粉末冶金在钢铁企业的应用及发展前景.pdf

第 3 3卷第 4期 2 O 1 5年 8月 粉 末冶 金技 术 Powde r M e t al l ur g y Te c hn ol og y V0 l J 33．No ． 4 Aug ．2 01 5 粉末冶金在钢铁企业 的 应用及 发展前 景 冯 士 超 王艳 红 丁 瑞锋 鞍钢股份有限公司技术 中心 ， 中 国 辽宁 鞍 山 1 1 4 0 0 9 摘要 概述 了粉末冶金 的技术 特点以及含铁粉尘在钢厂 的应用情况 ； 分别 阐述 了钢 铁企业直 接还原 铁在 炼钢 中的应用 、 以及还原铁粉 和雾化铁粉的生产过程 ； 列举 了 J F E、 神户制钢公 司开发 的粉末冶金 制品及其 应 用领域 ， 以及我 国武钢 、 莱钢粉末冶金技术 的进步 ； 分析 了铁基 粉末冶金 行业发展 的影响 因素 ， 汽 车工业 的发 展 、 以及切削刀具行业对高 速钢性 能要求 的提升 ， 促进 了铁基 粉末冶 金零部 件种类 和数量 需求 的快速 增长 ； 指 出了钢 铁企业在当前的困境条件下 ， 应加 速发 展铁基 粉末 冶金技术 ， 发掘 企业新 的利润 增长点 ， 并 实现资 源 的综合 利用。 关键 词 粉末冶金 ； 钢铁 企业 ； 资源利用 ； 铁粉 App l i c a t i o n a n d p r o s pe c t o f po wde r m e t a l l u r g y i n s t e e l e nt e r pr i s e s Fe ng Sh i c ha o W ang Ya nho ng Di ng Rui f e ng An s t e e l L t d ．T e c h n o l o g y c e n t e r ，An s h a n 1 1 4 0 0 9，L i a on i n g ，C h i n a Abs t r ac t The t e c h n i q ue c ha r a c t e r i s t i c s o f po wd e r me t a l l ur g y a nd t he a pp l i c a t i o n c o n d i t i o n o f i r o n du s t i n s t e e l pl a n t s a r e s u mma r i z e d．The a p pl i c a t i o n o f d i r e c t l y r e d uc ed i r o n i n s t e e l ma ki ng，ma n uf a c t u r e pr o c e s s o f r e d uc e d i r o n p o wd e r a n d a t o mi z e d i r o n p o wde r i n s t e e l e n t e r pr i s es a r e r e p r e s e n t e d r e s p e c t i v e l y ．The p o wd e r me t a l l ur g y p r o d u c t s e x pl o i t e d i n J F E a n d Ko b e s t e e l c o mp a n i e s a n d t h e i r a p p l i c a t i o n f i e l d s ，a n d t h e p r o g r e s s o f p o w d e r me t a l l u r g y t e c h n o l o g y i n Chi n a W I SCO，LI SCO a r e pa r t i c ul a r i z e d ．The i n flu e nc e f a c t o r s o f i r o n ba s e d po wd e r me t a l l ur g y i n du s t r y de v e l o p me n t i s a n a l y z e d ． Th e f a s t i nc r e a s e o f t h e d e ma n d f o r v a r i e t i es a nd a mo u nt o f i r o n b a s e p o wd e r me t a l l u r g y p a r t s i s p r o mo t e d d ue t o t he d e v e l o pme n t o f a u t o i nd u s t r y a n d a dv a n c e me n t o f p e rfo r ma n c e r e qu i r e me nt for h i g h s p e e d s t e e l i n c ut t i ng t o o l i nd us t r y． I t ’ S p o i n t e d o u t t h a t i n t h e c u r r e n t p l i g h t f o r s t e e l e nt e r p r i s e s，i r o n b a s e po wd e r me t a l l u r g y t e c hn o l o g y s ho u l d b e d e v e l o pe d f a s t t o fin d ne w p r o fit g r o wt h p o i nt s for e nt e r p r i s e a n d t o a c hi e v e c o mpr e he n s i v e ut i l i z a t i o n o f r es our ce． Ke y wo r dsp o wd e r me t a l l u r g y；s t e e l e nt e r p r i s e；r e s o u r c e u t i l i z a t i o n；i r o n po wd e r 2 0 0 8年 以来 ， 受 国际金 融 危 机 和钢 铁 产 能迅 速 扩 大 的影 响 ， 全 球 钢铁 企 业 的生 产 经 营 普遍 处 于 困 境 ， 钢铁企业通过开展多元化经营， 寻求新的利润增 长 点 ， 其 中， 钢铁 粉 末 冶金 材料 的研究 是 重要 的发展 方向。粉末 冶金是一 门新兴 的材料 制备技术， 近年 来 ， 该技术有了突破性进展⋯ ， 尤其是汽车工业和切 削刀 具业 的快速发展 ， 带 动 了铁基 粉末 冶金制 品需求 量 的增长 。一 系列 新 工艺 、 新技 术 大量 涌现 ， 使整 冯 士 超 ， 男 ， 1 9 8l一 硕 士 ， 工 程 师 ， E ma i l ma x f s c 1 6 9 s i n a ． e o m 收稿 日期 2 0 1 5 0 2一l 1 个粉末冶金 领域 的研 究 内容更 加深 入 ， 粉末 冶金 已成 为高性 能材 料 和机 械零 件 的制备 技 术 之一 。钢 铁生产过程中产生的大量含铁粉尘可以用来制备铁 基粉末冶金制品， 既可实现资源 的综合利用、 减少环 境排放 ， 又能为企业创造可观的经济效益。 1 钢铁粉末冶 金的技术特点与应用 粉末 冶金 就是 以各 种 金 属 粉末 或 金 属 粉 末 与 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3卷第 4期 冯士超等 粉末 冶金在钢铁企业 的应用及发展前景 2 9 7 非 金属粉 末 的混 合 物 为 原 料 ， 通 过 压 制 成 形 、 烧 结 和必 要 的后 续处 理来 制取 金属 材料 和制 品的一 门制 造技 术 。在 材料 制备 过程 中几 乎 不 存 在 切 屑 加 工 ， 因此 ， 这 种 方法对 原 材料 的利 用率 较高 、 制 造过程 清 洁高效 、 生产成本低 、 可以实现 自动化批量生产 ， 有 效降低生产 中的资源和能源 肖 耗。用铁粉制造的机 械零部件 ， 其材料利用率达 9 5 ％ 以上 ， 而用金属材 料切削加工时 ， 其材料利用率在 4 5 ％左右。随着雾 化制粉 、 热等静压等技术的发展 ， 用粉末冶金法制备 高合金钢板坯 、 棒材 、 管材等产品引起了广泛重视。 钢 铁粉 末 冶金最 独 特 的地方 在 于它 与一般 的熔 炼和铸造不 同， 可以最大限度地减少合金成分偏析 ， 消 除 粗大 、 不 均匀 的组织 结构 ， 很 容 易实 现多种 类 型 材料的复合- -， - ， 充分发挥各组 元材料 的特 性， 是 一 种低成本生产高性能金属基复合材料的工艺技术 。 因此 ， 可以生产钢铁企业采用熔炼和浇铸技术较 难 生产或无法生产的对组织结构和性能要求特别严格 的钢材制品。例如 ， 粉末冶金高速钢的制备过程中， 由于钢中的碳化物在快速冷却时来不及沉淀和形成 团快 ， 因此 ， 消除了粗大 的碳化物偏析 ， 合金元素含 量提高， 耐磨性 、 韧性更高 ， 这是高速钢采用传统 熔炼法较难制备的， 钢铁企业涉足粉末冶金高速钢 的开发和生产具有广阔的市场前景。 粉末冶金作为绿 色、 高效、 低碳 、 可持续性 制造 技术 ， 生产的产品包括轴承 、 齿轮、 硬质合金刀具 、 模 具 、 摩擦制品等 ， 在冶金 、 机械、 汽车、 摩托车、 家电、 纺织 、 化 工 、 环 保 、 能 源 等 重 点 产 业 领 域 广 泛 应 用 。其 中 ， 汽 车 制 造 行 业 “ 应 用 最 广 泛 ， 国 外 铁基粉末冶金制品 7 0 ％以上的市场在汽车工业 。 2 钢铁行业含铁粉 尘的应用状况 钢铁 企业 中 ， 可 以利用 的含 铁粉 尘 十分 丰富 ， 如 果 将 这一 部分 资 源加 以充 分 利 用 ， 可 为 钢 铁 企 业 带 来 巨大的经济效益。含铁粉尘经厂内处理以后得到 含铁尘泥， 钢厂内含铁尘泥主要来源于炼铁 、 炼钢和 轧钢工序 ， 如图 1 所示。 含铁尘 泥 产生 量约 为每 吨钢 1 0 0～1 3 0 k g ， 主 要 用 于 钢铁 厂烧 结 球 团 的 原 料 ， 以降 低 生 产成 本 。 但 含 铁尘 泥 的利 用有 两 个 主 要 问 题 一 是 各 尘 泥成 分 差别大 ； 二是部分尘泥含有锌 、 铅及碱金属等有害元 素 。锌 、 铅等元素会影响高炉冶炼 ， 导致 高炉利用系 数 降低 ， 焦 比升 高 ， 影 响高炉 的顺 利运 行及 炉龄 。 因 图 l 钢 J 含 铁 尘 泥 的来 源 Fi g ．1 Th e s o u r c e o f i r o n du s t i n s t e e l c o mpa ni e s 此 ， 循环利用一定程度后 ， 必须对其中的铅 、 锌进行 外排 。但 由于各工序产生 的含铁尘泥种类 多、 数量 大 、 成分复杂 、 并且波动大 ， 因此 ， 去除尘泥中的有害 元 素是 实现 尘泥 有 效利 用 的难 点 ， 若 能 在 技 术 上 取 得突破 ， 其环保意义将十分显著 ， 据报道 日本新 日铁 公司 从炼钢粉尘 中成功提取了锌元素。 有的小企业将尘泥进行堆积处理 ， 这不仅 占用 大 量 土地 ， 而 且造 成 大 量 的扬 尘 ， 对 大 气 、 土 壤 和 地 下水形成污染 ， 而且钢铁尘泥 中的锌 、 铁 、 碳等资源 没有得到利用。若将含铁尘泥送水泥厂或砖厂做配 料使用 ， 其增值空间很小 ， 并且铅等重金属污染物不 能去除， 会一并进入建材 中， 同样会导致环境污染。 3 粉末 冶金技术在钢铁企业 的应用现状 3 ． 1直接还 原铁 用 于炼钢 钢铁企业可以利用氧化铁皮在 固态下进行还原 生产直接还原 铁 ， 其化 学成分稳定 、 杂质元素含 量 低 ， 可以作为电炉炼钢的原料 ， 部分替代废钢。由于 废钢来源广 ， 化学成分波 动大 ， 很难掌握和控制， 如 果 加入 一定 比例 的直 接还 原铁 可 以改善 钢 的化学 成 分 ， 生产出优质钢水。 直接还原铁还可以用作转炉炼钢的冷却剂和炉 料 ， 冷却效果是废钢的 1 ． 2 2倍 ， 能消除废钢对炉 衬的机械损耗 ， 降低钢水 中的有害元素含量 ， 改善 自 动加料和终点控制等。因此 ， 钢铁企业利用含铁氧 化 物 为原 料 建 立 直 接 还 原 铁 生 产 线 具 有 重 要 的 意 义 ， 但要求炼钢用直接还原铁 中的 S 、 P 、 S i 等杂质元 素含量要低 。日本 J F E公 司的直接还原铁年产量 可 达 3 6万 t ； 我 国武钢 、 宝 钢 、 莱 钢 、 马钢 等大 型钢铁 企 业也已经建立起直接还原铁生产线 ， 但其产量仍不 能 满足 国内市场 的需 要 。 3 ． 2 氧 化铁 皮和 炼钢 除尘 灰用 于 生产还 原铁 粉 对 于 大 型 钢铁 联 合企 业 来 说 ， 其 钢 铁 流程 产 生 的充 足 的氧 化铁 皮和 炼钢 除尘 灰可 用 于生产 还原 铁 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 9 8 粉末 冶金技 术 粉 ， 氧化 铁皮 是 连铸 坯在 轧 制 过 程 中产 生 的 固体 废 弃物 ， 其 含铁 量 高 ， 杂 质 元 素 含 量 低 ， 便 于 提 纯 ， 提 纯后 的铁粉 经 过表 面 处 理后 可 进一 步 提 高其 性 能。国内已经有采用氧化铁 皮制备 出性 能优 良的 还原铁粉 ， 该还原铁粉 可满足制备 磁流 变液 的 要求 。炼钢过程产生 的除尘灰经 过沉降后得 到含 铁 尘 泥 ， 尘 泥 中 的 颗 粒 铁 形 状 规 则 ， 表 面 光 滑 ， 表 面 附着 硅 酸 盐 薄膜 。在 制 备 粉 末 冶 金 用 的 还 原 铁 粉 过 程 中 ， 须 对 尘 泥 进 行 磁 选 、 干 燥 、 以及 去 除 其 中 的硅 酸 盐 和 其 他 氧 化 物 杂 质 ， 得 到 的铁 粉 再 经 表 面粗糙化处理 以后 ， 其 化学成分和压 制 、 烧结性 能可显著提高 。 铁 粉 的质 量 会直 接影 响 汽 车 、 家 电 、 机械 制造 等 众 多工 业领域 。因此 ， 还原 铁 粉 的生产 过程 中 ， 如何 将 氧化 铁皮 和除 尘 灰 中的有 害 杂质 元 素 去 除 ， 将 原 料粉 加 工制造 成 优 质 、 适 用 的 粉 末料 是 粉 末 冶 金 技 术研 究 和开 发 的关键 内容 。 3 ． 3 部 分钢 水用 于生产 雾 化铁 粉 雾 化铁 粉 的生产 是用 高压 水将 钢水 在雾 化器 内 切 断 、 分 散 、 裂化 而 成 为 微 小液 滴 ， 再 经 脱 水 、 烘 干 、 筛分 、 生粉高温还原 、 粉饼破碎 、 筛分 、 合批等工序精 制而成。2 0世纪 7 0年代 ， 德 国曼 内斯 曼改进了该 工艺 ， 采用高温还原法 ， 使水雾化铁粉在高温还原状 态下 产生 局部 烧 结 ， 改善 了粉 末 颗 粒 的 形状 。 由于 水雾 化铁 粉 具有 纯 度 高 、 压 缩 性 能好 的优 点 ， 因此 ， 是粉 末 冶金 制 品的优 质原 料 ， 特 别适 于 生产 中 、 高 密 度零件和磁性材料 。而且 ， 水雾化铁粉生产工艺灵 活性高 、 工业化生产潜力大 ， 因此 ， 许多钢铁企业纷 纷建 立 了技术 先 进 的 水 雾化 铁 粉 生 产 线 ， 并 形 成 规 模化 生产 ， 雾 化铁 粉 所 占的 比重不 断增加 。 4国 内外应用举 例 4 ． 1 国外 应用 情 况 全球钢铁粉末生产区域的大致分布是 南北美 约 占 3 9 ％ ， 欧 洲 约 占 2 2 ％ ， 中 国约 占 2 1 ％ ， 日本 约 占 1 8 ％ 。日本 J F E和神户制钢是世 界著 名的生产 钢铁粉末制品的钢铁企业 ， 这两家公 司合计生产的 钢铁 粉 末约 占全 球市 场份 额 的 1 7 ％ 。J F E公 司 已生 产 出包 括还 原铁 粉 和雾化 铁粉 在 内的综 合性 铁粉 产 品 ， 用途 见 图 2 ， 在 汽 车用粉 末 冶 金零 部 件 的 生 产 方 面 ， J F E公 司开发出可压缩性 和成形性优越且质量均一的高质 图 2 J F E公司生产的还原铁粉和雾化铁粉 的用途 Fi g ． 2 Ap pl i c a t i o n o f r e d uc e d i r o n p o wd e r a n d a t o R l i z e d i r o n p o wd e r p r o d u c e d i n J F E c o mp a n y 量雾化铁粉、 高强度零部件 、 以及耐热耐磨零部件用 的各种合金 钢粉 、 防止 石墨偏析 的无偏 析铁粉 J I P R C l e a n Mi x等产 品 ， 并博 得 了用 户好 评 ， J I P 铁 粉 的 生产 工艺 如 图 3所示 。 J F E公 司还 开发 出将 粉末 润 滑剂 带 电涂 敷 在 金 属模上的高密度成形加工法， 可以减少 比重小 的内 部 润滑 剂 的 配 比量 ， 密 度 比热 态 成 形 法 显 著 提 高 。 可 以获得 高密 度 烧 结 零 件 ， 疲 劳 强 度 提 高 了 8 ％ 左 右 ， 这 种成 形法 已应 用 于汽 车 用 高 疲 劳 强 度零 件 的 加 工 。 神 户 制钢是 日本 最 大的 水雾化 钢铁 粉末 生 产企 业 ， 1 9 7 0 年 在 日 本 首 次 开 始 生 产 和 销 售 以 “ A T ME L ” 命 名 的雾化 铁 粉 ， 主要 用 于 以汽 车零 部 件 为主的领域 ， 生产工艺如图 4所示 。该雾化铁粉 具 有纯 度 高 、 压缩 性 能高 、 成 形 性 能 好 、 质 量 稳 定 的 特点 ， 便 于生产大型高密度 、 高强度零部件 ， 并减 少 产 品缺 陷 。 目前 ， 神户 制 钢公 司生 产 的 铁粉 的种 类 和 特点 见表 1 ， 该公 司为 了满 足 客 户 改 善作 业 环 境 和 节 能 的需要 ， 开发 出 8种 铁 粉 新 产 品 ， 分 别 是 1 防 止 石 墨偏 析 的铁粉 “ s e g l e s s ” ； 2 温压成 形 用 “ s e g l e s s ” K HD ． s e g l e s s ； 3 高 压缩 性 雾化 纯 铁 粉 3 0 0 M／ 3 0 0 MH ／ 3 0 0 N H； 4 高压缩性雾化低合金钢粉； 5 高 强 度 烧 结 部 件 用 钢 粉 ； 6 烧 结 硬 化 用 钢 粉 9 4 F D H； 7 采 用 高 压 水 雾 化 法 生 产 的合 金 粉 末 和 精 细铁 粉 ； 8 压坯 磁 芯用磁 性 铁粉 。 机 械 加 工 业对 高 精 度 、 高 效 率切 削 刀 具需 求 的 增加促进 了粉末冶金高速钢的发展。粉末冶金高速 钢的常见制备技术有热等静压和喷射成形 等 ， 国 外生 产粉 末冶 金高 速 钢 的钢 铁 企 业 中 ， 日本 神 户 制 钢 、 奥地利伯乐钢厂 已经采用热 等静压工艺制备 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m