低温高韧性球墨铸铁用生铁的生产实践与应用.pdf

山东工业技术2 0 2 3年第4期（总第312 期）低温高韧性球墨铸铁用生铁的生产实践与应用张志义，于瑞水，崔士选（临沂玫德庚辰金属材料有限公司，山东临沂2 7 6 6 2 4）【摘要】随着风力发电、汽车、高速列车等行业的高速发展，对高韧性球墨铸铁铸件的需求量快速增长，并且要求在一40 及以下仍需具有较好的低温冲击韧性，因此对生产该球铁所用的生铁质量提出了更高的要求。本文结合生产实践、基于高炉冶炼工艺分析了生铁中各种化学元素对低温高韧性球墨铸铁的影响，以及有害元素在高炉冶炼中的形成和控制方法，通过“四优工艺”进行了工艺创新和技术融合，生产的低温高韧性球墨铸铁用生铁具有低磷、低钛、低硫、低杂质元素的特点，能够满足全铁素体低温高韧性球墨铸铁金相组织、低温强韧性的要求，同时分析了高炉冶炼工艺在原材料选择、降碳、降钛方面的局限性。【关键词低温高韧性球墨铸铁；生铁；低温冲击韧性；化学成分中图分类号TF593D0I:10.16640/ki.37-1222/t.2023.04.017文献标识码A【文章编号】10 0 6-7 52 3（2 0 2 3）0 4-0 0 9 7-0 6毂、机仓座等铸件，要求在-40 运转2 0 年至前言30年不坏；汽车底盘悬挂架，高速列车转向架轴球墨铸铁是将铁水经过球化处理及孕育处理而获得的一种石墨形态呈球状的铸铁，屈强比（0.2/b)约为0.7 0.8,是钢的两倍左右，其组织可以看作是钢的组织加球状石墨组成，兼有钢和铸铁的优点，通过热处理可以在较大范围内改变球墨铸铁的性能，获得较高的强度、韧性、耐磨性、优良的低温性能。因此，球墨铸铁以其独特的综合机械性能和工艺性，在装备制造业重点零部件中得到应用。随着风力发电、汽车、高速列车等行业在我国乃至全球化的高速发展，对高韧性球墨铸铁铸件的需求量快速增长，同时对低温冲击韧性提出了更高的要求，特别在高纬度地区，风电机组轮箱、齿轮箱等关键部件，要求在-40-6 0 的高寒条件下仍然能保持抗拉强度与低温冲击功的平衡。某些风电装备的球墨铸铁件要求-40 时三个V型缺口试样冲击功平均值12 J/cm；高铁京哈线、哈大线和出口俄罗斯等高寒地区的高铁关键球铁零部件已要求QT400-18AL在-60时的冲击功 12 J/cm 2。冲击韧性反映材料断裂时吸收的能量，也反映快速形变条件下，材料抵抗裂纹萌生、发展和断裂的能力。材料断裂往往是穿晶或沿晶断裂，材料晶粒内部或晶粒间有如果有夹杂物，在冲击载荷作用下很容易在夹杂物处形成裂纹源或成为裂纹传播的通道，降低材料在低温下的抗冲击能收稿日期】2 0 2 3-0 4-19【作者简介】张志义（19 7 1一），男，临沂玫德庚辰金属材料有限公司，工程师；于瑞水（19 7 2 一），男，临沂玫德庚辰金属材料有限公司，工程师。通讯作者：崔士选（19 6 9 一），男，临沂玫德庚辰金属材料有限公司，高级工程师。-97-低温高韧性球墨铸铁用生铁的生产实践与应用力。近年来我国铸造行业对低温高韧性球墨铸铁的生产工艺研究及应用取得了较大进展，但国内对低温高韧性球墨铸铁用生铁的研究起步较晚，铸造企业一般采用精选废钢增碳熔炼或进口特种生铁作为原材料，少数企业探索采用融熔还原法或氧化法生产此种生铁，但技术成熟度、生产稳定性仍有大量需要解决的问题。我们基于高炉冶炼工艺进行了工艺创新和技术融合，旨在探索低温高韧性球墨铸铁用生铁经济化生产的可行性。一、生铁化学成分的确定1.基本化学元素影响分析及控制范围铁素体基体球墨铸铁在低温下具有优良的强韧性，是较为理想的低温用球墨铸铁材料，但对生产该类铸铁的生铁材料有着严格的成分要求，因此必须综合分析生铁中碳、硅、锰、磷、硫五大元素及微量元素对铁素体球墨铸铁低温性能的影响程度及合理的控制范围，从而冶炼出满足要求的生铁材料。碳：C含量高会使铸铁中石墨球数量增加、尺寸增大，甚至出现石墨漂浮现象，造成塑性形变降低，形变能减少，表现为上限冲击吸收能量的下降；碳含量过低会使韧脆转变温度区间向高温方向移动，同样会降低冲击吸收能量。综合考虑，将铁素体球墨铸铁中碳含量定为3.6 0%3.90%，此时铁水流动性较好，铸件形成缩孔、缩松的倾向也较小。硅：Si是强烈促进石墨化的元素，并强化铁素体基体，提高球墨铸铁的强度和韧性，但随着硅的增高，韧脆转变温度上升。减少0.1%的硅可使脆性转变温度降低约5。要获得优越的低温韧性，需要尽可能降低球墨铸铁的Si含量；但Si量减少，会降低铁素体球墨铸铁的抗拉强度和屈服强度。综合考虑，将铁素体球墨铸铁中的硅含量定为1.8 0%2.0 0%。锰：Mn在球墨铸铁中促进基体中碳化物和珠光体的形成，同时存在严重偏析倾向，对韧性十分不利，尤其对低温球墨铸铁的冲击吸收能量有严重的损害。因此需要限制Mn含量，尽可能-98-控制到0.0 5%以下，上限不超过0.0 8%。钛：Ti与C易形成TiC，T iC 熔点318 0，以孤立块状形态存在。当铁水中存在C、N时，Ti与C、N更易形成化合物TiC、T iN。当形成针状Mo-Ti-V晶间复合碳化物时，会削弱力学性能。要求铁素体球墨铸铁中Ti0.02%。硫：硫是反球化元素，硫与球化元素有很强的结合能力，大部分以硫化亚铁(FeS)和其它硫化夹杂物(MnS、Ce S)的形式存在于铸铁中，并分布于晶界上，使材料的强度值和冲击功大幅下降。要求铁素体球墨铸铁中S0.02%。磷：P为有害元素，P既显著升高韧脆性转变温度，又强烈降低球墨铸铁的上限冲击功。减少0.0 1%的磷可使脆性转变温度降低约4。因此，降低P含量是生产低温高韧性球墨铸铁的关键因素之一，因此要求P0.02%3综上所述，铁素体低温高韧性球墨铸铁主要元素的最佳控制范围为C：3.6 0%3.9 0%、Si:1.80%2.00%、M n 0.1%、P 0.0 2%,S 0.02%,Ti 0.02%。2.微量元素含量控制生铁冶炼中常存在一些非特意加人的微量元素，如Sn、Sb、A s、Pb、A l、Bi、Cr、V、B等。这些元素即使含量很低，也会导致球墨铸铁塑性和韧性急剧下降。低熔点元素Sn、Sb 吸附在石墨金属界面上，形成阻碍碳原子向石墨球扩散的薄层，阻止铁素体的产生；过量的Sn、Sb 偏析于最后凝固的液体中，形成晶间化合物，导致强度和韧性均下降。Cr、V、B等形成碳化物分布于晶界处，造成晶界偏析，降低塑性和韧性 4。因此，低温高韧性球墨铸铁用生铁必须对微量元素进行总量上限控制。3.低温高韧性球墨铸铁用生铁成分确定低温高韧性球墨铸铁对生铁成分的要求远远高于普通生铁，由于高炉冶炼的工艺特性所致，难以将生铁中的碳降至4.0%以下，因此该类铸件在铸造生产时通常采用电炉熔化生铁，同时添加一定比例精选的低碳废钢，以便对生铁中的碳进行稀释。另外，高炉冶炼时，Si的还原同时伴1.高炉冶炼工艺流程山东工业技术六2 0 2 3年第4期（总第312 期）随着Ti的还原，为了限制Ti的含量，必须采用二、低温高韧性球墨铸铁用生铁的低硅冶炼工艺。而P在高炉冶炼中基本全部进入冶炼工艺铁水，无法通过高炉造渣方式去除。S可以通过炉渣碱度和精选炉料进行限制，并且可通过造渣的方式对铁水二次脱硫。基于高炉工艺特性，低温高韧性球墨铸铁用生铁采用高炉冶炼工艺的成分控制范围为：C 4.2%,Si:0.3%0.7%,Mn 0.08%,P0.02%，S 0.0 2%,T i0.0 2%。优选矿粉入库图1高炉“四优工艺”冶炼低温高韧性球墨铸铁用生铁工艺流程图特殊技术措施。工艺流程如图1所示。2.生产工艺要点本文对高炉冶炼低温高韧性球墨铸铁用生铁的生产工艺进行了探索试验，通过对关键环节的改进及技术融合，探索了一种独具特色的冶炼工艺，概括为“四优工艺”法，实现了低温高韧性球墨铸铁用生铁的低成本、大批量生产。（1）优化原料配比：优选国内和国外低磷、低钛、低杂质元素的优质矿粉，通过烧结前计算和烧结后化验，加工出冶炼低温高韧性球墨铸铁用生铁的烧结矿和球团矿，即严格控制烧结矿和球团矿的成分：烧结矿中Mn0.04%、S 0.025%、P 0.0 12%、T i 0.0 2 5%；球团矿中 Mn0.04%、S 0.0 2 0%、P 0.0 15%、Ti 0.025%。（2）优化炉料结构：采用全熟料人炉，炉料结构为“高碱度烧结矿+酸性氧化球团”，其中高碱度烧结矿占比7 5 8 0%，酸性氧化球团矿占比2 5 2 0%；烧结矿二元碱度一般控制在1.8 2.0高炉冶炼工艺，可以实现批量生产，工艺稳定、装备可靠性高、单位产品综合能耗较低，但是生产低温高韧性球墨铸铁用生铁，对原材料的品质要求较高，生产流程中的关键环节必须采用优化配比烧结矿生产球团矿生产低磷低灰分焦炭成分分析，检验铸锭二次孕育区间，波动值不大于0.5%。高炉入炉料综合成分控制范围：Mn0.05%、S0.0 2 5%、P0.013%、T i0.0 2 5%；人炉焦炭含磷量0.02%、焦炭灰分11.3%。（3）优化冶炼制度，全风低硅冶炼：平均风温水平119 0 10，采用富氧、大喷煤手段；炉缸铁水物理温度148 0、化学热（即铁水含硅量）Si0.45%。根据生产经验数据：在入炉料TiO2含量相同的条件下，生铁含 Si每降低0.1%，Ti还原率相应降低约17%，通过低硅冶炼可以将原始铁水有害元素Ti的含量控制到Ti0.020%，同时铁水易于流动，提高了渣铁分离效果；但低硅冶炼铸造用生铁时铁水化学热Si 30-6030QT400-18AL表中采用DL-1、D L-2 生产的球墨铸铁力学性能符合GB/T32247-2015低温铁素体球墨铸铁件的规定。四、总结高炉冶炼的“四优工艺”法可以实现低温高韧性球墨铸铁用生铁的低成本、大批量生产；采用该生铁生产的低温高韧性球墨铸铁在-40 下抗拉强度、延伸率、低温冲击功均能满足质量要求。试块抗拉强度试块屈服强度试块延伸率冲击功AkVRm(N/mm)Rp0.2(N/mm)25mm用户附铸35240mm用户附铸33525mm用户附铸405 30-6040mm用户附铸使用生A%J/cm222123.321223.124219.8392233高炉冶炼法受冶炼工艺的制约，原料中的磷基本全部进人铁水，为了将磷含量降低到0.0 2%以下，必须精选低磷燃料和矿粉，但此类矿粉国内资源较少，主要依靠进口精矿粉。高炉低硅冶炼可以明显降低Ti的还原，但若要将Ti降至0.0 1%以下，高炉冶炼具有局限性。高炉冶炼工艺生产的铸造用生铁中碳含量较高，生产铁素体低温高韧性球墨铸铁时需配加一定比例精选的低碳废钢。铁牌号13.2(50)DL-112.7(-50)12.5(-40)18.312.2(-40)DL-2-101-低温高韧性球墨铸铁用生铁的生产实践与应用参考文献1崔.钢铁材料及有色金属材料 M.北京：机械工业出版社.19 8 2.2李克税，李增利.我国铸铁生产技术现状与发展趋势 .铸造.2 0 2 2(2):12 5-12 7.3张秀华，秦绪华.含铁原料质量评估研究及应用 J.山东工业技术.2 0 18(0 9):19 6.4崔鼠.钢铁材料及有色金属材料 M.北京：机械工业出版社.19 8 2.2 2 9-2 30.5肖艳.球墨铸铁件金相组织分析与控制 .山东工业技术.2 0 17(0 9):17-18.Production Practice of Pig Iron for Low Temperature High Toughness Ductile IronZHANG Zhi-yi,YU Rui-shui,CUI Shi-xuan(Linyi Meide Gengchen Metal Materials Co.,Ltd.,Linyi 276624,China)Abstract:With the rapid development of industries such as wind power generation,automobiles,andhigh-speed trains,the demand for high toughness ductile iron castings is rapidly increasing,and it is requiredto have good low-temperature impact toughness at-40C and below.Therefore,higher requirements are putforward for the quality of pig iron used in the production of this ductile iron.The author of this article analyzedthe effects of various chemical elements in pig iron on low-temperature and high toughness ductile iron basedon production practice and blast furnace smelting process,as well as the formation and control methods ofharmful elements in blast furnace smelting.Through the“four optimization processes,process innovation andtechnological fusion were carried out.The pig iron used for low-temperature and high toughness ductile ironproduction has the characteristics of low phosphorus,low titanium,low sulfur,and low impurity elements,It canmeet the requirements of metallographic structure and low-temperature strength and toughness of all ferrite lowtemperature high toughness ductile iron.At the same time,the limitations of blast furnace smelting process inraw material selection,carbon reduction,and titanium reduction were analyzed.Key Words:low temperature and high toughness ductile iron,pig iron,low temperature impact toughness,chemical composition-102-