CN102912212B

CN102912212B - 球墨铸铁用高纯生铁及其制备方法

Info

Publication number: CN102912212B
Application number: CN201210380821.3A
Authority: CN
Inventors: 杨新虎; 王峰; 张慧宇
Original assignee: FUSHUN HANWANG DRI CO LTD
Current assignee: FUSHUN HANWANG DRI CO LTD
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-10-08
Also published as: CN102912212A

Abstract

本发明涉及一种球墨铸铁用高纯生铁及其制备方法，属于金属材料类领域。按质量百分比计，高纯生铁化学成分为：3.90≤C≤4.50，Si≤0.40，Mn≤0.060，S≤0.015，P≤0.030，Ti≤0.030，其他合金元素和微量元素：Al≤0.006，Cr≤0.050，V≤0.040，Cu≤0.010，Sn≤0.010，Mo≤0.010，Te≤0.0015，Bi≤0.0015，Pb≤0.0015，As≤0.010，Sb≤0.001，B≤0.001。本发明高纯生铁中各类有害元素和反球化反应元素含量极低，能够有力地保证铸造生产中稳定理想的炉料配比，同时也保证了得到纯净的、化学成分稳定的原铁液，从而在后续的球化处理和孕育处理过程中使铁液充分完成球化反应，得到拥有更好铸造性能和更佳力学性能的球墨铸铁铁液和铸件。

Description

球墨铸铁用高纯生铁及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种球墨铸铁用高纯生铁及其制备方法，属于金属材料类领域。

背景技术

球墨铸铁是使铁液通过球化和孕育处理后，铁液中的碳以球状石墨形态析出，而非通常的片状石墨形态，从而得到的具有更好机械性能，特别是更高的塑性和更好韧性的铸铁，球墨铸铁可以得到比碳钢还高的强度。球墨铸铁是20世纪五十年代发展起来的一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，正是基于其优异的性能，已成功地用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。球墨铸铁已迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用十分广泛的铸铁材料。所谓“以铁代钢”，主要指球墨铸铁。

要得到具有良好性能的球墨铸铁，除了炉前的球化和孕育处理过程之外，优质的原材料是保证球墨铸铁质量的最关键因素。生产球墨铸铁一般所用到的炉料主要是生铁、回炉铁和废钢，而其中一般以生铁的配比量为最大。而且，一般厂家的回炉铁都是内部循环得来。因此，生产中选择优质的生铁是保证炉料质量和产品质量的重要环节。目前，国家球墨铸铁用生铁标准如下表：

从表内可以看出，国标按照生铁内含S、P、Mn、Ti的不同将生铁按类、级、组、档来划分，国标最优质的球墨铸铁用生铁即所谓的1类、1级、1组、1档生铁中S、P、Mn、Ti的含量分别要求：S≤0.020%，P≤0.050%，Mn≤0.2%，Ti≤0.050%。

近年来，随着国内铸造行业的发展进步，球墨铸铁的熔炼对生铁的要求也越来越严格，尤其是对上述几种反球化元素和有害元素的含量控制的越来越低，这样才能得到更高性能的球墨铸铁铸件，而要得到更纯净、有害元素含量更低的铁液和铸件，球墨铸铁用生铁的质量就成了最关键的控制环节。换言之，在铸造技术和水平不断发展进步的今天，谁能生产出更优质的球墨铸铁用生铁，谁就能更加有力地占领铸造原材料的市场，同时也会极大地促进铸造行业的发展和进步。

发明内容

本发明的目的在于提供一种球墨铸铁用高纯生铁及其制备方法，满足更高性能的球墨铸铁铸件要求，得到更纯净、有害元素含量更低的铁液和铸件。

本发明的技术方案是：

一种球墨铸铁用高纯生铁，按质量百分比计，其化学成分如下：

（1）主要元素：

含碳量（%）	含硅量（%）	含硫量（%）	含磷量（%）	含钛量（%）	含锰量（%）
						3.90≤C≤4.50	Si≤0.40	S≤0.015	P≤0.030	Ti≤0.030	Mn≤0.060

余量为铁和其他不可避免的合金元素和微量元素。

（2）其他不可避免的合金元素和微量元素包括：

合金元素和微量元素	最大(%)
		Al	0.006

Cr	0.050
		V	0.040
Cu	0.010
		Sn	0.010
Mo	0.010
		Te	0.0015
Bi	0.0015
		Pb	0.0015
As	0.010
		Sb	0.001
B	0.001

上述球墨铸铁用高纯生铁的制备方法，采用常规的高炉炼铁法，原料采用烧结矿、球团矿，按质量百分比计，烧结矿占75-85%，球团矿占15-25%，燃料使用冶金焦炭；

①充分利用优质铁矿石资源，严格控制原材料成分；

在冶金生产过程中，高炉炉内对一些元素的还原控制是一个相对的可控值，也就是说，仅在一定的元素负荷范围之内，根据调节炉内的还原气氛来得到一个相对高或者低的元素含量。因此，要得到有害元素含量较低的生铁产品，就必须降低炉内该类元素的负荷，这就要求入炉的烧结矿、球团矿中必须有着比较低的有害元素含量。

本发明中生产烧结矿、球团矿所用的矿粉，P、S、Ti以及其它不可避免合金及微量元素含量极低，为本发明的成功提供了有力的原材料支持。烧结矿、球团矿生产用铁精粉质量要求如下（质量百分比）：TFe≥66%，H₂O≤9%，SiO₂≤8%，P≤0.01%，Ti≤0.020%。

此外，冶金焦炭为增加炉内P、S、Ti等元素负荷的又一主要因素，而且烧结生产用焦粉也是从入炉焦炭的筛分后获得，因此严格控制焦炭的质量，焦炭质量要求如下（质量百分比）：固定碳≥86%，外水（焦炭的外在水分）<8%，灰份<12%，焦粉≤5%，S≤0.30%，P≤0.022%，TiO₂≤0.12%。

②烧结矿、球团矿的生产以优质的原材料为基础，经过合理配比生产出适合入炉的合格精矿，控制烧结矿的各项技术指标，例如品位、二元碱度等，控制球团矿的各项技术指标，例如品位、抗压强度等，将烧结矿球团矿按合理比例比投入高炉冶炼。具体要求如下：

烧结矿：按质量百分比计，TFe≥54%，FeO≤10.0%，S≤0.030%，R₂=1.90±0.05，转鼓指数≥72%，筛分指数≤6.00%，抗磨指数≤7.00％；

球团矿：按质量百分比计，TFe≥63%，抗压强度≥2500N/个；

③炉内冶炼使用优质的冶金焦炭，其质量要求：固定碳≥86％；外水<8％；灰份<12%；焦粉≤5%，S≤0.30%的一级冶金焦炭，同时附加要求含磷量≤0.022%，TiO₂≤0.12%。高炉采用常规的低硅冶炼生铁、全风、全风温操作，控制含硅量在0.4%以下。使用75wt%的无烟煤和25wt%的烟煤混合喷吹，煤比控制在100～120kg/t（高炉产铁每吨铁所消耗的煤粉量）。冶炼完成铁水出炉后，经过铁水罐充分混合运送至铸铁机，在铁水浇注成铁块的过程中，分前、中、后期取样化验，成分符合要求判定为合格产品。

本发明的设计思想如下：

为了满足铸造行业需求，同时促进行业发展和进步，利用科学合理的控制手段，生产出品质远高于国家最高标准的球墨铸铁用生铁产品。

本发明的优点及有益效果如下：

通过上述提到的本发明与国标中最优标准的生铁各元素含量的对比可以看出：

含硫量：国标1类S≤0.020%；本发明S≤0.015%，含硫量优于国标0.005%；

含磷量：国标1级P≤0.050%；本发明P≤0.030%，含磷量优于国标0.020%；

含锰量：国标1组Mn≤0.2%；本发明Mn≤0.06%，含锰量优于国标0.14%；

含钛量：国标1档Ti≤0.050%；本发明Ti≤0.030%，含钛量优于国标0.020%。

具体各元素对球墨铸铁的影响及本发明的优点论述如下：

①碳

国家标准中要求碳≥3.40%即可，而随着铸造技术的发展和铸造生产商越来越高的要求，对生铁中的含碳量要求也越来越严格。铸造生产中为了控制合适的含碳量，通常在生铁含碳量有较大波动时通过增加废钢的配比来降碳，通过增大生铁的配比或添加增碳剂的办法来增碳，而在配比外额外增加的废钢、生铁或增碳剂都会对铁液的性能造成不利的影响，同时亦增加的生产的成本，因而保证生铁含碳量的合理和稳定对于铸造生产商来说是一种急切的需求。本发明中，生铁含碳量在3.90%～4.50%之间，这是通过多家国内知名球墨铸铁生产商反馈后总结的客户需求范围，在此范围内，不仅可以保证熔炼后铁液的成分和性能稳定，同时也为客户节省了生产成本。

②硅

国家标准中含硅量的下限是0.50%，而近年来国内很多优秀的铸造生产商在提出生铁产品要求时往往需要比较低的含硅量，这是因为在现在球墨铸铁生产过程中，随着人们对炉前孕育处理的认识的不断深入，铸造技术水平不断提高，炉前的孕育处理不断得到强化，孕育量也随之增大，若想得到相同含硅量的铁液，在增大孕育量的同时就要求原铁液中含硅量要相应的降低，因此对生铁原材料的含硅量的要求也逐步从老标准慢慢过渡到现在的低硅生铁。

③硫

硫是反石墨球化元素，属于有害杂质，它不仅消耗球化剂阻碍石墨的球化反应，而且也是造成铸件渣孔、热脆以及影响基体强度的主要元素，因而在球墨铸铁铸造的炉料配比中，往往要求含硫量越低越好。本发明通过工艺上的控制，是生铁的含硫量保证在0.015%以下，为铸造生产提供了有利的原料基础。

④磷

磷在球墨铸铁的生产中不影响球化反应，但却是有害元素，它可以在铁液中形成磷共晶，磷共晶硬而脆，而且在凝固过程中很容易偏析，尤其在铸件壁厚处或热节处，偏析更加严重，磷共晶熔点低，因而在凝固过程中一直保持液态，最终在铸件中急剧恶化球墨铸铁的力学性能。而且含磷量高的铁液，还会在铸件中出现缩松，具有明显的冷脆现行，容易冷裂。热力学表明，在冶金和铸造熔炼过程中，磷是不可脱去的，因此生产球墨铸铁就必须采用低磷生铁，本发明生铁产品通过控制冶金过程中铁精粉、焦炭等原燃料含磷量等工艺手段，使生铁含磷量保证在0.030%以下，充分限制了磷在后续的铸造生产中的有害影响。

⑤锰

一般情况认为锰是促进珠光体形成的元素，所以适当的增加锰的含量会提高铸件的力学性能。但是经过多年的铸造生产经验总结，在生产小型球墨铸铁铸件和厚大断面的球墨铸铁件过程中，并不希望铁液中含有较高的锰，这是因为：对于小件来说，锰在促进珠光体形成的同时也就促进了碳化物的形成，从而增加了铸件的白口倾向。因此，在生产薄壁球墨铸铁件时，要把铁液中的锰含量控制的较低，才能保证得到没有游离渗碳体的基体组织，进而保证铸件的加工性能和力学性能。对于厚大断面的铸件来说，锰是偏析倾向特别明显的元素，如果在共晶团的边界上偏析了大量的含锰化合物，这对铸件的力学性能是极为有害的，同时在生产奥氏体等温淬火球墨铸铁（ADI）时，如果含锰量过高，冲击韧度会急剧恶化，例如：根据铸造生产经验，当锰的质量百分比由0.3%增加至0.6%时，冲击韧度下降50%。终上所述，现在的球墨铸造生产商在采购生铁时，往往要求较低的含锰量，从而通过合适的炉料配比来达到控制铁液中锰总量的目的。本发明产品根据现今市场上铸造生产商的需求，结合企业自身优势，开发了含锰量在0.060%以下的生铁产品，满足了广大客户的需求。

⑥钛

在球墨铸铁中，即使有少量的钛，也会导致形成变态石墨，从而导致力学性能的明显下降，而且钛还有间接干扰球化的作用，钛本身具有很强的还原能力，由此钛在铁液中可把锑、铋、铅等微量元素还原出来，从而破坏石墨的球化。因此，在GB/T1412-2005《球墨铸铁用生铁》标准中，增加了对生铁含钛量的要求。本发明生铁产品含钛量≤0.030%，保证了铸造生铁炉料中引入较低的钛元素从而从炉料方面对提高铸件质量起到了良好的保障作用。

⑦合金元素和微量元素

国内外经验表明，在生产球墨铸铁的过程中，在某些需要添加合金元素的时候，也希望原铁液中各类合金元素含量相对较低，这对炉前添加合金料的配比计算和合金化的作用都有较好的作用；而像Sb、Sn、Bi、Te、Pb、As等微量元素对球化反应过程都会根据不同的机理产生干扰作用，在用镁处理球墨铸铁的最初专利中，国际镍公司的发明者Millis,Gagnebin和Pilling三人曾发出警告说，在采用镁处理时，如果在铁液中含有某种杂质元素，哪怕仅仅是微量的存在，也会起破坏作用。本发明产品中合金元素及微量元素含量极低，从微量元素方面更稳妥地保证了球墨铸铁的熔炼过程，更有效地控制了绝大部分可能对球墨铸铁质量产生不良影响的不利因素。

附图说明

图1（a）为采用本发明高纯生铁生产的一个球墨铸铁金相组织图。

图1（b）为采用本发明高纯生铁生产的另一球墨铸铁金相组织图。

具体实施方式

本发明球墨铸铁用高纯生铁，采用常规的高炉炼铁法，原料采用烧结矿、球团矿，按质量百分比计，烧结矿占75-85%，球团矿占15-25%，燃料使用冶金焦炭。

在高炉冶炼过程中采用低硅冶炼、全风、全风温操作方针，控制含硅量在0.4%以下。其中，低硅冶炼采用常规技术，如：中国冶金,第19卷,第3期,第28-31页，周永平,浅析低硅冶炼。

按质量百分比计，烧结矿、球团矿生产用铁精粉成分如下：TFe≥66%；H₂O≤9%；SiO₂≤8%；P≤0.01%；Ti≤0.020%。

烧结矿和球团矿的具体要求如下：

球团矿：按质量百分比计，TFe≥63%，抗压强度≥2500N/个；

高炉内冶炼使用的冶金焦炭：按质量百分比计，固定碳≥86%，外水<8%，灰份＜12%，焦粉≤5%，S≤0.30%，P≤0.022%，TiO₂≤0.12%。

高炉内冶炼时，使用75wt%的无烟煤和25wt%的烟煤混合喷吹，煤比控制在100～120kg/t（公斤/吨）；冶炼完成铁水出炉后，经过铁水罐充分混合运送至铸铁机，在铁水浇注成铁块的过程中，分前、中、后期取样化验，成分符合要求判定为合格产品。

下面通过实施例和附图进一步详述本发明。

实施例1

本实施例中，球墨铸铁用高纯生铁采用常规的高炉炼铁法，原料采用烧结矿、球团矿，按质量百分比计，烧结矿占82.5%，球团矿占17.5%，燃料使用冶金焦炭。

按质量百分比计，烧结矿、球团矿生产用铁精粉成分如下：全铁（TFe）66.23%，H₂O 8.69%，SiO₂ 6.18％，P 0.008%，Ti 0.016%，其余为不可避免的杂质元素。

烧结矿和球团矿的具体要求如下：

烧结矿：按质量百分比计，TFe 54.77%，FeO 8.13%，S 0.025%，其余为不可避免的杂质元素。R₂=1.90±0.05，转鼓指数75%，筛分指数3.00%，抗磨指数5.00%。

球团矿：按质量百分比计，TFe 64.34%，其余为不可避免的杂质元素；抗压强度2800N/个。

高炉内冶炼使用的冶金焦炭：按质量百分比计，外水7.65%，灰份10.03%，焦粉3%，S 0.25%，P 0.015%，TiO₂ 0.05%，其余为固定碳。

本实施例中，按质量百分比计，球墨铸铁用高纯生铁的化学成分为：C4.36，Si0.33，Mn0.049，S0.014，P0.026，Ti0.017，余量为铁和其他不可避免的合金元素和微量元素。

其他不可避免的合金元素和微量元素包括：Al0.005，Cr0.0062，V0.0056，Cu0.005，Sn0.0005，Mo0.005，Te0.00005，Bi0.00005，Pb0.0001，As0.0005，Sb0.0005，B0.0005。

实施例2

本实施例中，球墨铸铁用高纯生铁采用常规的高炉炼铁法，原料采用烧结矿、球团矿，按质量百分比计，烧结矿占84%，球团矿占16%，燃料使用冶金焦炭。

按质量百分比计，烧结矿、球团矿生产用铁精粉成分如下：TFe 66.15%，H₂O8.40%，SiO₂ 7.64%，P 0.008%，Ti 0.018％，其余为不可避免的杂质元素。

烧结矿和球团矿的具体要求如下：

烧结矿：按质量百分比计，TFe 54.82%，FeO 8.76%，S 0.027%，其余为不可避免的杂质元素。R₂=1.90±0.05，转鼓指数80%，筛分指数5.00%，抗磨指数6.00%。

球团矿：按质量百分比计，TFe 64.62%，其余为不可避免的杂质元素；抗压强度2600N/个。

高炉内冶炼使用的冶金焦炭：按质量百分比计，外水7.8%，灰份11.6%，焦粉4%，S 0.28%，P 0.017%，TiO₂ 0.082%，其余为固定碳。

本实施例中，按质量百分比计，球墨铸铁用高纯生铁的化学成分为：C 4.38，Si0.32，Mn0.050，S0.012，P0.028，Ti0.015，余量为铁和其他不可避免的合金元素和微量元素。

其他不可避免的合金元素和微量元素包括：Al0.005，Cr0.0058，V0.0046，Cu0.005，Sn0.0005，Mo0.005，Te0.00005，Bi0.00005，Pb0.0001，As0.0005，Sb0.0005，B0.0005。

实施例3

本实施例中，球墨铸铁用高纯生铁采用常规的高炉炼铁法，原料采用烧结矿、球团矿，按质量百分比计，烧结矿占81%，球团矿占19%，燃料使用冶金焦炭。

按质量百分比计，烧结矿、球团矿生产用铁精粉成分如下：TFe 66.36%，H₂O7.85%，SiO₂ 7.00%，P 0.007%；Ti 0.016%，其余为不可避免的杂质元素。

烧结矿和球团矿的具体要求如下：

烧结矿：按质量百分比计，TFe 54.68%，FeO 7.88%，S 0.023%，其余为不可避免的杂质元素。R₂=1.90±0.05，转鼓指数82%，筛分指数4.00%，抗磨指数6.00%。

球团矿：按质量百分比计，TFe 64.55%，其余为不可避免的杂质元素；抗压强度3000N/个。

高炉内冶炼使用的冶金焦炭：按质量百分比计，外水7.5%，灰份11.5%，焦粉3%，S 0.20%，P 0.013%，TiO₂0.08%，其余为固定碳。

本实施例中，按质量百分比计，球墨铸铁用高纯生铁的化学成分为：C 4.40，Si0.37，Mn0.048，S0.008，P0.027，Ti0.016，余量为铁和其他不可避免的合金元素和微量元素。

其他不可避免的合金元素和微量元素包括：Al0.005，Cr0.0053，V0.0055，Cu0.005，Sn0.0005，Mo0.005，Te0.00005，Bi0.00005，Pb0.0001，As0.0005，Sb0.0005，B0.0005。

如图1（a）-图1（b）所示，在其他生产条件不变的情况下，采用本发明高纯生铁生产的球墨铸铁晶粒细化，组织均匀分布。本发明高纯生铁中各类有害元素和反球化反应元素含量极低，能够有力地保证铸造生产中稳定理想的炉料配比，同时也保证了得到纯净的，化学成分稳定的原铁液，从而在后续的球化处理和孕育处理过程中使铁液充分完成球化反应，得到拥有更好铸造性能和更佳力学性能的球墨铸铁铁液和铸件。

采用本发明生产的球墨铸铁铸件，其技术指标如下：

实施例结果表明，本发明可满足更高性能的球墨铸铁铸件要求，得到更纯净、有害元素含量更低的铁液和铸件，球墨铸铁铸件具有更好机械性能，特别是更高的塑性和更好韧性的铸铁。

Claims

1.一种球墨铸铁用高纯生铁，其特征在于，按质量百分比计，其化学成分包括：3.90≤C≤4.50，Si≤0.37，Mn≤0.048，S≤0.015，P≤0.030，Ti≤0.030，余量为铁和其他不可避免的合金元素和微量元素；

其他不可避免的合金元素和微量元素包括：Al、Cr、V、Cu、Sn、Mo、Te、Bi、Pb、As、Sb或B；

Al≤0.006，Cr≤0.050，V≤0.040，Cu≤0.010，Sn≤0.010，Mo≤0.010，Te≤0.0015，Bi≤0.0015，Pb≤0.0015，As≤0.010，Sb≤0.001，B≤0.001；

所述的球墨铸铁用高纯生铁的制备方法，采用常规的高炉炼铁法，原料采用烧结矿、球团矿，按质量百分比计，烧结矿占75-85%，球团矿占15-25%，燃料使用冶金焦炭；其中，

烧结矿、球团矿和冶金焦炭的具体要求如下：

烧结矿：按质量百分比计，TFe≥54%， FeO≤10.0%，S≤0.030%，R₂=1.90±0.05，转鼓指数≥72%，筛分指数≤6.00%，抗磨指数≤7.00%；

球团矿：按质量百分比计，TFe≥63%，抗压强度≥2500N/个；

冶金焦炭：按质量百分比计，固定碳≥86%，外水<8%，灰份<12%，焦粉≤5% ，S≤0.30%，P≤0.022%，TiO₂≤0.12%；

在高炉冶炼过程中，采用低硅冶炼、全风、全风温操作方针，控制含硅量在0.37%以下；

按质量百分比计，烧结矿、球团矿生产用铁精粉成分如下：TFe≥66%，H₂O≤9%，SiO₂≤8%，P≤0.01%，Ti≤0.020%；

高炉内冶炼时，使用75wt%的无烟煤和25wt%的烟煤混合喷吹，煤比控制在100～120kg/t；

冶炼完成铁水出炉后，经过铁水罐充分混合运送至铸铁机，在铁水浇注的过程中，分前、中、后期取样化验，成分符合要求判定为合格产品。