高端球墨铸铁件铁液脱硫净化处理技术
闫兴义 （江苏吉鑫风能科技股份有限公司，江苏江阴214422）
摘要：风电、高铁以及核乏燃料运输容器等高端球墨铸铁件，产品质量和质量稳定性要求都很高。要满足这些要求，纯净优质的铁液是关键因素。铁液通过脱硫净化处理，可以明显降低气体和夹杂物含量，保持稳定的低硫含量，减少球化剂的加入量，提高材料性能，减少缩松和夹渣的产生，提高产品质量稳定性。
关键词：球墨铸铁；净化；脱硫；复合脱硫剂
常态下我国铸件产量多年来在2015 年出现下降（2016 年有所回升），但是高端球墨铸铁件的需求量和产量每年都在增加。有些高端球墨铸铁件在材质方面的要求明显高于欧标，其中有要求更高强度，有要求超低温冲击，并且均以附铸试块或本体套料进行检测；有些高端球墨铸铁件不仅对组织和性能要求高，而且要百分之一百超声波检测和百分之一百磁粉检测，不允许有任何超标缺陷。
球墨铸铁虽然发展了很多年已非常成熟，但近些年对其提出了更多的新要求，有了新的发展，带来了新的机会，比如近10 年来飞速发展的风电和高铁铸件，以及国内正在研发的球墨铸铁核乏燃料运输容器铸件等。
1 高端球墨铸铁件的发展现状
1.1 核乏燃料运输容器球墨铸铁件
核乏燃料运输容器用球墨铸铁件，壁厚厚（500mm），吨位大（铸件重量120t），质量要求高（心部套料的组织和性能，以及百分之一百无损检测），制造难度非常大，目前全球主要由德国一家铸造厂（Siempelkamp）生产，国内处在研发阶段，我司为该研发项目的参研单位。
1.2 大型硅固溶强化高强高韧球墨铸铁件
自从欧标EN1563-2012 中新增EN-GJS-450-18、EN-GJS-500-14 和EN-GJS-600-10 的硅固溶强化球墨铸铁牌号，并在2012 年由张伯明院长介绍给我国铸造界后，国内不少单位开始了试验研究。该材料制造难度较大，欧标EN1563-2012 中对于铸件壁厚大于60mm 的性能也没有规定，但在德国蔡业茨铸件公司通过试验，给出了壁厚60~200mm 的试验结果和企业标准；德国西姆佩尔卡姆普公司开发出含硅3.0%、含镍0.5%的硅强化铁素体球铁GJSFSiNi330-5，代替GJS400-18-LT，扩大在风电铸件上的应用。我公司已在单件重量10-20 吨的大型风电底座上开始批量应用该材料，截止目前大型硅固溶强化底座产品生产数量接近2000 件，总吨位超过2 万吨。1.3 重型风电球墨铸铁件。
随着全球风电行业的发展，风电装机容量快速增加，风电球墨铸铁件的产量也爆发式增长。随着原辅材料质量提高，熔炼和造型等铸造工艺水平的提高，普通风电球墨铸铁件的技术难度逐渐下降，产能也大幅增加。但是，近年来海上大功率风电机组的快速发展，5MW 以上的重型风电球墨铸铁件需求量逐步增大，由于重型风电铸件尺寸大、吨位重、断面厚，材料尤其对本体心部材料的组织和性能高要求，百分之一百超声波和百分之一百磁粉检测要求，其制造难度仍然很大。1.4 超低温要求的高铁球墨铸铁件
国内高铁行业的发展，带动了高铁球墨铸铁件行业的飞速发展。高铁件要求极高的质量稳定性，并且部分有超低温（如-50℃、-60℃）冲击韧性要求，无损检测要求也高，产品质量控制具有一定难度。
诸如此类的高端球墨铸铁件，只有具有一定规模，具有较高技术和质量控制水平的企业，才能满足产品高质量和高质量稳定性的要求。没有稳定的低S 含量，没有纯净的优质铁液，产品质量要求难以满足，产品质量稳定性难以保证。2 铁液脱硫净化在高端球墨铸铁件生产中的关键作用
2.1 原铁液的硫含量对球墨铸铁件的影响
原铁液中硫含量过高时，其与球化剂中的Mg和Re强烈结合，不仅会消耗球化剂，降低残余Mg含量，造成球化不良，还会产生大量镁、钙和稀土等元素的硫化物夹渣，铸件易产生夹渣缺陷。原铁液中硫含量过低时，石墨结晶核心太少，形成“死铁水”，会造成石墨球数减少、球化率降低和白口倾向增大等问题。故原铁液的硫含量应控制在一定范围，通常控制在0.008%-0.015%。
2.2 铁液脱硫净化在材料组织和性能方面的作用
铁液通过脱硫，使S含量稳定控制在较低水平，球化剂和孕育剂的加入量即可稳定控制在较低水平（比如球化剂加入量0.9-1.0%，总孕育剂加入量0.3-0.4%），再配合原材料的控制，球化剂中的Re元素可以大幅减少或不用。这样可保证石墨球的圆整度、保证晶间夹渣明显减少，材料的强度、延伸率及低温冲击韧性等性能同时得到提升，材料组织和性能得到保证，稳定性提高，尤其对保证大断面球墨铸铁心部材料的组织和性能起到关键作用。
2.3 铁液脱硫净化在减少夹渣方面的作用
以往铸件生产中常常出现外观（VT）检测结果良好，基本没有肉眼可见缺陷，但磁粉（MT）检测时经常会出现超标缺陷，产品打磨工作量大。对原铁液采取气动脱硫后，S 含量降低，铁液中的细小夹渣物被气泡带走，铁液得到净化；同时球化剂和孕育剂的加入量都降低，球化剂与铁液中S 反应生成夹渣的量明显减少，这样铁液的夹渣倾向及铸件产生夹渣缺陷的倾向就明显减低，铸件顺利通过百分之一百表面磁粉（MT）检测的要求，铁液脱硫净化起到了关键作用。
2.4 铁液脱硫净化对产品质量稳定的作用
由于铁液中S含量很低，球化剂中的Mg 主要起球化作用，无需其先与大量的S反应，再起球化作用，所以残余Mg含量很稳定；并且稳定的低S 含量，可降低残余Mg含量，降低白口化倾向和缩松倾向，材料的组织和性能好且稳定性很高。并且由于夹渣倾向小，铸件百分之一百表面磁粉（MT）检测和百分之一百超声波（UT）检测结果良好，且稳定性高。这些保证了产品质量能够稳定的较高水平。
3 铁液是否进行脱硫净化的对比
3.1 高S 多加球化剂与低S 少加球化剂的对比
目前仍有些球墨铸铁件生产时，原铁液S含量高但不进行脱硫处理，球化剂加入量达到1.2%甚至1.5%，并且球化剂中Mg和Re的含量都很高，球化反应难以控制，经常出现一包浇的件，先浇和后浇的球化率差别较大，质量稳定性差，无法保证大断面球墨铸铁心部的石墨形态。由于球化剂和孕育剂加入量大，产品夹渣倾向很大，经不起表面磁粉（MT）检测，并且相对于脱硫的铁液，其球化剂和孕育剂的加入量增加，虽然省了一道工序，但成本并不低。要生产质量要求高，尤其表面磁粉（MT）检测要求严的大断面球铁，低S原铁液、低镁低稀土球化剂和低的球化剂加入量，配合合适的孕育剂，是较好的选择。
3.2 低S纯净铁液球化处理后静置试验
对高S含量的原铁液，如果球化后进行浇注的时间长，很容易产生球化衰退。但低S纯净铁液是否有所不同，对其进行球化处理后静置一段时间再浇注的试验。试验选取生产中的硅固溶强化球墨铸铁件：2.3MW 底座，该产品属于大断面大型球墨铸铁件，如图1 所示。
图1 生产中的硅固溶强化球墨铸铁件：2.3MW 底座
该铸件材料为硅固溶强化铁素体球墨铸铁，材料的组织和性能指标为客户指定，与欧标中EN-GJS600-10 接近，试验过程的相关信息如表1 所示。
表1铁液静置试验过程相关信息
|
铁液重量 |
球化处理工艺 |
球化剂加入量 |
球化处理后温度 |
静置时间 |
|
17T |
冲入法 |
1.05% |
1400℃ |
15分钟 |
铁液重量球化处理工艺球化剂加入量球化处理后温度静置时间17T冲入法1.05% 1400℃15分钟球化处理后，进行渣扒，然后撒上保温覆盖剂静置15分钟，静置结束后进行扒渣、孕育和浇注。对通过静置处理后浇注的2.3MW 底座进行检测，发现未出现球化衰退现象，且材料组织和性能完全满足要求，产品夹渣缺陷有所减轻。该底座附铸试块的金相组织如图2 和图3 所示。
图2 附铸试块金相组织（腐蚀前） 图3 附铸试块金相组织（腐蚀后）
4 生产中稳定低硫铁液的质量控制
4.1 脱硫剂
采用氮气搅拌型脱硫剂，用于冲天炉-电炉双联熔炼或中频感应电炉熔炼铁液的脱硫，脱硫剂主要成分为CaO 和CaC2的混合物以及其它添加剂。生产过程中发现，脱硫剂是保证脱硫效果的关键，不同脱硫剂的成分、颗粒度和均匀性，对脱硫效果有明显的影响。同样铁液成分和温度及同样的脱硫工艺，有的脱硫剂需要更大的加入量才能达到效果，甚至有些脱硫剂脱硫两次都达不到要求。多年来使用的禹州金辉脱硫剂，脱硫时脱硫剂固态流动性好，能够与铁水充分接触，形成的脱硫渣粘度低，渣铁易分离，其脱硫效果好，产品质量稳定，加入量较低，是保证公司大批量稳定低硫原铁液的关键。
4.2 脱硫工艺
采用多孔塞底吹氮气搅拌式脱硫工艺，铁液温度控制在1460℃以上，冲天炉铁液脱硫剂加入量：2%-3%，氮气压力：0.2-0.4MPa，吹气时间：4-7 分钟。通过炉前光谱检测冲天炉铁液含硫量，测温仪测铁水温度，确定脱硫剂加入量。冲天炉出铁时将脱硫剂撒在出铁槽中，冲入包内，出铁结束后，打开压力表开始吹氮气，并不断摇转脱硫包，使脱硫剂与铁液充分接触，脱硫结束取样进行成分的分析和控制，使S含量稳定控制在0.008%-0.015%，脱硫生产过程如图4 所示。
图4 脱硫生产过程
4.3 铁液冶金质量在线控制
采用炉前铁液在线检测与控制系统，对经过脱硫净化的低硫铁液球化后的铁液冶金质量进行在线检测和控制，包括铁液石墨化倾向、有效镁含量及缩松倾向等，生产过程不仅对铁液成分进行精确控制，而且对铁液冶金质量进行在线的检测和控制，如图5 所示。
图5 铁液质量在线智能分析
5 结束语
通过铁液脱硫净化处理及原材料和过程的严格控制，提高铁液质量及稳定性，不仅成功开发大型硅固溶强化铁素体球墨铸铁风电铸件，而且提高了铸件质量和质量稳定性。在新形式下，全国铸造企业要从3 万家缩减至1 万多家，在激烈的竞争中，如何能够战胜对手而不被淘汰，如何获得良好的利润和经营业绩，提高公司的综合竞争力，提高产品质量，做高端产品是必选之路。
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