我国高纯生铁地研制、生产与应用

1、word我国高纯生铁的研制、生产与应用X武成1,白佳鑫1,马敬仲2,曾艺成21、某某龙凤山铸业某某2、原第一机床厂3、中国机械科学研究院总院我国研制与生产高纯生铁的背景20002002我国某某浦东建造高速磁悬浮列车，因未采用高纯生铁,在生产磁悬浮列车的球墨铸铁复合连接体时产生了众多困扰。表1为球铁复合连接体的技术要求。表1磁悬浮连接体技术要求性能技木要求抗拉强度:MPa>500伸长率%>13低温冲击值J10J-20C我国中标企业因废品率较高难以生产，二次要求降低标准，第一次将-20C冲击值由10J降至4J,第二次又将伸长率由13%至11%,见表2表2修改后的磁悬浮连接体技术要求性能

2、技木要求抗拉强度MPa500伸长率%11低温冲击值J4J-20C经屡次攻关，其间曾用南非高纯生铁生产过2炉，伸长率、低温冲击值明显提高，但因价格因素未能使用。在未用高纯生铁下，我国中标的生产厂于2002年5月7月批量投产，开始时5月低温冲击值不合格率44.1%,6月为14.8%,7月为10.1%后性能趋于平稳，据悉德方要求连接件数量10万12万套，但我国生产厂试制时却付出了2万套的代价。随着我国高速列车、风力发电、核电、汽车等行业的大开展，对低温铁素体球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁ADl、大断面球铁与高性能球铁需求量日益增大。普通球铁生铁中Si、Mn、P、Ti与其微量元素含量无法满足高端铸件的要求

3、。高纯生铁的供给已成为高端球铁件开展与进一步提高性能与质量的瓶颈。高纯生铁的研究与生产已刻不容缓。2007年中国铸造活动周中，我国学者著文呼吁尽快研制与生产高纯生铁。从2007年至2010年，我国开始研制高纯生铁，到2010年开始批量生产高纯生铁。某某华德机械公司用高纯生铁生产-40C-50C的高铁上的转向架轴箱，电机底座等低温铁素体球铁，为中国某某客车集团、庞庞巴迪、阿尔斯通、舍佛勒供给低温铁素体轨道产品。至今生产各类产品2万余套，无一废品。该公司负责人总结产品质量稳定性问题时说：“采用高纯生铁是保证高性能低温铁素体球铁质量与质量稳定性的根底。一、我国生产高纯生铁的工艺特点国外生产高纯生铁的

4、工艺主要是氧化法，以著名的“Sorelmetal为例，其生产工艺是先将铁矿石和无烟煤混合后置于电弧炉中，经加热，将不同的金属氧化物复原，然后倒入另炉进展氧化吹炼，通过氧化处理，大幅度地脱除了P、Si、Mn、Ti、V、Cr等元素，此法可使各种杂质的含量降至很低，氧化处理的设备可用转炉、反射炉或大型盛铁包。国外用氧化法制造高纯生铁已有50多年的历史了，虽然能使P、Si、Mn、Ti、V、Cr等各种易氧化的元素含量降至很低，但此法也有不足之处：1氧化处理时，Si的氧化首当其冲，故高纯生铁中的Si含量很低，见表3。生铁为白口组织，熔制铸铁时，石墨核心少，孕育效果差，收缩倾向大。表3SorelmetalR

5、F-1高纯生铁常规元素化学成分%CSiMnPS规格3.904.70<0.40<0.05<0.04<0.025实际测值4.250.15<0.022<0.028<0.0132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本钱，而无富Ti矿的地区很难采取此工艺。我国某某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

6、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、扒渣与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精选原材料充分利用优质矿源，精选低P、低Ti微量原兀系的铁相粉材料2优化烧结预配增设了烧结预配系统的装备，对铁精粉和石灰米用了自动化预配工艺，实行两配两1混，保证精粉的品位、碱度、TiO2、P2O5处与石灰CaO的均匀与稳定理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

7、、P2O5的杂质含量冶采用低Si低Ti的冶炼工艺，有效地限制2炼各类金属氧化物的过复原；冶炼中进展10项控制：采用大矿批、重负低灰分、低S的焦炭选择；低焦比；合理16 / 21程中的低硅冶炼荷、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。的炉料结构；合理装袋；送风；温度控制；造渣；喷煤；高顶压与出铁量控制。3炉外的铁液处理炉外增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、浮渣与均匀成分严格扒渣用扒渣机进展扒渣作业随流孕育浇注铁锭

8、时，进展随流孕育，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+铁素体与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比照1、五个常规元素含量的比照，见表5表5龙凤山高纯生铁与Sorelmetal常规元素的比照化学成分项目SiMnPSTiSorelmetal规格<0.40<0.05<0.04<0.0250.010实测

9、0.150.0220.0280.0130.0060.010龙凤山铁业公司未增Si前<0.20增Si后0.400.70特级<0.05<0.020<0.015<0.0100.700.90一级0.050.100.0200.0300.0150.0200.0100.0302、微量元素含量的比照，见表6表6龙凤山高纯生铁与Sorelmetal微量含量的比照实测值元素AlSbAsBiCuPbSnCrCuSorelmetal0.007450.000060.00100.000000.002850.000000.00167/龙凤山铁业公司0.00700.00580.0005<0

10、.0006<0.000050.00960.0089<0.00050.00050.00940.00960.00893、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；212个微量元素Cr、V、Mo、Sn、Sb、Pb>Bi、Te、As、B、Al最大含量指标；312个微量总和分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C05C08LC10LC12L化Si0.40.7>0.700.90>0.901.10>1.101.30学C>3.8成Ti特级w0.0101级>0.010

11、0.0202级0.0200.030分Mn特级w0.051级>0.050.10%P特级w0.0201级>0.0200.030S特级w0.0151级>0.0150.020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兀素CrVMoSnSbPbBiTeAsBAl最大含量%0.0150.0150.0080.0030.00080.0010.00050.00050.00180.0010.0112个微量元素总和工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

12、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-40CQT400-18AL,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-20C冲击功的要求，但随着高铁向高寒地域拓展，如此对-40C、-50C甚至-60C的冲击值提出了要求，其冲击值要与-20C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，具重要性不言而喻。某某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

13、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、组织之间的关系进展探讨。探讨从2方面进展，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、MPamin屈服强度Rp0.2、MPamin断后伸长率A%min硬度HBW-20CQT400-18AL40024018130-150-40CQT400-18AL40024018130-150-50CQT400-18AL40024018130-150-60CQT400-18AL40024

14、018130-150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型缺口的冲击性能材料牌号最小冲击吸收功J-20C-40C-50C-60C三个实验平均值单个试样min三个实验平均值单个试样min三个实验平均值单个试样min三个实验平均值单个试样minQT400-18AL-20C129-QT400-18AL-40C-129-QT400-18AL-50C-129-QT400-18AL-60C-129注：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56

15、级石墨球数290200个/mm磷共晶+碳化物100倍卜0%低温铁素体球铁在400MPa抗拉强度下，-20C-60C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-20C冲击值12J要求，与EN-GJS-350-22U-LD相比,虽有-40C冲击值12J的要求，但抗拉强度仅为350MPa要在-40C、-50C、-60C冲击值达12J的同时要达到400Mp斯拉强度，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-20C更低的-40C、-50C、-60C皆达到12J

16、,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根底。这个根底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；五是低的塑一脆性转变温度。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X围内，即0.030.045%。前者是保证性能，后者是减少收缩，夹渣与白口倾向。为此，要求高纯生铁对S、Ti含量与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SW0.15%、TiW0.010%，也可采用1级

17、高纯生铁S0.0150.020%、Ti0.010.030%；2控制反球化微量元素，并用球化指数K<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儿系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品界偏析型SBSn、As、Ti偏析于晶界，促使石墨畸变，使石墨呈各类不规如此形状混合型Pb、Bi含量少时，形成畸变石墨，含量多时如此呈过冷石墨到片状石墨对微量元素干扰球化的研究明确，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K表征。K

18、i=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6Al资料明确：为球化中不出现异形石墨，Ki应<1.0,但龙凤山高纯生铁的K仅为0.22,见表13。表13龙凤山高纯生铁的球化指数成分STiMnSnSbAlAsBiPbCuCr含量0.0140.0170.0100.0150.0520.0460.00050.00050.0070.00580.00060.000050.000050.00960.00890.0094球化指数K1K=4.4Ti+2.0As+2.3Sn+5.0Sb+290Pb+370Bi+1.6A1=0.22由于严格的限制了影响球化的STi与球化干扰微

19、量元素，华德机械公司采用了龙凤山高纯生铁后经3608炉次的统计获得了如下结果：1球化率达到90以上;2耗Mg量减少，在1500c球化温度，低镁低稀土的球化剂Mg5.5%Re0.51.0%与冲入法工艺下，球化剂参加量仅为1.1%;3球化后Mg戋低，0.0310.049%，Re残低0.0110.018%,球化后的S低0.0030.016%，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。S(0.0030.016%)球化后S(

20、%)图4-40CQT400-18AL的球化率图5-40CQT400-18AL的S含量的100X03608炉次统计图6-40CQT400-18AL的Mg残含量的图7-40CQT400-18AL的Re残含量的3608炉次统计3608炉次统计2、100%素体基体与高纯生铁100%素体基体是保证低温冲击值的必要条件为保证100%铁素体，如此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.

21、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化学成分MnSnSbTiAlAsBiPbCuCr珠光体系数Px0.0520.0460.00050.00050.0100.0150.0070.00580.00060.000050.00050.00960.00890.0094珠光体系数PxPx=3.0Mn+2.65Si-2.0+7.75Cu+90Sn+357Pb+333Bi+20.1As+71.7Sb=0.6图8为-40CQT400-18AL的全铁素体基体图8-40CQT400-18AL的基体100X3、低温铁素体球铁的高性能与高纯

22、生铁。如何保证抗拉强度400MPa下-40C-50C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、MnP的控制关系密切。1利用高炉的低Si冶炼，使MnP含量大幅度降低，此时Si为0.20.3%,后增Si至0.40.7%或0.70.9%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2.22.4%,强化铁素体以保证400MPa拉强度。3Si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Si1.281.982.583.053.503.994.254.674.855.25塑-脆性转变温度C-

23、50-45-25-105055657585100Si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%,如此脆性转变温度提高了22c24C,脆性转变温度提高后，难以保证低温冲击值，解决方法是降低MnP含量，Mn每降0.1%或P降P0.01%如此塑-脆性转变温度分别将11c12c或4c5C,假如Mn由0.3%降至0.1%,将P由0.04%而至0.025%,如此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400Mp前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，MnnP含量的工

24、艺起着关键的作用。当要求-50C60c冲击值时，可将Si降至1.81.9%,用Ni来强化铁素体保证强度，但MnP含量必须在较低的X围内。华德机械采用龙凤山的高纯生铁，其-40CQT400-18AL材质3608炉中Si、MnP的统计值见表16,图9、图10、图11。表16-40CQT400-18AL中的Si、MrP成分统计3608炉次SiMnP%要求统计值平均值要求统计值平均值要求统计值平均值2.22.0290.0400.0122.42.4422.208<0.100.1380.076<0.0250.0280.021图9-40CQT400-18AL的Si含量的图10-40CQT400-

25、18AL的Mn含量的3608炉次统计3608炉次统计word图11-40CQT400-18AL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类别儿系对性能的影响1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2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3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，龙凤山高纯生铁的工T<0.06,经3608炉次的统计，在100倍17/21word金相显微镜下-40CQT400-18AL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-脆性转变温度与变