铸铁熔炼预处理工艺，专为感应电炉而导出

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减小，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，笔者曾经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。　　

2013年，我国灰铸铁件的产量为2055万吨，占全世界灰铁铸件总产量的43％，但是，据我所知，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而已。工艺过程中，许多变数的影响都还有待深入的探索。 　　

1、预处理工艺的兴起　　

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、有利于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，欧洲铸造行业率先先采用这项工艺。谁是这项工艺的创始人？我没有办法确切地查证，但是，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年开始生产铸铁件。60年代末，考虑到需求量增长的态势很强，而且环保的要求将日益严格，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。　　

改用感应电炉熔炼后，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，铸铁性能的稳定性明显改善。　　

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。用感应电炉熔炼灰铸铁和球墨铸铁的企业，熔炼过程中采用预处理的日见增多，甚至还进一步推广到冲天炉熔炼。 　　

2、在熔炼灰铸铁方面的应用　　

用感应电炉熔炼灰铸铁时，在保持原铁液中硫含量不低于0.06％，且有一定的氧含量的条件下，采用预处理工艺，可使铸铁共晶转变时的过冷度减小，避免组织中出现B型、D型和E型石墨，组织中共晶团数量增多，从而，铸铁的力学性能得以提高，而且比较稳定。　　

如果预处理工艺得当，还可以明显减缓孕育作用的衰退。生产薄壁铸件时，不仅可避免组织中出现碳化物，而且可使过冷石墨（B型和D型）减至最少。经预处理工艺的铁液，可用于砂型铸造，也可用于金属型铸造和离心铸造。 　　

3、预处理剂及加入方法　　

1）碳化硅　从预处理工艺开始研发之日起，几十年来广泛用于灰铸铁的预处理剂是碳化硅，主要是碳化硅含量75％左右的冶金碳化硅。今后，随着对预处理作用机制的认识逐渐深化，当然会不断有效果更好的新品种问世。　　

碳化硅是将硅砂和焦炭（或石油焦）置于电极加热的电阻炉内，在1450～1900℃的高温下，由碳将SiO2还原而制得的。在制造、破碎、烧结过程中，SiC表面都会形成很薄的SiO2保护膜。一般的碳化硅，都含有5％左右的游离SiO2，这也就是SiC抗氧化能力特别强，能用作耐火材料和电热组件的原因。　　

碳化硅溶于铁液后，游离SiO2以非常微细的颗粒分散于铁液中，对于异质晶核的生成非常有益。国外有研究者认为，碳化硅的预处理作用主要在于含有这种游离SiO2。　　

碳化硅的熔点很高，在2700℃以上，2600℃以下相当稳定。在熔炼铸铁的温度下，烧损量很少，而且不可能‘熔化’，只能逐步‘溶解’、扩散，因而其作用的时效相当长。　　

碳化硅加入后需要一定的时间使之溶于铁水，而且需要搅拌，以加速其溶解。用感应电炉熔炼时，可在出铁前将预处理剂加入炉中。考虑到碳化硅的密度低，约为3.2％～3.3％，熔清后加入，易浮在液面，还是随固体炉料一并加入为好。

作为预处理剂，碳化硅的加入量一般为金属炉料的0.5％～1％。由于预处理的效果受铁液的成分、炉况条件以及作业方式等多种因素的影响，铸造厂最好是通过试验，求得适合企业具体条件的最佳用量。 　　

（2）预处理剂的发展　十多年前，瑞典Elkem公司基于T. Skaland等人对铸铁中石墨生核进行的研究工作，考虑到Al、Ca、Zr等元素的硫化物、氧化物，都是异质晶核中的主要组成物，研制了一种新型预处理剂“Preseed”，其化学成分如下： Si 62％～69 ％，Ca 0.6％～1.9 ％，Zr 3.0～5.0 ，Al 3.0％～5.0％。 　　

据称这种预处理剂的效果很好，用量比碳化硅少得多，只是金属炉料的0.1％左右。