高纯生铁、超高纯生铁在特钢行业的应用

陈建东

(河北龙凤山铸业有限公司，河北056300)

高纯生铁、超高纯生铁在特钢行业的应用

陈建东

(河北龙凤山铸业有限公司，河北056300)

超高纯生铁的As、Sn、Sb、Bi、Pb、Cu、Al、Ti、N等元素含量低，是冶炼帘线钢、轴承钢、低压转子锻用钢、核电锻用钢等的配碳原料。同时可代替增碳剂、电极作为LF炉的增碳原料，使用超高纯生铁增碳可降低生产成本。

超高纯生铁；帘线钢；轴承钢；低压转子锻用钢；核电锻用钢

1 高纯生铁、超高纯生铁的基本情况介绍

1.1 理化指标

河北龙凤山铸业有限公司(简称LFS铸业)采用精料、精炼、精处理“三精法”生产工艺自主研制生产的高纯生铁、超高纯生铁填补了国内空白，实现了替代进口。LFS高纯生铁、超高纯生铁的化学成分见表1，基体组织见图1。

1.2 高纯生铁、超高纯生铁主要优点

相对于炼钢生铁，高纯生铁、超高纯生铁具有以下优点：

(1)S、P含量极低。

高纯生铁P≤0.020%，超高纯生铁P≤0.010%(可以定制)，而炼钢生铁的P含量则高达0.15%以上；高纯生铁S≤0.015%，超高纯生铁S≤0.010%(可以定制)，而炼钢生铁(未经KR处理的铁水)的S含量则高达0.060%以上。高炉铁水的“三脱”，S、Si比较容易脱除，但P目前仍是在转炉内倒二次炉脱除，而且脱除效果不是很好。

(2)As、Sn、Sb、Bi、Pb含量极低。

高纯生铁As<0.001 8%，Sn<0.003%，Sb<0.000 8%，Bi<0.000 5%，Pb<0.001%；超纯生铁As<0.001 5%，Sn<0.001%，Sb<0.000 1%，Bi<0.000 01%，Pb<0.000 1%。

目前国内生产核电、低压转子的重工企业，一般要求As<0.006%，Sn<0.003%，Sb<0.000 8%。

(3)Ti、Al、N、B含量极低。

高纯生铁Ti0.01～0.02%，Al<0.010%，N≤0.008%，B≤0.001%；超高纯生铁Ti≤0.002%，Al<0.001%，N≤0.008%，B≤0.000 1%。

目前，帘线钢要求T≤0.000 5%，Al≤0.003%，N≤0.003%；出口轴承钢要求Ti≤0.000 5%，N≤0.003%；核电锻用钢要求B≤0.000 3%。

(4)Co、Ni、Cu含量极低。

高纯生铁和超高纯生铁Cu≤0.006%，Co≤0.000 1%，Ni≤0.005%。

核电锻用钢要求Co≤0.007%，Cu≤0.03%。

2 相关产品分析

2.1 帘线钢

2.1.1 Ti的控制

宝钢、沙钢、兴澄特钢等帘线钢生产企业，采用金属锰、专用硅铁(低Al、低Si)进行合金化，确保成品中Ti≤0.000 5%，防止产生TiN脆性夹杂物，造成拉拔过程的断丝。

表1 LFS高纯生铁、超高纯生铁化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of high purity cast iron and ultra-high purity cast iron in the LFS (mass fraction,%)

图1 LFS高纯生铁基体组织Figure 1 Matrix microstructure of high purity cast iron in the LFS

只要非金属夹杂物的尺寸大于被加工钢丝直径的2%，即可导致钢丝加工过程中的脆性断裂。即使足够细小的夹杂物颗粒，虽然侥幸通过细丝拉拔和合股，但在钢帘线的动态疲劳性能试验中或在轮胎的使用中也会导致早期断裂[1]。

钢液凝固过程中，TiN析出物在钢中的溶解度随温度变化的函数为[2]：

lgKTiN=lg(Ti×N)=-13850/T+4.01

式中，虽然N<0.005%，Ti<0.003%，尽管析出的TiN不存在聚集长大的条件，但还是大于5μm，仍然是有害析出物，TiN析出的稳定图如图2所示。另据文献[3]报道，在球状A12O3颗粒周围，TiN形核更容易，围绕Al2O3颗粒形核容易长大，因此可以通过降低Al2O3含量，来减少TiN夹杂。

图2 TiN析出的稳定图Figure 2 Stability diagram of TiN separation

在实际生产过程中，各工序Ti控制目标为：电弧炉(或转炉)氧化终点Ti≤0.000 1%，初炼炉炉外合金化后Ti≤0.000 2%，LF炉初步微调成分后Ti≤0.000 3%，LF炉终调成分后Ti≤0.000 4%。

2.1.2Al的控制

为防止形成高熔点的Al2O3夹杂，Al含量越低越好，一般要求Al≤0.003%，为了控制Al含量，采用Mn-Si弱脱氧，不采用含Al的脱氧剂，并且采用专用的低Al硅铁，尽管这样严格控制Al，吊包浇铸前还必须进行软搅拌，软搅拌时间大于15min。

2.2 轴承钢

严格控制成品Ti含量。中信泰富下属的几个子公司，采用Mn、Cr、专用硅铁(低Al、低Si)合金化，确保成品中Ti≤0.000 5%，防止生产TiN脆性夹杂物，降低轴承的疲劳寿命。

冶炼各工序钢水中Ti含量的变化[4]如图3所示。从冶炼统计的结果来看，合金带入的Ti含量占总增Ti量的45%，而总增Ti量55%的Ti是从炉渣中进入钢水的，因此，控制这部分Ti对于减少钢水中Ti含量很重要。

图3 冶炼各工序钢水中Ti含量的变化Figure 3 Ti content variation of various smelting process

目前冶炼帘线钢、轴承钢所用铁水的Ti含量一般在0.03%～0.05%之间，为去除Ti，采用过氧化、炉外增超低N增碳剂的方式进行操作。

2.3 低压转子锻用钢(30Cr2Ni4MoV等)

2.3.1Cr的控制

减少Cr的氧化损耗，增加返回料的使用比例。重工企业的低压转子锻用钢，返回料超过50%，目前，返回料的使用情况是85%返回料+15%生铁。由于生铁含P高，氧化终点C≤0.10%、Cr≤0.60%，Cr的氧化损耗达到1.0%以上，理论计算仅Cr的氧化损耗成本上升150 元/t以上。如果15%的生铁换成超高纯生铁，不用进行脱P操作，即可以将终点C含量提高到0.22%左右，大大减少了Cr的氧化损耗，理论计算与采用原来的配料方法相比，可以降低生产成本100 元/t以上。

特别是具备EAF→VOD→LF→VD→浇铸流程的重工企业(如中原特钢、中国一重等)，使用超高纯生铁后，可以扩大返回料的使用比例，而不会降低Cr的回收率，电弧炉的操作由脱磷脱碳升温为主简化为脱碳升温为主。

2.3.2 其它元素的控制

其它元素As、Sn、Sb、Bi、Pb含量低，确保低压转子使用过程中不会出现回火脆化现象。对于使用温度>400℃的钢产品，如低压转子、核电站的稳压器、蒸汽发生器、化工反应釜等，钢锭流转到下一道工序时，必须对回火脆化敏感系数(J)、焊缝金属脆化敏感系数(X)进行计算，以便于确定后道的加工工序是否要正常进行。其计算公式为：

J=(Si+Mn)(P+Sn)×104≤100

X=(10P+5Sb+4Sn+As)×102≤15

P+Sn≤0.012

2.4 核电锻用钢

核电锻用钢以508.3、18MND5等为主，该产品必须确保百分之百的安全，使用时环境温度≥400℃，因此对As、Sn、Sb、Bi、Pb按内控数值(内控值严于采购技术规范)进行。超高纯生铁因为P含量低，可以提高出钢碳含量，降低终渣中的全铁含量，提高废钢的收得率。

2.5 转子用气缸铸钢件

转子用气缸铸钢件以ZG15Cr1Mo1V、ZG12Cr10Mo1W1NiVNbN为代表性钢种。此种气缸用铸钢件对As、Sn、Sb、Bi、Pb含量有一定的要求，同时P含量低。具有VOD设备的重工企业采用超高纯生铁后，可以提高终点C含量，减少Cr的氧化损耗，降低生产成本。

2.6 钢锭模

目前重机行业使用的钢锭模抗开裂性能差，特别是真空钢锭模使用10次后开裂，如图4所示。原因是钢锭模用材S、P含量高，钢锭模使用过程中急冷急热，造成开裂[5]。而超高纯生铁P、S含量低，不仅降低了钢锭模使用中的开裂现象，而且提高了钢锭模的使用寿命。

图4 143 t真空钢锭模使用10次后Figure 4 Situation of 143 t vacuum ingot mould after 10 times service

2.7 精炼炉终点的增碳剂

超高纯生铁中C、S、P含量见表1，表1中给出的C含量是下限值，S、P是上限值，实际制造过程中，可以根据用户的需要进行定制，C最高可达5.0%，S、P下限可达0.001%。因此在特钢领域，超高纯生铁可以代替电极作为增碳剂。

3 成本核算

12Cr2Mo1V临氢钢采用电极与采用超高纯生铁增0.01%的C的生产成本相比，两者相差1193元，即100 t钢水增0.01%的C，采用超高纯生铁比采用电极作为增碳剂可以降低成本11.93元/t。而且只要精炼炉升温条件允许，加入的超高纯生铁作为增碳剂的量越多，成本下降越多。比如12Cr2Mo1V临氢钢，精炼过程增0.05%的C，100 t钢水加入1000 kg超高纯生铁代替电极，可以降本近60元/t。

4 结论

(1)超高纯生铁中Al、Ti含量低，可代替海绵铁，用于帘线钢的配碳。

(2)超高纯生铁中Ti含量极低，可用于轴承钢的配碳。

(3)超高纯生铁中As、Sn、Sb、Bi、Pb、Cu含量极低，可用于低压转子锻用钢、核电锻用钢的配碳。

(4)超高纯生铁中P、S含量低，可作为钢锭模制造的特配铸铁原料，大大降低钢锭模使用过程中的开裂现象，而且提高了钢锭模的质量。

(5)超高纯生铁中S、P含量低，重工行业用超高纯生铁代替电极增碳可降低生产成本。

[1] 张玉飞.沙钢SGLX72A帘线钢盘条冶炼技术的研究[D].镇江：江苏大学，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钢中Al2O3-TiN复合夹杂生成机理研究[J].钢铁研究学报，2010，22(7)：29-32.

[4] 李小明，石磊，薛正良.GCr15轴承钢中Ti含量的控制[J].炼钢，2011，27(2)：36-40.

[5] 陈建东，卢斌，朱小龙，等.整体式下注钢锭模的设计[J].上海电气技术，2014(2)：38-42.

编辑 陈秀娟

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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