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我国高纯生铁的研制、生产与应用

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我国高纯生铁的研制、生产与应用

刘武成1,白佳鑫1,马敬仲2,曾艺成2

（1、河北龙凤山铸业有限公司 2、原北京第一机床厂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
2000～2002我国上海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
技术要求
抗拉强度（MPa）
≥500
伸长率（%）
≥13
低温冲击值（J）
10J（-20℃）
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-20℃冲击值由10J降至4J，第二次又将伸长率由13%降至11%，见表2
表2 修改后的磁悬浮连接体技术要求
性能
技术要求
抗拉强度（MPa）
500
伸长率（%）
11
低温冲击值（J）
4J（-20℃）
经多次攻关，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、汽车等行业的大发展，对低温铁素体球墨铸铁、等温淬火球墨铸铁ADl、大断面球铁及高性能球铁需求量日益增大。普通球铁生铁中Si、Mn、P、Ti及其微量元素含量无法满足高端铸件的要求。高纯生铁的供应已成为高端球铁件发展及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。常州华德机械公司用高纯生铁生产-40℃～-50℃的高铁上的转向架轴箱，电机底座等低温铁素体球铁，为中国长春客车集团、庞厐巴迪、阿尔斯通、舍佛勒供应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基础”。
一、我国生产高纯生铁的工艺特点
国外生产高纯生铁的工艺主要是氧化法，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还原，然后倒入另炉进行氧化吹炼，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3 Sorelmetal RF-1 高纯生铁常规元素
化学成分（%）
C
Si
Mn
P
S
规格
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
冶
炼
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
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
Si
Mn
P
S
Ti
Sorelmetal
规格
＜0.40
＜0.05
＜0.04
＜0.025
0.010
实测
0.15
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
Cu
Sorelmetal
0.00745
0.00006
0.0010
0.00000
0.00285
0.00000
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
0.0005
0.0094
0.0096～0.0089
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 ①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
（%）
Si
0.4～0.7
＞0.70～0.90
＞0.90～1.10
＞1.10～1.30
C
≥3.8
Ti
特级≤0.010
1级＞0.010～0.020
2级＞0.020～0.030
Mn
特级≤0.05
1级＞0.05～0.10

P
特级≤0.020
1级＞0.020～0.030

S
特级≤0.015
1级＞0.015～0.020

表8 ②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
Cr
V
Mo
Sn
Sb
Pb
Bi
Te
As
B
Al
最大含量（%）
0.015
0.015
0.008
0.003
0.0008
0.001
0.0005
0.0005
0.0018
0.001
0.01
③12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3 CRH380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
（min）
断后伸长率A%
（min）
硬度HBW
（-20℃）QT400-18AL
400
240
18
130-150
（-40℃）QT400-18AL
400
240
18
130-150
（-50℃）QT400-18AL
400
240
18
130-150
（-60℃）QT400-18AL
400
240
18
130-150
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）
-20℃
-40℃
-50℃
-60℃
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（min）
QT400-18AL（-20℃）
12
9
-
-
-
-
-
-
QT400-18AL（-40℃）
-
-
12
9
-
-
-
-
QT400-18AL（-50℃）
-
-
-
-
12
9
-
-
QT400-18AL（-60℃）
-
-
-
-
-
-
12
9
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
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
元素
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
S
Ti
Mn
Sn
Sb
Al
As
Bi
Pb
Cu
Cr
含量（%）
0.014
～
0.017
0.010
～
0.015
0.052
～
0.046
＜0.0005
＜0.0005
0.007
～0.0058
＜0.0006
＜0.00005
＜0.00005
0.0096
～
0.0089
0.0094
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
化学成分%
Mn
Sn
Sb
Ti
Al
As
Bi
Pb
Cu
Cr
珠光体系数Px
0.052
～
0.046
＜0.0005
＜0.0005
0.010
～
0.015
0.007
～0.0058
＜0.0006
＜0.00005
＜0.0005
0.0096
～
0.0089
0.0094
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15 Si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
4.25
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）
Si（%）
Mn（%）
P（%）
要求
统计值
平均值
要求
统计值
平均值
要求
统计值
平均值
2.2
～
2.4
2.029
～
2.442
2.208
≤0.10
0.040
～
0.138
0.076
≤0.025
0.012
～
0.028
0.021

图9 （-40℃）QT400-18AL的Si含量的 图10（-40℃）QT400-18AL的Mn含量的
3608炉次统计 3608炉次统计

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：①Cr、V、Ti、M、B、As等形成的碳化物分布在晶间处，形成正偏析；②Si、Ni、Cu分布在晶粒内部，形成反偏析；③P、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
元素
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∑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
抗拉强度(MPa)
伸长率（%）
-40℃冲击吸收功（J）
要求
统计值
平均值
要求
统计值
平均值
要求
统计值
平均值
≥400
400.0
～
425.5
403.1
≥18
20.0
～
30.7
26.1
≥12
12.1
～
17.8
14.3
华德机械公司将一炉烧浇注的8个轴箱件放置一个支架上，一炉一支架，见图13，逐个检验不放过一个不合格品。

图13 一炉8个轴箱
龙凤山铁业公司为了保证高纯生铁的质量，建立了用户的炉料库，见图15。

图14 龙凤山铁业建立了用户炉料库

结 论
一、河北龙凤山铸业公司成功地生产了高纯生铁，证实在高炉上采用三精法生产高纯生铁的工艺是可行的。
二、常州华德机械公司采用高纯生铁为国内外高铁供应质量稳定的低温铁素体球铁轨道产品。至今生产2万余套，无一废品。充分说明在我国从铸造大国走向强国的过程中，质量要从原材料抓起。

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