，如同增强体的总类来分析，当今长纤维增强复合材料更受青睐。从下列国外的资料，找到的以碳化硅为增强相的复合材料研究报告，在这里观察它们的动态点滴；例如；日本利用铸铁陶瓷复合材料解决高速列车闸瓦口的问题，因为铸铁闸瓦耐磨性较低，摩擦系数也低，为了解决这一问题，他们研制了铸铁包铸SiC的复合材料闸瓦。对合金铸铁闸瓦、碳化硅铸铁闸瓦及氧化铝A、B闸瓦进行对比试验，试验内容有“平均摩擦系数、闸瓦磨耗量、车轮最高温度、闸瓦最高温度”。试验结果看出，与

47、合金铸铁闸瓦相比，包铸SiC复合材料闸瓦的摩擦系数和耐磨性提高。因为它在高速制动时铸铁部分熔融，陶瓷部分不能熔融，排放出磨耗颗粒，存在于车轮与闸瓦之间，抑制了摩擦系数下降，所以摩擦系数高。这就在原铸铁基础上用复合材料混合再加工而得到的更好的产品。直海电机下图介绍了左M就汽缸教背金比融诚力断定解旗意图图11全比例动力测定器示意图左面的位?期制位优图图12观察位置图if01g144切的比*1*b片此曲1嵯Ou*Jj-H内EKLd-悻植Sir/置l£fH才XHE.AWftH代S*Ht心MM，M.4篦"k立过UC"；MHkfl.，£仁士ioaiw130145的如

48、as席41rhdRI瓦M部沏懵lw110IfOIK140M碎*h*/h卡均巾樽原敢组合图13;a平均摩擦系数b闸瓦磨耗量c车轮最高温度d闸瓦最高温度这种材料既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。复合材料的结构图a十分形象而又概念化的绘出复合材料的结构特点。从图a看出，复合材料由两种以上的组分以及它们之间的界面而构成。按金属习惯叫法，这些组份称为“相”o所以最早复合材料性能的三要素：“增强体”、“基体”、以及“界面”各自分开，但基体则是连续的。通过材料设计，使“组份”的性能互相补充并彼此有关联，从而获得更优异的性能。如果简单扼要地描述复合材料的特征，则为：非均匀材

49、料。”组份”材料间有明显的界面：彼此组份材料性能差别很大，当组成新的复合材料后，性能获较大改进提高；组份材料的体积分数大于10%;复合材料包含的范围很广，如：玻璃钢，钢筋混凝土，汽车轮胎中的线与橡胶组合体，有机，无机，金属或非金属等等。都属于复合材料(CompositeMaterials)03.4 ASC高端耐火材料在冲天炉炉衬应用AI2O3SiCC-（高铝质一碳化硅一碳素）ASC不烧结、含碳复合耐火材料。是指以从AI2O3、SiC和炭素原料为主要成分，以合成酚醛树脂为结合剂的不烧含碳复合耐火材料。这是高铝质耐火材料。在运送冶金厂高炉铁水所用的铁水罐内衬。以前使用过的耐火材料容易受渣侵蚀，但抗

50、热震性良好，抗机械冲刷、抗磨损。高铝质耐火材料受石灰质熔剂的侵蚀并不很快，但易剥落，因此鱼式混铁车、铁水罐内衬用耐火材料中必须含有石墨和SiC以改善其抗剥落性。石墨可使砖具有高的导热性，并可阻止渣的渗透。SiC则可在砖中生成气态SiO或者SiQ保护石墨不致氧化。因此AI2O3SiOC砖具有优良的抗渣性和抗热震性，同时具有很好的抗冲刷，抗磨损性能，是目前为止在铁水预处理容器上最理想的内衬材料。AI2O3SiCC砖是以电熔刚玉（或烧结刚玉、特级铝钿土熟料、红柱玉）、含固定碳90%95%的麟片状石墨和碳化硅为主要原料。以热固型酚醛树脂为结合剂，为防止石墨氧化，添加AI粉、Si粉等复合防氧化剂。经混练

51、、成型和热处理等工序制成。SiC抑制碳的氧化，与CO反应生成SiQ致密保护层，也可填充气孔，使砖致密。SiC热导率高，抗渣能力强，但NazCQ易与SiC反应形成低熔物，2NaO+SiC=4Na+C+Si2：SiC氧化生成物与CaQCaE也易生成低熔物黄长石或玻璃相，对SiC含量要视不同部位适当选择。粒度小于60叩以下的SiC,引入Ai2O3SiC-C砖中，处理温度在1300c左右时可抑制氧化。粒径小，抗氧化作用明显，粒径大，抗热震性能好。目前，我国对铁水热处理用AI2O3SiC-C砖制定了相应的行业标准（YB/T1641999）见表由于这种高铝质耐火材料在运送高炉铁水时，具有良好的抗机械冲刷、

52、与抗磨损的能力，有望这种功能引入中大型铸造厂，远距离运送铁水。表7Al2O3-SiGC砖的行业标准AljO,-SiC-C博的行业标准A5C1Z汕0a/%9C/%三4.5M2.75m2,88显气孔率是三12常温耐空强度小丽口三50三123.5 长炉龄冷、热风冲天炉使用衬料长炉龄冲天炉与每日更换炉衬的冲天炉相比，炉衬衬料必需是高质量的。使用寿命除与衬料有关外，还与炉壳、风口的水冷效果以及炉子的合理结构有密切关系。增加冲天炉使用寿命的技术措施1）水冷无炉衬。2）采用耐火度高，抗磨蚀好的高品位耐火材料。3）提高进风速度，改善炉子中心区燃烧，减少边沿的热负荷，延长炉衬寿命。有报导，将风速提高到75m/s

53、,可使寿命延长到一周。无炉衬长炉龄冲天炉在整个炉身范围没有衬料，但在风口下（相同于带炉衬冲天炉）都膛砌着均匀的耐火料。带炉衬长炉龄冲天炉则在炉气抽出口区域以及炉身上部，用含60%Al2O3的耐火混凝土喷覆，提高其抗磨蚀能力。在炉子下部，由于温度高，化学反应剧烈，需使用有高耐火能力的衬料。使用的耐火衬料大多数含有60-70%AI2O3.20%左右SC（图14）出示一座长炉龄冲天炉（有炉衬，无炉衬）各部分位置使用的耐火衬料。氏炉龄冲天炉5楣压力虹吸式过桥无炉村6分开出凌虹吸式过桥、右炉村表8不同炉型个部位耐火材料选择网号耐火材料，AIZ03%SOZXSjc+Cft.注杵1，耐火材料的商业名称八ML

54、Xm70-5a23-吗固41J耐火日行的福亚名”，79V.，小4.驾囊法成型球1J片火材料的商业名称.，73炉口7M67.22a浇注虚型希遗火豺料的商业杳米UMIX6SS7-14?弱因小2f耐火材料的商业名称.66.10-18-浇注成斗*4琲耐火材料的高萱名林aMIX5S-5413s氏吸M，耐火材料蚪商业名将ML8362孙1卜及原最朴4-耐火材料的前Jt名称U315RKK.'5打在喷的耐火热线性3=苜札衿571不同#型若留住耐火材料选篝）*3.6 冲天炉使用的含SiC的耐火材料选择冲天炉使用的耐火材料，应按不同部位的工作状况选择，人们将冲天炉分成四部分；炉身、熔化带、风口下方直到炉底及

55、虹吸过桥出铁口。炉身使用的耐火砖要求能承受高的抗磨强度，熔化带则要求材料有高的抗冲击能力，以承受温度，化学磨蚀，同时还有高的导热能力，多半用含SiC-AI2O3的浆料，喷补SiC约1520%炉缸（包括炉底），它受炉渣侵蚀（即化学腐蚀）。耐火材料中因有少量水泥，因浆料比捣固料好，出铁口是冲天炉重要附属领域。受强烈冲蚀使用预制块整体更换。每日更换炉衬的（冷风、热风）冲天炉使用的耐火材料炉衬的功能有：1） 隔热作用减少热量从内向外传递。提高热利用率。2） 耐温与耐化学腐蚀。尤其在存储铁液与炉渣的炉缸区。除受高温交变作用外，还要承受机械冲蚀，特别在风口区域附近，炉衬衬料遭到强烈烧损。（图15）示出每日更换炉衬的冷风、热风冲天炉在各位置的耐火衬料品种与标准衬料乘一明»火和iNH与弱肺灿揖单明一电忖看品也解火水品m事夏或，朴用的许吕赛假含乾曲u一才c时甘打专用翼4at含c火川由瞿他卡口sc裁用曲第H应用幅借A处*林*司小影幽盼天加4.M.0省花翳於求的小外都区神天炉加底一上环用方书拒*瞿帮It的型砂打执削蜻出冷.蜗W天麻H麻及情况靠下械用的睇