高純生鐵、超高純生鐵在特鋼行業(yè)的應(yīng)用

陳建東

(河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司，河北056300)

高純生鐵、超高純生鐵在特鋼行業(yè)的應(yīng)用

陳建東

(河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司，河北056300)

超高純生鐵的As、Sn、Sb、Bi、Pb、Cu、Al、Ti、N等元素含量低，是冶煉簾線(xiàn)鋼、軸承鋼、低壓轉(zhuǎn)子鍛用鋼、核電鍛用鋼等的配碳原料。同時(shí)可代替增碳劑、電極作為L(zhǎng)F爐的增碳原料，使用超高純生鐵增碳可降低生產(chǎn)成本。

超高純生鐵；簾線(xiàn)鋼；軸承鋼；低壓轉(zhuǎn)子鍛用鋼；核電鍛用鋼

1 高純生鐵、超高純生鐵的基本情況介紹

1.1 理化指標(biāo)

河北龍鳳山鑄業(yè)有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)LFS鑄業(yè))采用精料、精煉、精處理“三精法”生產(chǎn)工藝自主研制生產(chǎn)的高純生鐵、超高純生鐵填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，實(shí)現(xiàn)了替代進(jìn)口。LFS高純生鐵、超高純生鐵的化學(xué)成分見(jiàn)表1，基體組織見(jiàn)圖1。

1.2 高純生鐵、超高純生鐵主要優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于煉鋼生鐵，高純生鐵、超高純生鐵具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)S、P含量極低。

高純生鐵P≤0.020%，超高純生鐵P≤0.010%(可以定制)，而煉鋼生鐵的P含量則高達(dá)0.15%以上；高純生鐵S≤0.015%，超高純生鐵S≤0.010%(可以定制)，而煉鋼生鐵(未經(jīng)KR處理的鐵水)的S含量則高達(dá)0.060%以上。高爐鐵水的“三脫”，S、Si比較容易脫除，但P目前仍是在轉(zhuǎn)爐內(nèi)倒二次爐脫除，而且脫除效果不是很好。

(2)As、Sn、Sb、Bi、Pb含量極低。

高純生鐵As<0.001 8%，Sn<0.003%，Sb<0.000 8%，Bi<0.000 5%，Pb<0.001%；超純生鐵As<0.001 5%，Sn<0.001%，Sb<0.000 1%，Bi<0.000 01%，Pb<0.000 1%。

目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)核電、低壓轉(zhuǎn)子的重工企業(yè)，一般要求As<0.006%，Sn<0.003%，Sb<0.000 8%。

(3)Ti、Al、N、B含量極低。

高純生鐵Ti0.01～0.02%，Al<0.010%，N≤0.008%，B≤0.001%；超高純生鐵Ti≤0.002%，Al<0.001%，N≤0.008%，B≤0.000 1%。

目前，簾線(xiàn)鋼要求T≤0.000 5%，Al≤0.003%，N≤0.003%；出口軸承鋼要求Ti≤0.000 5%，N≤0.003%；核電鍛用鋼要求B≤0.000 3%。

(4)Co、Ni、Cu含量極低。

高純生鐵和超高純生鐵Cu≤0.006%，Co≤0.000 1%，Ni≤0.005%。

核電鍛用鋼要求Co≤0.007%，Cu≤0.03%。

2 相關(guān)產(chǎn)品分析

2.1 簾線(xiàn)鋼

2.1.1 Ti的控制

寶鋼、沙鋼、興澄特鋼等簾線(xiàn)鋼生產(chǎn)企業(yè)，采用金屬錳、專(zhuān)用硅鐵(低Al、低Si)進(jìn)行合金化，確保成品中Ti≤0.000 5%，防止產(chǎn)生TiN脆性?shī)A雜物，造成拉拔過(guò)程的斷絲。

表1 LFS高純生鐵、超高純生鐵化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of high purity cast iron and ultra-high purity cast iron in the LFS (mass fraction,%)

圖1 LFS高純生鐵基體組織Figure 1 Matrix microstructure of high purity cast iron in the LFS

只要非金屬夾雜物的尺寸大于被加工鋼絲直徑的2%，即可導(dǎo)致鋼絲加工過(guò)程中的脆性斷裂。即使足夠細(xì)小的夾雜物顆粒，雖然僥幸通過(guò)細(xì)絲拉拔和合股，但在鋼簾線(xiàn)的動(dòng)態(tài)疲勞性能試驗(yàn)中或在輪胎的使用中也會(huì)導(dǎo)致早期斷裂[1]。

鋼液凝固過(guò)程中，TiN析出物在鋼中的溶解度隨溫度變化的函數(shù)為[2]：

lgKTiN=lg(Ti×N)=-13850/T+4.01

式中，雖然N<0.005%，Ti<0.003%，盡管析出的TiN不存在聚集長(zhǎng)大的條件，但還是大于5μm，仍然是有害析出物，TiN析出的穩(wěn)定圖如圖2所示。另?yè)?jù)文獻(xiàn)[3]報(bào)道，在球狀A(yù)12O3顆粒周?chē)?，TiN形核更容易，圍繞Al2O3顆粒形核容易長(zhǎng)大，因此可以通過(guò)降低Al2O3含量，來(lái)減少TiN夾雜。

圖2 TiN析出的穩(wěn)定圖Figure 2 Stability diagram of TiN separation

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，各工序Ti控制目標(biāo)為：電弧爐(或轉(zhuǎn)爐)氧化終點(diǎn)Ti≤0.000 1%，初煉爐爐外合金化后Ti≤0.000 2%，LF爐初步微調(diào)成分后Ti≤0.000 3%，LF爐終調(diào)成分后Ti≤0.000 4%。

2.1.2Al的控制

為防止形成高熔點(diǎn)的Al2O3夾雜，Al含量越低越好，一般要求Al≤0.003%，為了控制Al含量，采用Mn-Si弱脫氧，不采用含Al的脫氧劑，并且采用專(zhuān)用的低Al硅鐵，盡管這樣嚴(yán)格控制Al，吊包澆鑄前還必須進(jìn)行軟攪拌，軟攪拌時(shí)間大于15min。

2.2 軸承鋼

嚴(yán)格控制成品Ti含量。中信泰富下屬的幾個(gè)子公司，采用Mn、Cr、專(zhuān)用硅鐵(低Al、低Si)合金化，確保成品中Ti≤0.000 5%，防止生產(chǎn)TiN脆性?shī)A雜物，降低軸承的疲勞壽命。

冶煉各工序鋼水中Ti含量的變化[4]如圖3所示。從冶煉統(tǒng)計(jì)的結(jié)果來(lái)看，合金帶入的Ti含量占總增Ti量的45%，而總增Ti量55%的Ti是從爐渣中進(jìn)入鋼水的，因此，控制這部分Ti對(duì)于減少鋼水中Ti含量很重要。

圖3 冶煉各工序鋼水中Ti含量的變化Figure 3 Ti content variation of various smelting process

目前冶煉簾線(xiàn)鋼、軸承鋼所用鐵水的Ti含量一般在0.03%～0.05%之間，為去除Ti，采用過(guò)氧化、爐外增超低N增碳劑的方式進(jìn)行操作。

2.3 低壓轉(zhuǎn)子鍛用鋼(30Cr2Ni4MoV等)

2.3.1Cr的控制

減少Cr的氧化損耗，增加返回料的使用比例。重工企業(yè)的低壓轉(zhuǎn)子鍛用鋼，返回料超過(guò)50%，目前，返回料的使用情況是85%返回料+15%生鐵。由于生鐵含P高，氧化終點(diǎn)C≤0.10%、Cr≤0.60%，Cr的氧化損耗達(dá)到1.0%以上，理論計(jì)算僅Cr的氧化損耗成本上升150 元/t以上。如果15%的生鐵換成超高純生鐵，不用進(jìn)行脫P(yáng)操作，即可以將終點(diǎn)C含量提高到0.22%左右，大大減少了Cr的氧化損耗，理論計(jì)算與采用原來(lái)的配料方法相比，可以降低生產(chǎn)成本100 元/t以上。

特別是具備EAF→VOD→LF→VD→澆鑄流程的重工企業(yè)(如中原特鋼、中國(guó)一重等)，使用超高純生鐵后，可以擴(kuò)大返回料的使用比例，而不會(huì)降低Cr的回收率，電弧爐的操作由脫磷脫碳升溫為主簡(jiǎn)化為脫碳升溫為主。

2.3.2 其它元素的控制

其它元素As、Sn、Sb、Bi、Pb含量低，確保低壓轉(zhuǎn)子使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)回火脆化現(xiàn)象。對(duì)于使用溫度>400℃的鋼產(chǎn)品，如低壓轉(zhuǎn)子、核電站的穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器、化工反應(yīng)釜等，鋼錠流轉(zhuǎn)到下一道工序時(shí)，必須對(duì)回火脆化敏感系數(shù)(J)、焊縫金屬脆化敏感系數(shù)(X)進(jìn)行計(jì)算，以便于確定后道的加工工序是否要正常進(jìn)行。其計(jì)算公式為：

J=(Si+Mn)(P+Sn)×104≤100

X=(10P+5Sb+4Sn+As)×102≤15

P+Sn≤0.012

2.4 核電鍛用鋼

核電鍛用鋼以508.3、18MND5等為主，該產(chǎn)品必須確保百分之百的安全，使用時(shí)環(huán)境溫度≥400℃，因此對(duì)As、Sn、Sb、Bi、Pb按內(nèi)控?cái)?shù)值(內(nèi)控值嚴(yán)于采購(gòu)技術(shù)規(guī)范)進(jìn)行。超高純生鐵因?yàn)镻含量低，可以提高出鋼碳含量，降低終渣中的全鐵含量，提高廢鋼的收得率。

2.5 轉(zhuǎn)子用氣缸鑄鋼件

轉(zhuǎn)子用氣缸鑄鋼件以ZG15Cr1Mo1V、ZG12Cr10Mo1W1NiVNbN為代表性鋼種。此種氣缸用鑄鋼件對(duì)As、Sn、Sb、Bi、Pb含量有一定的要求，同時(shí)P含量低。具有VOD設(shè)備的重工企業(yè)采用超高純生鐵后，可以提高終點(diǎn)C含量，減少Cr的氧化損耗，降低生產(chǎn)成本。

2.6 鋼錠模

目前重機(jī)行業(yè)使用的鋼錠?？归_(kāi)裂性能差，特別是真空鋼錠模使用10次后開(kāi)裂，如圖4所示。原因是鋼錠模用材S、P含量高，鋼錠模使用過(guò)程中急冷急熱，造成開(kāi)裂[5]。而超高純生鐵P、S含量低，不僅降低了鋼錠模使用中的開(kāi)裂現(xiàn)象，而且提高了鋼錠模的使用壽命。

圖4 143 t真空鋼錠模使用10次后Figure 4 Situation of 143 t vacuum ingot mould after 10 times service

2.7 精煉爐終點(diǎn)的增碳劑

超高純生鐵中C、S、P含量見(jiàn)表1，表1中給出的C含量是下限值，S、P是上限值，實(shí)際制造過(guò)程中，可以根據(jù)用戶(hù)的需要進(jìn)行定制，C最高可達(dá)5.0%，S、P下限可達(dá)0.001%。因此在特鋼領(lǐng)域，超高純生鐵可以代替電極作為增碳劑。

3 成本核算

12Cr2Mo1V臨氫鋼采用電極與采用超高純生鐵增0.01%的C的生產(chǎn)成本相比，兩者相差1193元，即100 t鋼水增0.01%的C，采用超高純生鐵比采用電極作為增碳劑可以降低成本11.93元/t。而且只要精煉爐升溫條件允許，加入的超高純生鐵作為增碳劑的量越多，成本下降越多。比如12Cr2Mo1V臨氫鋼，精煉過(guò)程增0.05%的C，100 t鋼水加入1000 kg超高純生鐵代替電極，可以降本近60元/t。

4 結(jié)論

(1)超高純生鐵中Al、Ti含量低，可代替海綿鐵，用于簾線(xiàn)鋼的配碳。

(2)超高純生鐵中Ti含量極低，可用于軸承鋼的配碳。

(3)超高純生鐵中As、Sn、Sb、Bi、Pb、Cu含量極低，可用于低壓轉(zhuǎn)子鍛用鋼、核電鍛用鋼的配碳。

(4)超高純生鐵中P、S含量低，可作為鋼錠模制造的特配鑄鐵原料，大大降低鋼錠模使用過(guò)程中的開(kāi)裂現(xiàn)象，而且提高了鋼錠模的質(zhì)量。

(5)超高純生鐵中S、P含量低，重工行業(yè)用超高純生鐵代替電極增碳可降低生產(chǎn)成本。

[1] 張玉飛.沙鋼SGLX72A簾線(xiàn)鋼盤(pán)條冶煉技術(shù)的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2011：37.

[2] W J Liu and J JJonas.Calculation of the Ti(Cy Nl-y)-Ti4C2S2-MnS-Austenite Equilbrium in Ti-Bearing Steels[J].Metallurgical Transactions A，1989，20A(8)：1361-1373.

[3] 王敏，包燕平.IF鋼中Al2O3-TiN復(fù)合夾雜生成機(jī)理研究[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2010，22(7)：29-32.

[4] 李小明，石磊，薛正良.GCr15軸承鋼中Ti含量的控制[J].煉鋼，2011，27(2)：36-40.

[5] 陳建東，盧斌，朱小龍，等.整體式下注鋼錠模的設(shè)計(jì)[J].上海電氣技術(shù)，2014(2)：38-42.

編輯 陳秀娟

Application of High Purity Cast Iron and Ultra-high Purity Cast Iron in Special Steel Industry

Chen Jiandong

Ultra-high purity cast iron with lower element contents of As,Sn,Sb,Bi,Pb,Cu,Al,Ti and N is used as carbon material for steel melting,such as cord steel,bearing steel,forging steel for low pressure rotor and forging steel for nuclear power and so on.Meanwhile,the iron could be taken as the carbon raw material for ladle furnace instead of carbon additive and electrode,finally the production cost could be reduced by carbon addition of ultra-high purity cast iron.

ultra-high purity cast iron; cord steel; bearing steel; forging steel for low pressure rotor; forging steel for nuclear power

2017—01—13

TF591+.9

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