CN113999948B - 一种消除氢基熔融还原铸造用高纯生铁白口组织的方法及生铁 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除氢基熔融还原铸造用高纯生铁白口组织的方法，包括氢基熔融还原非高炉炼铁工艺生产的铸造用高纯生铁的特点，生铁铁液一次孕育、脱硫、二次孕育，进行炉外精炼脱气(O、N、H)处理。所述氢基熔融还原工艺生产的铸造用高纯生铁硅低、磷低、钛低，一次孕育处理包括向铁液中加入硅钡钙孕育剂和助剂，二次孕育向铁液中加入锶硅孕育剂强化铁液中促进石墨化元素，使生铁铁液石墨化能力增强，碳原子析出，杜绝凝固结晶过程中形成碳与铁的化合物，而产生的白口组织。通过上述技术方案，解决了现有氢基熔融还原工艺生产的铸造用高纯生铁白口组织的问题。

Description

一种消除氢基熔融还原铸造用高纯生铁白口组织的方法及生铁

技术领域

本公开的实施例一般涉及黑色金属冶炼技术领域，尤其涉及一种消除氢基熔融还原铸造用高纯生铁白口组织的方法及生铁。

背景技术

铸造业是制造业的基础产业，而铸造用高纯生铁是高端铸铁件的关键基础材料。传统铸造用高纯生铁采用高炉长流程炼铁工艺生产，包括(1)精选原料：充分利用优质矿源，精选低P、低Ti、低微量元素的铁精矿粉；(2)铁精矿粉润磨工艺：提高铁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；(3)优化烧结预配：对铁精矿粉和石灰采用自动化预配工艺，实行两配两混，保证铁精矿粉的品位、碱度、TiO2、P2O5及石灰的均匀与稳定；(4)高炉采用低硅低温冶炼，达到铸造用高纯生铁化学成分要求。

高炉长流程炼铁经过环境深度治理也难以降低CO2排放量。由于优质铁矿及优质炼焦煤资源日益短缺，限制了传统炼铁工艺生产铸造用高纯生铁的进一步发展。氢基熔融还原短流程炼铁工艺不以优质铁矿和优质焦炭为主要原燃料，不仅摆脱了传统高炉炼铁的限制，而且符合冶金工业绿色发展的大方向。传统高炉炼铁采用的是碳冶金，所谓碳冶金是固体碳(焦炭等)在不完全燃烧条件下转化成CO，进行还原反应。而氢冶金，即在还原冶炼过程中主要用气体氢作还原剂。氢基熔融还原技术，采用熔融还原结合氢冶金的新工艺，不同于国际和国内的常规氢冶金工艺，是采用气固混合铁浴熔融还原技术，氢基熔融冶金技术就是利用氢作为还原剂代替碳还原剂，从而实现减少CO2排放的目的，实现低碳冶金，保证炼铁工业的可持续发展。

因在氢基熔融还原工艺炼铁中要控制低磷，熔融还原主体炉内温度控制较低低(约1400℃-1450℃)，而硅在冶炼过程中还原温度高(＞1600℃)，因此，氢基熔融还原炼铁工艺产出的铁液中硅含量低(＜0.01％)。众所周知，硅在铸铁中是促进石墨化元素，如果生铁中含硅量低、铁水温度低，凝固过程中很容易产生大量的碳化物，生铁锭断面形成白口组织。由碳化物组成的白口组织在下游铸造企业生产铸件时具有遗传性，严重影响高端铸铁件力学性能、冲击韧性和疲劳强度。氢基熔融还原工艺冶炼铸造高纯生铁降低了碳排放，利于环境治理，解决了传统高炉冶炼高纯生铁受原燃料的限制。但，目前亟待开发一种消除氢基熔融还原铸造用高纯生铁白口组织的方法，为装备制造业稳定提供高端基础原材料，也为冶炼铸造用高纯生铁开辟一条新技术、新工艺和新思路。

发明内容

为了解决上述技术问题，达到相应的技术效果，本发明提出一种消除氢基熔融还原铸造用高纯生铁白口组织的方法，解决了现有技术中氢基熔融还原工艺冶炼铸造用高纯生铁白口组织的问题。

本发明采用的基本构思如下：

一种消除氢基熔融还原铸造用高纯生铁白口组织的方法，将氢基熔融还原工艺生产的铸造用高纯生铁铁液进行电磁感应加热，提升铁液温度＞1450℃，再进行第一次硅钡钙随流孕育，并同时加入助剂；铁液脱硫后，进行扒渣处理，铸铁时在铸铁机铁水沟进行第二次锶硅随流孕育处理，使生铁铁液中不仅有大量促进石墨化的元素，而且对生铁铁液进行脱氢、脱氧、脱氮处理，使生铁凝固过程碳充分析出，杜绝形成Fe3C，进而消除铸造用高纯生铁的白口组织。

进一步地，提升铁液温度是通过在线电磁感应加热，在铁水沟增加中频感应加热系统，在铁液通过铁水沟时进行加热，可根据铁液的不同温度调整加热功率，保证铁液温度＞1450℃。

进一步地，所述第一次硅钡钙随流孕育，随流孕育剂包括硅钡钙孕育剂，包含硅：60％-70％，钡：4.0％-6.0％，钙：2.0％-5.0％，硅钡钙孕育剂的粒度3～10mm。

进一步地，第一次硅钡钙随流孕育剂加入重量为铁液的0.5％-1.2％。

进一步地，所述的助剂包括质量比为0.5：1的锆硅铁、氟化钙。

进一步地，助剂与硅钡钙随流孕育剂的质量比为(1-2.5)：50。

进一步地，所述助剂锆硅铁、氟化钙，其粒度为：3mm-10mm。

进一步地，脱硫采用钝化镁、石灰复合脱硫，钝化镁粒度为0.5-1.6mm，加入量为0.5％-1.0％；石灰粒度0.5-1.5mm，加入量为0.3％-0.6％，控制铁液中S＜0.020％。

进一步地，第二次锶硅随流孕育处理，锶硅随流孕育包括锶硅孕育剂，其中包含：锶：0.6％-1.2％，硅：72％-78％，锶硅孕育剂的粒度0.3mm～0.7mm，加入重量为铁液的0.10％-0.30％。

更进一步地，提供一种上述方法获得的生铁，生铁基体组织中碳化物≤5％，余量为珠光体+铁素体＞95％。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明在氢基熔融还原工艺生产的生铁铁液后，设计了在线电磁感应加热，该方法对铁液进行在线加热，控制铁液温度＞1450℃；在铁液温度＞1450℃后采用硅钡钙及助剂第一次孕育，在铸铁时采用锶硅孕育剂进行二次孕育，强化孕育处理及脱气处理。增加铁液中石墨核心，促进形核，促进碳的析出，抑制凝固过程中形成Fe3C。同时对铁液中氧、氮、氢进行脱除处理，降低铁液中气体含量，显著提高铁液的流动性和铸造性能，解决了氢基熔融还原工艺生产的铸造用高纯生铁基体组织中存在大量Fe3C，导致高纯生铁碎块、渣铁、气孔等缺陷，使生铁锭形状规整、表面洁净，消除了氢基熔融还原铸造用高纯生铁白口组织。

2、本发明炉外第一次孕育处理包括在生铁铁液中加入硅钡钙孕育剂和助剂，通过硅钡钙孕育剂和助剂的协同搭配设计，促进了硅钡钙孕育剂的熔化分散吸收以及硅、钡、钙在铁液中的均匀稳定，其中助剂采用锆硅铁、氟化钙协同，并优化设计了硅钡钙孕育剂与助剂二者的质量比为(1-2.5)：50，助剂中锆硅铁与氟化钙的质量比为0.5:1。锆硅铁中锆是强有力的脱氧和脱氮元素，与硫结合形成硫化物，在铁液冷却时促进石墨的生成，并作为新生结晶的非均匀形核质点，弥散细化了夹杂物和生铁的晶粒，氟化钙的加入，与锆硅铁协同促进了石墨化元素在铁液中的均匀分布，并且协同抑制了Fe3C形成，有效控制了凝固成型过程中碳的析出，形成石墨，从而消除了铸造用高纯生铁白口组织。

3、本发明铸铁时第二次孕育处理包括在铸铁时在铁水沟加入锶硅孕育剂，通过锶硅随流瞬时孕育，锶硅孕育剂消除白口的能力很强，特别有利于改善铸铁中石墨的形态和分布状况，使不同厚度处组织的差别更小。通过向铁水沟加入粒度为0.3mm～0.7mm的锶硅孕育剂，易溶解吸收，并且行渣少，锶硅孕育剂允许有较低的铁液温度，在生铁铁液温度较低加入锶硅孕育剂，改变铸铁共晶结晶的凝固条件，达到消除白口、促进石墨化、细化晶粒、提高组织均匀性。并且硅锶孕育剂有延缓碳和硅扩散、加强硅孕育的作用，具有很强的抗孕育衰退和消除生铁白口组织。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1一种消除氢基熔融还原铸造用高纯生铁白口组织的方法工艺流程；

图2为未实施本发明铸造高纯生铁锭外观质量及金相基体组织图；

其中：a未经此方法生铁断口为白口；b金相(碳化物)。

图3为本发明实施案例中铸造高纯生铁锭外观质量及金相基体组织图；

其中：a经过此方法两次孕育后生铁断口为灰口；b金相(珠光体)。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。

一种消除氢基熔融还原铸造用高纯生铁白口组织的方法，氢基熔融还原工艺冶炼的高纯生铁的特点是生铁铁液磷低、硅低、钛低。但在铸铁中硅是有益元素，可以加强铁液凝固过程中石墨化能力，降低形成Fe3C，因此，必须选用含硅的合金进行孕育处理。氢基熔融还原工艺采用含氢、富氢、纯氢等氢基还原气体，实现氢冶金和熔融还原相结合的生产模式，因此，生铁铁液中存在大量的氢元素；热风炉送来的热风通过热风喷枪吹入熔融还原炉的上部空间，热风炉送来的热风为富氧热风，含氧量为40％～60％，热风温度控制在1000～1200℃，因此生铁中存在大量的氧元素；生铁铁液脱硫采用氮气输送钝化镁及石灰，进行脱硫，因此，生铁铁液中存在大量的氮元素。综上所述，生铁铁液中不仅硅低、铁液温度低，而且存在大量的氢、氧、氮三种元素。为消除铸造用高纯生铁白口组织，生铁铁液进行电磁感应加热，提升铁液温度＞1450℃，再进行第一次硅钡钙随流孕育，并同时加入助剂。铁液脱硫后，进行扒渣处理，铸铁时在铸铁机铁水沟进行第二次锶硅随流孕育处理，使生铁铁液中不仅有大量促进石墨化的元素，而且对生铁铁液进行脱氢、脱氧、脱氮处理，使生铁凝固过程碳充分析出，杜绝形成Fe3C，进而消除铸造用高纯生铁的白口组织。

进一步地，所述在线电磁感应加热，在铁水沟增加中频感应加热系统，在铁液通过铁水沟时进行加热，可根据铁液的不同温度调整加热功率，保证铁液温度＞1450℃。

进一步地，所述第一次随流孕育，随流孕育剂包括硅钡钙孕育剂，含硅(60％-70％)，含钡(4.0％-6.0％)，含钙(2.0％-5.0％)，硅钡钙孕育剂的粒度3～10mm。

进一步地，所述的助剂包括质量比为0.5：1的锆硅铁、氟化钙；

助剂与硅钡钙随流孕育剂的质量比为(1-2.5)：50。

进一步地，所述助剂锆硅铁、氟化钙，其粒度为：3mm-10mm。

进一步地，所述采用钝化镁、石灰复合脱硫后，进行扒渣。

进一步地，所述第二次随流孕育，随流孕育剂包括锶硅孕育剂，含锶(0.6％-1.2％)，含硅(72％-78％)，锶硅孕育剂的粒度0.3mm～0.7mm。

实施例1

氢基熔融还原冶炼铸造用高纯生铁，当铁液液面高度达到1850mm准备出铁；

然后对生铁铁液测温，温度在1405℃，并进行化学分析，其主要元素见表1：

表1

元素	C	Si	Mn	P	S	Ti
							含量％	4.15	0.001	0.015	0.009	0.062	0.001

硅钡钙孕育剂化学成分及粒度：

表2

元素	Si	Ba	Ca	粒度
					含量％	67	5.2	2.5	3-10mm

助剂锆硅铁化学成分及粒度：

表3

元素	Zr	Si	Fe	粒度
					含量％	36	49	余量	3-10mm

锶硅孕育剂化学成分及粒度：

表4

元素	Sr	Si	Fe	粒度
					含量％	0.85	75	余量	0.3-0.7mm

根据表2中硅钡钙的化学成分，含Si 67％，吸收率90％，铁液称重67.56吨，预计一次孕育后铁液中含硅量为0.45％，计算硅钡钙孕育剂及助剂加入量：

67％×90％＝60.3％

(0.45％-0.001％)/60.3％≈0.0074461

0.0074461×67560kg≈503kg

在第一次随流孕育装备系统中设定硅钡钙孕育剂加入量503kg，助剂与硅钡钙随流孕育剂的质量比按2:50，助剂加入量为20.12kg，助剂中锆硅铁与氟化钙的质量比为0.5:1；启动一次随流孕育装备系统，硅钡钙孕育剂和助剂混合，同时加入铁液中(即随铁液沟流入铁液包)；等第一次随流孕育剂加入铁液时，开启铁液在线加热系统，设定铁水温度控制在1450±10℃；等铁液出炉完毕，将脱硫喷枪插入铁液进行铁液脱硫处理，启动喷枪，喷枪搅拌气为氮气，氮气压力控制在0.4MPa，设定脱硫时间8min，脱硫处理完毕后及时将铁液包运送至扒渣台进行扒渣，扒渣后静置6min运送至铸铁机；开始铸铁时启动第二次随流孕育，设定锶硅随流孕育剂加入量为0.2％，锶硅孕育剂随铁液流入铸铁模，开始铸生铁锭；

经过两次随流孕育处理后，生铁锭化学成分见表5：

表5

元素	C	Si	Mn	P	S	Ti
							含量％	4.12	0.59	0.018	0.009	0.012	0.001

最终得到的生铁锭的外观质量如图3。

实施例2

氢基熔融还原冶炼铸造用高纯生铁，当铁液液面高度达到1850mm准备出铁；

然后对生铁铁液测温，温度在1398℃，并进行化学分析，其主要元素见表6：

表6

元素	C	Si	Mn	P	S	Ti
							含量％	4.21	0.001	0.019	0.011	0.069	0.001

硅钡钙孕育剂化学成分及粒度：

表7

元素	Si	Ba	Ca	粒度
					含量％	62	4.2	3.1	3-10mm

助剂锆硅铁化学成分及粒度：

表8

元素	Zr	Si	Fe	粒度
					含量％	35.5	46	余量	3-10mm

锶硅孕育剂化学成分及粒度：

表9

元素	Sr	Si	Fe	粒度
					含量％	0.72	76.2	余量	0.3-0.7mm

根据表7中硅钡钙的化学成分，含Si 62％，吸收率90％，铁液称重62.1吨，预计一次孕育后铁液中含硅量为0.45％，计算硅钡钙孕育剂及助剂加入量：

62％×90％＝55.8％

(0.45％-0.001％)/55.8％≈0.0080466

0.0080466×67560kg≈500kg

在第一次随流孕育装备系统中设定硅钡钙孕育剂加入量500kg，助剂与硅钡钙随流孕育剂的质量比按2:50，助剂加入量为20kg，助剂中锆硅铁与氟化钙的质量比为0.5:1；启动一次随流孕育装备系统，硅钡钙孕育剂和助剂混合，同时加入铁液中(即随铁液沟流入铁液包)；等第一次随流孕育剂加入铁液时，开启铁液在线加热系统，设定铁水温度控制在1450±10℃；等铁液出炉完毕，将脱硫喷枪插入铁液进行铁液脱硫处理，启动喷枪，喷枪搅拌气为氮气，氮气压力控制在0.4MPa，设定脱硫时间8min，脱硫处理完毕后及时将铁液包运送至扒渣台进行扒渣，扒渣后静置6min运送至铸铁机；开始铸铁时启动第二次随流孕育，设定锶硅随流孕育剂加入量为0.3％，锶硅孕育剂随铁液流入铸铁模，开始铸生铁锭；

经过两次随流孕育处理后，生铁锭化学成分见表10：

表10

元素	C	Si	Mn	P	S	Ti
							含量％	4.19	0.65	0.017	0.010	0.011	0.001

最终得到的生铁锭的外观质量如图3。

实施例3

氢基熔融还原冶炼铸造用高纯生铁，当铁液液面高度达到1850mm准备出铁；

然后对生铁铁液测温，温度在1421℃，并进行化学分析，其主要元素见表11：

表11

元素	C	Si	Mn	P	S	Ti
							含量％	3.92	0.001	0.021	0.015	0.058	0.001

硅钡钙孕育剂化学成分及粒度：

表12

元素	Si	Ba	Ca	粒度
					含量％	65	4.9	3.1	3-10mm

助剂锆硅铁化学成分及粒度：

表13

元素	Zr	Si	Fe	粒度
					含量％	37	47	余量	3-10mm

锶硅孕育剂化学成分及粒度：

表14

元素	Sr	Si	Fe	粒度
					含量％	1.05	77	余量	0.3-0.7mm

根据表12中硅钡钙的化学成分，含Si 65％，吸收率90％，铁液称重58.92吨，预计一次孕育后铁液中含硅量为0.45％，计算硅钡钙孕育剂及助剂加入量：

65％×90％＝58.5％

(0.45％-0.001％)/58.5％≈0.0076752

0.0076752×58920kg≈452kg

在第一次随流孕育装备系统中设定硅钡钙孕育剂加入量452kg，助剂与硅钡钙随流孕育剂的质量比按2:50，助剂加入量为18.08kg，助剂中锆硅铁与氟化钙的质量比为0.5:1；启动一次随流孕育装备系统，硅钡钙孕育剂和助剂混合，同时加入铁液中(即随铁液沟流入铁液包)；等第一次随流孕育剂加入铁液时，开启铁液在线加热系统，设定铁水温度控制在1450±10℃；等铁液出炉完毕，将脱硫喷枪插入铁液进行铁液脱硫处理，启动喷枪，喷枪搅拌气为氮气，氮气压力控制在0.4MPa，设定脱硫时间8min，脱硫处理完毕后及时将铁液包运送至扒渣台进行扒渣，扒渣后静置6min运送至铸铁机；开始铸铁时启动第二次随流孕育，设定锶硅随流孕育剂加入量为0.1％，锶硅孕育剂随铁液流入铸铁模，开始铸生铁锭；

经过两次随流孕育处理后，生铁锭化学成分见表15：

表15

元素	C	Si	Mn	P	S	Ti
							含量％	3.91	0.52	0.019	0.014	0.009	0.001

最终得到的生铁锭的外观质量如图3。

由上述实施例1-3可知，本发明实施案例中通过第一次硅钡随流孕育及助剂的加入，在线电磁感应加热，提高铁液温度＞1450℃；在铸铁时采用锶硅孕育剂进行二次孕育，强化孕育处理及脱气处理。增加铁液中石墨核心，促进形核，促进碳的析出，抑制凝固过程中形成Fe3C。同时对铁液中氧、氮、氢进行脱除处理，降低铁液中气体含量，显著提高铁液的流动性和铸造性能，解决了氢基熔融还原工艺生产的铸造用高纯生铁基体组织中存在大量Fe3C，导致高纯生铁碎块、渣铁、气孔等缺陷，使生铁锭形状规整、表面洁净，消除了氢基熔融还原铸造用高纯生铁白口组织。

本发明中助剂使用锆硅铁和氟化钙，促进了硅铁在铁液中的均匀熔化及分散；分析原因为锆硅铁作为新生结晶的非均匀形核质点，不仅提高了铁液石墨化能力，而且，弥散细化了夹杂物和生铁的晶粒，氟化钙的加入，与锆硅铁协同促进了硅铁在铁液中的均匀熔化及分散，并且协同抑制了质点的长大，使质点分布均匀弥散，有效的抑制了铸造生铁产品碳化物的形成，并解决了生铁细化能力差的问题，从而改善了生铁白口现象，减少了碎块、渣铁、气孔等缺陷。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种消除氢基熔融还原铸造用高纯生铁白口组织的方法，其特征在于，将氢基熔融还原工艺生产的铸造用高纯生铁铁液进行电磁感应加热，提升铁液温度＞1450℃，再进行第一次硅钡钙随流孕育，并同时加入助剂；铁液脱硫后，进行扒渣处理，铸铁时在铸铁机铁水沟进行第二次锶硅随流孕育处理，使生铁铁液中不仅有大量促进石墨化的元素，而且对生铁铁液进行脱氢、脱氧、脱氮处理，使生铁凝固过程碳充分析出，杜绝形成Fe3C，进而消除铸造用高纯生铁的白口组织；

高纯生铁铁液的组分为：C:4.15%， Si：0.001%，Mn：0.015%，P：0.009%，S:0.062%，Ti：0.001%，余量为Fe和不可避免的杂质；

提升铁液温度是通过在线电磁感应加热，在铁水沟增加中频感应加热系统，在铁液通过铁水沟时进行加热，可根据铁液的不同温度调整加热功率，保证铁液温度＞1450℃；

所述的助剂包括质量比为0.5 ：1的锆硅铁、氟化钙；

助剂与硅钡钙随流孕育剂的质量比为（1-2.5）：50；

所述助剂锆硅铁、氟化钙，其粒度为：3mm-10mm。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一次硅钡钙随流孕育，随流孕育剂包括硅钡钙孕育剂，包含硅：60％-70％，钡：4.0%-6.0％，钙：2.0％-5.0％，硅钡钙孕育剂的粒度3～10mm。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，第一次硅钡钙随流孕育剂加入重量为铁液的0.5％-1.2％。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，脱硫采用钝化镁、石灰复合脱硫，钝化镁粒度为0.5-1.6mm，加入量为0.5％-1.0％；石灰粒度0.5-1.5mm，加入量为0.3％-0.6％，控制铁液中S＜0.020％。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，第二次锶硅随流孕育处理，锶硅随流孕育包括锶硅孕育剂，其中包含：锶：0.6％-1.2％，硅：72%-78％，锶硅孕育剂的粒度0.3mm～0.7mm，加入重量为铁液的0.10％-0.30％。

Images