我国高纯生铁的研制生产与应用Word文档格式.docx

我国高纯生铁的研制生产与应用Word文档格式.docx

《我国高纯生铁的研制生产与应用Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《我国高纯生铁的研制生产与应用Word文档格式.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

3.90～4.70

＜0.40

＜0.05

＜0.04

＜0.025

实际测值

4.25

0.15

＜0.022

＜0.028

＜0.013

（2）采用氧化处理，非金属氧化物含量多，易产生氧化夹渣与氧化气孔。

（3）生产Sorelmetal高纯生铁的加拿大公司是加拿大Quzbec省的Sorel，其用的铁矿是富钛铁矿，故采用先提钛、再生产高纯生铁的工艺，从而可降低高纯生铁的成本，而无富Ti矿的地区很难采取此工艺。

我国河北省龙凤山铸业公司另辟蹊径，未采用氧化法工艺，而是用高炉的“三精法”工艺，成功地生产了高质量的高纯生铁。

三精法的内容是：

在原材料阶段采用精选原材料，优化烧结预配与铁精粉提纯等措施处理原材料；

在冶炼阶段采用低Si精炼法，实施低Si、低Ti冶炼；

在炉外处理阶段增加了增Si、脱S、扒渣及注锭时的随流孕育对铁液处理。

“三精”法冶炼工艺见表4。

表4龙凤山高纯生铁的三精法冶炼工艺

序

号

冶炼

程序

控制内容

控制要点

1

原

材

料

处

理

（1）精选原材料

充分利用优质矿源，精选低P、低Ti微量元素的铁精粉

（2）优化烧结预配

增设了烧结预配系统的装备，对铁精粉和石灰采用了自动化预配工艺，实行两配两混，保证精粉的品位、碱度、TiO2、P2O5及石灰CaO的均匀与稳定

（3）增加了铁精粉润磨提纯工艺

新增的铁精粉润磨工艺，提高了精粉的细度与球团矿强度，减少了球团矿中TiO2、P2O5的杂质含量

2

冶

炼

过

程

中

的

低

硅

采用低Si低Ti的冶炼工艺，有效地限制各类金属氧化物的还原；

采用大矿批、重负荷、高风温、高风速、高顶压、大喷吹、高碱度、低硅等精炼操作，保证低Si冶炼工艺的稳定执行。

冶炼中进行10项控制：

低灰分、低S的焦炭选择；

低焦比；

合理的炉料结构；

合理装袋；

送风；

温度控制；

造渣；

喷煤；

高顶压及出铁量控制。

3

炉

外

铁

液

炉外增Si

出铁时取样，用直读光谱仪测出Si量，按要求增Si，增加石墨核心，减小过冷度

炉外脱S

铁液进入铁水罐后，自动检测S量，根据脱S要求，采用N气喷Mg脱S，同时搅拌，以脱气、浮渣及均匀成分

严格扒渣

用扒渣机进行扒渣作业

随流孕育

浇注铁锭时，进行随流孕育，使高纯生铁呈细灰口生铁

经过精选材料，低Si冶炼，炉外处理工艺生产出的龙凤山高纯生铁有2个鲜明特点：

（1）外观洁净，外形呈元宝状的铁锭，而不是用氧化法生产的呈白口的碎块状的生铁块；

（2）断口呈细灰口状，金相组织为珠光体+铁素体及A型石墨，而不是氧化法工艺生产基体为渗碳体的高纯生铁，见图1。

（a）外形元宝状（b）断面呈细灰口

图1龙凤山高纯生铁

龙凤山高纯生铁成分与国外高纯生铁的对比。

1、五个常规元素含量的对比，见表5

表5龙凤山高纯生铁与Sorelmetal常规元素的对比

化学成分%

项目

Ti

Sorelmetal

0.010

实测

0.022

0.028

0.013

0.006～0.010

龙凤山铁业公司

未增Si前

＜0.20

增Si后

0.40～0.70

特级

≤0.05

≤0.020

≤0.015

≤0.010

0.70～0.90

一级

0.05～0.10

0.020～0.030

0.015～0.020

0.010～0.030

2、微量元素含量的对比，见表6

表6龙凤山高纯生铁与Sorelmetal微量含量的对比（实测值）

元素

Al

Sb

As

Bi

Cu

Pb

Sn

Cr

0.00745

0.00006

0.0010

0.00000

0.00285

0.00167

／

龙凤山

铁业公司

0.0070～0.0058

0.0005

＜0.0006

＜0.00005

0.0096～0.0089

＜0.0005

0.0094

3、龙凤山高纯生铁的企业标准

龙凤山高纯生铁的企业标准中有三个指标：

（1）六个常规元素（C、Si、Mn、P、S、Ti）指标；

（2）12个微量元素（Cr、V、Mo、Sn、Sb、Pb、Bi、Te、As、B、Al）最大含量指标；

（3）12个微量总和∑T限制

企业标准表7、表8

表7

龙凤山高纯生铁企业标准（六个常规元素）

牌号

C05

C08L

C10L

C12L

化

学

成

分

（%）

0.4～0.7

＞0.70～0.90

＞0.90～1.10

＞1.10～1.30

≥3.8

特级≤0.010

1级＞0.010～0.020

2级＞0.020～0.030

特级≤0.05

1级＞0.05～0.10

特级≤0.020

1级＞0.020～0.030

特级≤0.015

1级＞0.015～0.020

表8

龙凤山高纯生铁企业标准（12个微量元素最大含量限制）

微量元素

V

Mo

Te

B

最大含量（%）

0.015

0.008

0.003

0.0008

0.001

0.0018

0.01

12个微量元素总和∑T＜0.06。

二、龙凤山高纯生铁在低温铁素体球墨铸铁上的应用

我国铁道系统为了实现引进高铁技术的消化吸收与创新，组织了九大技术关键攻关，其中高速转向架系统是其中之一，见图2、图3。

图2转向架轴箱组装

图2转向架轴箱组装图图3CRH380高速列车转向架轴箱（-40℃QT400-18AL,80kg/件）

该铸件的材质性能要求很高，其原牌号为EN-GJS-400-18U-LD，仅有-20℃冲击功的要求，但随着高铁向高寒地域拓展，则对-40℃、-50℃甚至-60℃的冲击值提出了要求，其冲击值要与-20℃等值，达到12J冲击吸收功，抗拉强度还要在400MPa以上，重要的是该铸件对列车的安全性、稳定性影响极大。

上有承载人的列车、下有飞速的车轮，其重要性不言而喻。

常州华德机械公司开发并生产了该类产品2万多套，无一不合格品。

其质量的高稳定性受到国内外用户的肯定与赞扬。

其稳定性的因素之一就是采用了高纯生铁。

本文就高端的低温铁素体球铁采用高纯生铁的必要性，高纯生铁与其性能、组织之间的关系进行探讨。

探讨从2方面进行，一是低温铁素体球铁性能与高纯生铁之间的关系；

二是其金相组织与高纯生铁的关系。

低温铁素体球铁的性能见表9、表10

表9超低温铁素体球墨铸铁附铸试样的力学性能

材料牌号

力学性能

抗拉强度Rm、MPa

（min）

屈服强度Rp0.2、MPa

断后伸长率A%

硬度HBW

（-20℃）QT400-18AL

400

240

18

130-150

（-40℃）QT400-18AL

（-50℃）QT400-18AL

（-60℃）QT400-18AL

注：

用25mmY型附铸试样作检验试样。

表10低温铁素体球墨铸铁附铸试样V型缺口的冲击性能

最小冲击吸收功（J）

-20℃

-40℃

-50℃

-60℃

三个实验平均值

单个试样（min）

QT400-18AL（-20℃）

12

9

-

QT400-18AL（-40℃）

QT400-18AL（-50℃）

QT400-18AL（-60℃）

用25mmY型附铸试样。

铸铁的性能是由组织决定的，低温铁素体球铁的金相组织见表11。

表11低温铁素体球墨铸铁的金相组织

金相组织

要求

球化率

90%以上

基体

100%铁素体

石墨大小

5～6级

石墨球数

90～200个/mm2

磷共晶+碳化物

100倍下≈0%

低温铁素体球铁在400MPa抗拉强度下，-20℃～-60℃皆要达到冲击功，在技术攻关上有2个难点：

一是抗拉强度与低温冲击值是相互制约的，例如与EN-GJS-400-18U-LD相比，抗拉强度400MPa，但仅有-20℃冲击值12J要求，与EN-GJS-350-22U-LD相比，虽有-40℃冲击值12J的要求，但抗拉强度仅为350MPa，要在-40℃、-50℃、-60℃冲击值达12J的同时要达到400MPa抗拉强度，当时国内外尚无此标准。

二是球墨铸铁的性能特性是低温冲击值随温度降低，要求在比-20℃更低的-40℃、-50℃、-60℃皆达到12J，技术难度很大。

在华德机械公司攻克上述难关时，发现采用高纯生铁是满足其性能与组织的基础。

这个基础支撑低温铁素体球铁达到高性能的因素有五点：

一是高球化率；

二是全铁素体；

三是性能中强度与低温冲击值的平衡；

四是晶界的净化；

五是低的塑—脆性转变温度。

1、高球化率与高纯生铁

高端的低温铁素体球铁对球化有两个要求，一是球化率要在90%以上，二是Mg残的含量保证在较低的范围内，即0.03～0.045%。

前者是保证性能，后者是减少收缩，夹渣及白口倾向。

为此，要求高纯生铁对S、Ti含量及反球化的微量元素控制起来：

（1）控制S、Ti含量，可采用龙凤山铸业公司产的特级高纯生铁（S≤0.15%、Ti≤0.010%），也可采用1级高纯生铁（S0.015～0.020%、Ti0.01～0.030%）；

（2）控制反球化微量元素，并用球化指数K1＜0.6加以限制。

表12为生铁中反球化微量元素对球化的负面影响。

表12生铁中反球化微量元素对球化的负面影响

类别

对球化的影响

耗镁型

Se、Te

消耗球化剂，影响球化率。

促使石墨形成蠕虫状石墨、过冷石墨到片状石墨

晶界偏析型

Sb、Sn、As、Ti

偏析于晶界，促使石墨畸变，使石墨呈各类不规则形状

混合型

Pb、Bi

含量少时，形成畸变石墨，含量多时则呈过冷石墨到片状石墨

对微量元素干扰球化的研究表明，元素中Ti、As、Sn、Sb、Pb、Bi、Al反球化最为显著，经回归分析计算，可用球化指数K1表征。

K1=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al

资料表明：

为球化中不出现异形石墨，K1应＜1.0，但龙凤山高纯生铁的K1仅为0.22，见表13。

表13龙凤山高纯生铁的球化指数

成分

含量（%）

0.014

～

0.017

0.052

0.046

0.007

～0.0058

0.0096

0.0089

球化指数（K1）

K1=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al=0.22

由于严格的限制了影响球化的S、Ti及球化干扰微量元素，华德机械公司采用了龙凤山高纯生铁后经3608炉次的统计获得了下列结果：

（1）球化率达到90以上；

（2）耗Mg量减少，在1500℃球化温度，低镁低稀土的球化剂（Mg5.5%、Re0.5～1.0%）及冲入法工艺下，球化剂加入量仅为1.1%；

（3）球化后Mg残低，（0.031～0.049%），Re残低（0.011～0.018%），球化后的S低（0.003～0.016%），使低温铁素体球铁达到了即球化良好，Mg残又低的要求。

值得提出的是球化后铁液的低含S量，有效地延缓了球化衰退。

图4为球化率，图5为球化后的铁液含S量，图6、图7为球化后的Mg残与Re残。

以上4图皆是华德机械3608炉次的统计。

图4（-40℃）QT400-18AL的球化率图5（-40℃）QT400-18AL的S含量的

（100X）3608炉次统计

图6（-40℃）QT400-18AL的Mg残含量的图7（-40℃）QT400-18AL的Re残含量的

3608炉次统计3608炉次统计

2、100%铁素体基体与高纯生铁

100%铁素体基体是保证低温冲击值的必要条件。

为保证100%铁素体，则要求对高纯生铁中的促进珠光体元素严格限制。

促进珠光体的元素为Mn、Cu、Sn、Pb、Bi、As、Cr、Sb，可用珠光体系数Px＜1.0来表征。

Px的计算式为：

Px=3.0Mn-2.65（Si-2.0）+7.75Cu+90Sn+357Pb+333Bi+20.1As+9.6Cr+71.7Sb

龙凤山高纯生铁的珠光体系数Px=0.6，见表14。

表14龙凤山高纯生铁的珠光体系数Px

珠光体系数Px

珠光体系数

（Px）

Px=3.0Mn+2.65（Si-2.0）+7.75Cu+90Sn+357Pb+333Bi+20.1As+71.7Sb=0.6

图8为（-40℃）QT400-18AL的全铁素体基体

图8（-40℃）QT400-18AL的基体（100X）

3、低温铁素体球铁的高性能与高纯生铁。

如何保证抗拉强度400MPa下-40℃～-50℃的冲击值仍达到12J是技术攻关中的重点。

它与高纯生铁中的Si、Mn、P的控制关系密切。

（1）利用高炉的低Si冶炼，使Mn、P含量大幅度降低，此时Si为0.2～0.3%，后增Si至0.4～0.7%或0.7～0.9%是为形成细灰口高纯生铁。

（2）生产低温铁素体球铁时，生产厂将Si提至2.2～2.4%，强化铁素体以保证400MPa抗拉强度。

（3）Si提高后保证了强度，但降低了球铁的塑-脆性转变温度，表15为Si对塑-脆性转变温度的影响。

表15Si量对塑-脆性转变温度的影响

Si（%）

1.28

1.98

2.58

3.05

3.50

3.99

4.67

4.85

5.25

塑-脆性转变温度（℃）

-50

-45

-25

-10

50

55

65

75

85

100

Si量每增加0.1%，塑-脆性转变温度提高，一般情况下，低温铁素体球铁的Si在2.0%以下为宜。

如将1.9%Si为了保证抗拉强度提至2.3%，则脆性转变温度提高了22℃～24℃，脆性转变温度提高后，难以保证低温冲击值，解决办法是降低Mn、P含量，Mn每降0.1%或P降P0.01%，则塑-脆性转变温度分别将11℃～12℃或4℃～5℃，若Mn由0.3%降至＜0.1%，将P由0.04%降至≤0.025%，则总的脆性转变温度不仅未提高，反而降低。

从而保证了低温铁素体球铁既有400MPa抗拉强度又具有低的脆性转变温度，因此高纯生铁在Si冶炼中降低，Mn、P含量的工艺起着关键的作用。

当要求-50℃～60℃冲击值时，可将Si降至1.8～1.9%，用Ni来强化铁素体保证强度，但Mn、P含量必须在较低的范围内。

华德机械采用龙凤山的高纯生铁，其（-40℃）QT400-18AL材质3608炉中Si、Mn、P的统计值见表16，图9、图10、图11。

表16（-40℃）QT400-18AL中的Si、Mn、P成分统计（3608炉次）

Mn（%）

P（%）

统计值

平均值

2.2

2.4

2.029

2.442

2.208

≤0.10

0.040

0.138

0.076

≤0.025

0.012

0.021

图9（-40℃）QT400-18AL的Si含量的图10（-40℃）QT400-18AL的Mn含量的

图11（-40℃）QT400-18AL的P含量的3608炉次统计

4、晶界净化与高纯铁

低温铁素体晶间夹杂的净化是提高球铁低温冲击值的重要措施。

生铁中的微量元素形成的晶间夹渣有三类：

Cr、V、Ti、M、B、As等形成的碳化物分布在晶间处，形成正偏析；

Si、Ni、Cu分布在晶粒内部，形成反偏析；

P、S、Pb、Sn、Zn等低熔点元素在晶界上最后凝固，造成晶界低熔点物质夹杂。

表17为生铁中微量元素对晶界夹渣与偏析的影响。

表17生铁中微量元素铸铁晶间夹渣与偏析的影响

序号

对性能的影响

正偏析

Mn.Cr.V.Ti.Mo.B.As

形成碳化物，分布于晶界处，造成晶粒外偏析，降低材质的韧性与塑性

反偏析

Si.Ni.Cu

固溶强化基体，分布在晶粒内部，造成晶粒内偏析

低熔点

元素偏析

P.S.Sn.Pb.Zn.As

熔点低，常分布在最后凝固的晶界上，造成夹杂，裂纹缺陷

为提高材质的纯净度，需对高纯生铁中微量元素的总和∑T加以限制，龙凤山高纯生铁的∑T＜0.06，经3608炉次的统计，在100倍金相显微镜下（-40℃）QT400-18AL材质的磷共晶+碳化物总和为零，在400倍下也未发现晶间杂渣，说明高纯生铁在净化晶界方面是有成效的，这对低温冲击值的提高是十分有利的。

5、塑-脆性转变温度及变化曲线与高纯生铁

冲击性能随温度降低而下降是球铁的固有铁性之一。

图12为常州华德机械公司所作的冲击值与温度的变化曲线，该曲线的走向与高纯生铁密切关系：

图12（–50℃）QT400-18AL的冲击功-温度曲线

（1）控制高纯生铁的S、Ti、球化系数K1、提高球化率，以提高低温冲击性能；

（2）控制高纯生铁的Si、Mn、P，降低塑-脆性转变温度，使转变温度向左移；

（3）控制高纯生铁的球化体系数Px，确保100%铁素体，提高低温冲击值；

（4）控制高纯生铁中微量元素总量∑T，减少晶间夹杂与偏析，提高低温冲击值；

采用高淳生铁使冲击值-温度曲线在0℃至-60℃温度内，冲击值下降平缓，使脆性转变温度达到材质更安全运行的目的。

三、低温铁素体球铁的质量稳定性与高纯生铁

质量稳定性是高端铸件的重要特征，3608炉次生产的出厂铸件无一废品，其稳定性是与采用高纯生铁分不开的，表18为（-40℃）QT400-18AL材质性能的统计数字。

表18（-40℃）QT400-18AL转向架轴箱性能3608炉次的统计

-40℃冲击吸收功（J）

≥400

400.0

425.5

403.1

≥18

20.0

30.7

26.1

≥12

12.1

17.8

14.3

华德机械公