浅谈铸铁的预处理.doc

浅谈铸铁的“预处理” 铸铁的预处理工艺，是为适应感应电炉熔炼的冶金特点而导出的。大约在上世纪70年代后期开始应用于欧洲，随后，差不多与感应电炉熔炼铸铁的工艺同步发展。 感应电炉熔炼组织中含石墨的铸铁，采用预处理工艺，可以改善石墨结晶析出的生核条件，从而使铸铁的共晶转变温度提高，减轻过冷度，增加共晶团数量，还可以使铸铁力学性能参数值的波动范围缩小，改善铸件的加工性能。 预处理工艺的良好作用，已经由很多研究工作和实际生产条件下的考核所确认，目前，一些工业国家中，预处理工艺的应用面很广，可以说已经是感应电炉熔炼铸铁的常态工艺。1980年、82年，笔者在美国造访过好几家用感应电炉熔炼铸铁的铸造厂，就没有见到一家不采用预处理工艺的。 2012年，我国灰铸铁件和球墨铸铁件的产量为3100万吨，占全世界这两类铸件总产量的43.5％，但是，据我的一管之见，采用预处理工艺的铸造厂却很少很少。 预处理工艺的效果是肯定的，但是，这项工艺从开始研发至今，毕竟只有四十多年，尽管一些工业国家进行了大量的试验研究工作，迄今为止，对其作用机制的认识，最多也不过是知其梗概。工艺过程中，许多变数的影响都还有待深入的探索。 对于这项工艺，我的知识只不过是道听途说、人云亦云，更不可能有实践中的体验。之所以来这里说说，是想给大家提个醒儿，所以标题就用了‘浅谈’两个字。实际上，就我而言，‘浅谈’仍然是溢美之词。 一．预处理（Preconditioning）工艺的发端 从上世纪60年代起，中频感应电炉有了重大的改进，晶闸管静态变频电源、逆变变频电源相继问世，热效率可达70％，加以灵活方便、环境保护等方面的优点，感应电炉的应用日益增多。 冲天炉熔炼铸铁，已经有二百多年的历史，我们对于铸铁质量的控制已经积累了很多经验。一旦转而改用感应电炉，铸铁熔炼的过程大不相同，简单地沿用老经验就难以确保铸件的冶金质量，生产中就会不断出现新的问题，如：白口倾向大，石墨化程度不符合要求等。尤其令人头痛的是，即使在炉料配比不变、原铁液的成分符合要求、铁液温度相同的条件下，也很难保持铸铁的性能稳定、一致。 预处理是针对上述问题研发的重要技术措施之一，上世纪70年代欧洲铸造行业首先采用。谁是这项工艺的创始人？我没有查证。广为人知的是，英国S. Russell公司铸造部对于开发这项技术是有贡献的。 Russell公司1952年开始生产球墨铸铁件。60年代末，考虑到球墨铸铁件需求增长的态势很强，而且环保的要求将日益严格，于是在原有冲天炉的基础上，装设了2台1.5吨感应电炉，1972年又增加了2台8吨感应电炉。 70年代初，铸造部按当时的英国BS 2789标准，生产牌号为420/12的球墨铸铁件，要求：抗拉强度≥420 MPa，屈服强度≥270MPa，伸长率≥12％，硬度≤212 HBS。 用冲天炉熔炼时，通过控制化学成分、球化处理和孕育处理，可以以铸态达到性能要求，铸件不必经热处理。 改用感应电炉熔炼后，即使化学成分控制稳定、球化处理和孕育处理也相同，铸铁力学性能的差异却很大，难以保持稳定、一致，如：伸长率在3％～20％之间波动，符合要求的不到60％；硬度在不足160 HBS和略高于261 HBS之间波动，符合要求的也不到60％。安排铸件在不同的温度下打箱、落砂，也未能解决问题。很多铸件都不得不予以热处理。 为了解决铸铁冶金质量不稳定的问题，公司进行了多方面的分析研究，逐步认识到，问题在于铸铁中微细的SiO2颗粒少了，共晶转变时石墨化的生核条件不充分。据此，决定进行预处理的试验研究工作，预先在炉内加入预处理剂，使铁液中存在的SiO2颗粒增加。 经过试验室工作和生产考核，都表明预处理的效果很好，材质性能的稳定性大幅度提高。所用的预处理剂是碳化硅和含镁5％的镁硅铁合金，二者的用量都是铁液的0.1％。 1978年美国铸造师学会的年会上，Russell公司的B. C. Godsell ，介绍了研发预处理工艺的经验，受到了广泛的关注。 此后，对预处理工艺的试验、研究一直没有间断。用感应电炉熔炼球墨铸铁和灰铸铁的企业，熔炼过程中采用预处理的日见增多，甚至还逐步推广到冲天炉熔炼。 二、铸铁凝固过程中的生核 均匀的液相中结晶析出固相（均质生核），晶核的形成需要很大的表面能。对纯金属而言，在金属液中均质生核，一般都需要将其过冷到熔点100℃以下。以这种生核方式结晶、凝固，在实验室中也许能够做到，在生产条件下，不可能实现这种结晶、凝固的机制。 实际上，各种铸造合金的结晶、凝固过程，都起始于异质晶核。一般说来，如果晶核的晶格与凝固体晶格的适配性好，合金液在很小的过冷度下就可以开始结晶、凝固。 1、单向性生核 金属-非金属体系的凝固过程中，非金属物质可以是金属凝