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不銹鋼及鉻系產(chǎn)品之間的關(guān)系

  • 2015å¹´03月12æ—¥ 16:00
  • 來源：中國鐵合金網(wÇŽng)

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  • é—œ(guān)鍵字：鉻系產(chÇŽn)品 不銹鋼
[導(dǎo)讀]以鉻和鐵為主要成分的鐵合金。是鋼鐵工業(yè)用的主要合金劑之一，除了主成分鉻與鐵外還含有碳、硅、硫、磷等雜質(zhì)。鉻鐵含鉻55％～75％，按含碳量分為高碳(4％～10％C)、中碳(0.5％～4％C)、低碳(>0.15％～0.5％C)和微碳(≤0.15％C)鉻鐵。高碳鉻鐵又稱碳素鉻鐵，中、低、微碳鉻鐵又稱...
以鉻和鐵為主要成分的鐵合金。是鋼鐵工業(yè)用的主要合金劑之一，除了主成分鉻與鐵外還含有碳、硅、硫、磷等雜質(zhì)。鉻鐵含鉻55％～75％，按含碳量分為高碳(4％～10ï¼…C)、中碳(0.5％～4ï¼…C)、低碳(>0.15％～0.5ï¼…C)和微碳(≤0.15ï¼…C)鉻鐵。高碳鉻鐵又稱碳素鉻鐵，中、低、微碳鉻鐵又稱精煉鉻鐵。一種用低鉻鐵比的鉻礦生產(chÇŽn)的高碳鉻鐵，含Cr50％～55％稱為爐料級鉻鐵，還有含N2％～10％的含氮鉻鐵作為氮合金劑使用，又稱氮化鉻鐵。
 
1821年貝爾蒂爾(P．Berthier)在坩堝內(nèi)加熱木炭、氧化鉻與氧化鐵的混合物生產(chǎn)鉻鐵。這種方法一直使用到1857年弗雷邁(E．C．Fremy)用塔斯馬尼亞(Tasmania)鐵鉻礦，在高爐內(nèi)冶煉，得到含7％～8％Cr的塔斯馬尼亞生鐵。1870～1880年間，高爐生產(chǎn)的鉻鐵含30％～40％Cr，10％～20％C。穆瓦桑(H．Moissan)對電爐冶煉鐵合金做了許多工作，并于1893年發(fā)表了在電爐內(nèi)還原鉻礦生產(chǎn)含67％～71％Cr，4％～6％C高碳鉻鐵的報道。用電爐取代高爐冶煉高碳鉻鐵是一個重大進步。1886年奧德斯杰納(E．G．()delstjerna)描述了瑞典用電爐生產(chǎn)含70％Cr高碳鉻鐵的情況。貝克特(F．M．Becket)及其合作者從1906年至1940年間，開展硅還原鉻礦生產(chǎn)低碳鉻鐵的工藝。在500kW單相雙電極電爐(爐產(chǎn)量400kg)至12000kw三相電爐(爐產(chǎn)量10t)內(nèi)試驗和生產(chǎn)，以滿足生產(chǎn)不銹鋼的需要。1920年左右瑞典特樂爾赫坦鐵合金廠制訂了三步法生產(chǎn)低碳鉻鐵工藝。即電硅熱法，亦稱瑞典法。1939年波倫(R．Perrin)獲得了用液態(tài)硅鉻鐵合金與鉻礦一石灰熔體反應(yīng)，生產(chǎn)低碳鉻鐵專利。通稱波倫法，也稱熱兌法。這一方法經(jīng)過不斷改進，已成為生產(chǎn)低碳鉻鐵的主要方法。1949年埃拉斯姆斯(H．Erasmus)取得了真空固態(tài)脫碳法生產(chǎn)C0.01％的低碳鉻鐵的專利。在美國聯(lián)合碳化物公司馬里塔(Marietta)廠生產(chǎn)名為辛普雷克斯低碳(低硫)鉻鐵(SimplexFerrochrome)。
 
本世紀初，生產(chǎn)中碳鉻鐵的方法有3種：(1)用鉻礦石精煉高碳鉻鐵；(2)在貝塞麥爐內(nèi)吹煉高碳鉻鐵；(3)生產(chǎn)低碳鉻鐵時配加高碳鉻鐵。因用貝塞麥爐吹煉高碳鉻鐵生產(chǎn)的中碳鉻鐵含氮高，故氧氣轉(zhuǎn)爐很快被用來生產(chǎn)中碳鉻鐵。在70年代10t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，10t氧氣底吹轉(zhuǎn)爐和25tCLU轉(zhuǎn)爐先后投產(chǎn)生產(chǎn)中碳鉻鐵。
 
隨著鉻礦的塊礦日益減少，粉礦增加，貧鉻礦經(jīng)選礦后得到的又全是精礦粉，這些均要通過燒結(jié)、球團和壓塊等方法生產(chǎn)人造塊礦。日本昭和電工公司1970年在其子公司周南電工公司建成鉻精礦制球、固態(tài)預(yù)還原、電爐(15000kw)熔煉的SRC法的年產(chǎn)6萬t高碳鉻鐵廠。南非米德爾堡鋼和合金公司使用ASEA的技術(shù)，于1983年在克魯格斯廠投產(chǎn)1臺16MVA直流電弧等離子爐(后又擴容為40MVA)，用鉻粉礦生產(chǎn)高碳鉻鐵。瑞典鉻公司1986年在馬爾摩投產(chǎn)一座年產(chǎn)7．8萬t高碳鉻鐵的等離子鉻法工廠。
 
中國吉林鐵合金廠于1956年開始生產(chǎn)高碳鉻鐵。1959年開始生產(chǎn)硅鉻合金與低微碳鉻鐵。吉林鐵合金廠、北京鋼鐵研究總院與鋼鐵設(shè)計研究總院共同研制的6000kVA真空電阻爐于1972年投產(chǎn)，用真空固態(tài)脫碳法生產(chǎn)微碳鉻鐵。上海鐵合金廠與北京鋼鐵研究總院于1973年開始研究頂吹氧轉(zhuǎn)爐(It)吹煉中碳鉻鐵。1979年建成1臺2.5t頂吹氧轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中碳鉻鐵。
 
鐵鉻系平衡相圖見圖1。鉻與鐵形成連續(xù)固溶體。低于815℃時，在圖的中部出現(xiàn)σ相區(qÅ«)。σ相為金屬間化合物，其平均含鉻量為45％，化學(xué)成分大致相當(dāng)于FeCr。鉻與碳生成的碳化物有Cr23C6，Cr3C2，Cr7C3。有鐵存在時則成為復(fù)雜碳化物(Cr，F(xiàn)e)23C6，(Cr，F(xiàn)e)3C2與(Cr，F(xiàn)e)7C3。高碳鉻鐵含C可達10％，所以它的性質(zhì)用Fe-Cr-C系表示更為確切。
 
鉻加入鋼中能顯著改善鋼的抗氧化性，增加鋼的抗腐蝕能力。在許多具有特殊物理化學(xué)性能的鋼中都含有鉻。鋼中的鉻是用鉻鐵添加的。高碳鉻鐵用作滾珠鋼(0.5％～1.45％Cr)、工具鋼、模具鋼(5％～12％Cr)和高速鋼(3.8％～4.4％Cr)的合金劑，可提高鋼的淬透性，增加鋼的耐磨性和硬度。鑄鐵中加入鉻可提高硬度，改善耐磨性，含鉻0.5％～1.0％便可改善其機械性能。高碳鉻鐵和爐料級鉻鐵大量用作冶煉不銹鋼(AOD或VOD法)的爐料，降低生產(chǎn)成本。中、低碳鉻鐵用于生產(chǎn)中、低碳結(jié)構(gòu)鋼、滲碳鋼，制造齒輪、高壓鼓風(fēng)機葉片、閥板等。微碳鉻鐵用于生產(chǎn)不銹鋼、耐酸鋼、耐熱鋼和電熱合金等。
 
鉻在地殼中的豐度為0.035％，但生成的鉻礦石含鉻高。地球上近南北向褶皺帶中的鉻鐵礦資源量，占世界總量的95％以上，其中縱貫非洲東部的前寒武紀褶皺帶的鉻資源量，占世界總量的94％。烏拉爾華力西褶皺帶占2％左右，阿爾卑斯褶皺帶約占世界總量的2％。中國鉻礦成礦地質(zhì)條件不理想，尚未在寒武紀地質(zhì)區(qū)中發(fā)現(xiàn)南北向鉻鐵礦帶。西藏一云南的鉻鐵礦床屬阿爾卑斯期褶皺帶；新疆一甘肅、青海一內(nèi)蒙古的鉻鐵礦床在海西期近東西向的褶皺帶中；它們都不具備生成特大礦床的條件。具有工業(yè)價值的主要含鉻礦物是鉻尖晶石，常被誤稱為鉻鐵礦。最有用的鉻尖晶石礦物有3種：鎂鉻鐵礦(Mg，F(xiàn)e)Cr2O4、硬鉻尖晶石(Mg，F(xiàn)e)(Cr，Al)2O4和鋁鉻鐵礦Fe(Cr，Al)2O4。
 
鉻礦最大的使用者為鐵合金工業(yè)，約占鉻礦石總產(chǎn)量的80％左右。在鉻礦市場上稱冶金級鉻礦。優(yōu)質(zhì)冶金級鉻礦要求Cr2O3>48％，S<0.1％，P<0.1％，Cr2O3：FeO>3，用以生產(chǎn)含Cr>70％的鉻鐵。由于富鉻礦日益減少，鉻鐵比低的礦石相對增多。它們只能用來冶煉爐料級鉻鐵。
 
高碳鉻鐵生產(chǎn)工藝：冶煉高碳鉻鐵是采用在埋弧還原電爐內(nèi)的電碳熱法，即Cr2O3與FeO在電弧加熱的高溫區(qū)被碳還原的過程。Cr-O-C系反應(yīng)△F0-T圖(見圖3)定性地描述了在高溫下Cr-O-c的平衡溫度與氧分壓的關(guān)系。在大氣壓力下，Cr2O3與C一直共存至1147℃(圖3中點1)。在此溫度開始反應(yīng)生成Cr3C2和CO；溫度進一步提高則生成Cr17C3和Cr23C6；而在約1807℃(圖中點2)生成Cr。說明Cr2O3被碳還原最先生成碳化鉻。實際生產(chǎn)中使用的是鉻礦，主要礦物相為鉻尖晶石。熔煉過程鉻尖晶石分解為Cr2O3、FeO、Al2O3、MgO等。Cr2O3被還原時FeO也被還原，生成含碳的鉻鐵合金和復(fù)雜鉻鐵碳化物。(有關(guān)組成見圖2)鉻礦屬于難熔性礦石，要在較高溫度下才能開始熔化，這是高碳鉻鐵冶煉過程的特點。鉻礦還原開始，Al2O3和MgO與少量Cr2O3組成初渣，從Al2O3-MgO-Cr2O3系相圖。(見圖4)可以看出其熔點在1900℃以上。高熔點的初渣對冶煉進行，爐渣與合金分離都造成很大困難。所以要添加硅石增加爐渣中的SiO2含量，來降低爐渣的熔點和黏度。圖5表示Al2O3-MgO-SiO2系爐渣的熔點和相組成。圖6給出了1500℃時爐渣的黏度。
 
生產(chǎn)高碳鉻鐵的埋弧還原電爐容量為5000～45000kvA。用自焙電極。爐襯用碳質(zhì)或鎂質(zhì)耐火材料的敞口式或封閉式電爐。鉻鐵的含鉻量由入爐鉻礦的Cr2O3：FeO值決定。鉻礦、焦炭與硅石(有時還加石灰石)按計算比例混勻后加入爐內(nèi)還原。在爐料計算時要參照圖5考慮爐渣成分，以利于Cr2O3與FeO從渣中還原和控制雜質(zhì)的還原程度；要有適宜的熔化溫度、流動性和表面張力，使高碳鉻鐵和爐渣分離良好和從爐內(nèi)順利排出。爐渣成分為SiO230％～35％、MgO38％～42％、Al2O317％～21％。熔點在1600～1650℃。實際生產(chǎn)中爐渣溫度在1650～1750℃或稍高。合金與爐渣定時從爐內(nèi)排出。合金鑄入錠模；或粒化成小于15mm的顆粒，供生產(chǎn)硅鉻合金用。爐渣送渣場。生產(chǎn)1t高碳鉻鐵(60%Cr)消耗鉻礦(Cr2O3>40％)1800～2000kg，硅石80～130kg，焦炭400～500kg，電極糊20～30kg；電能3000～3400kWh；鉻回收率>91％。
 
æ…‹(tài)還原法的簡稱。它是采用回轉(zhuÇŽn)窯一電爐聯(lián)合方法生產(chÇŽn)高碳鉻鐵。工藝流程如圖7。在不同溫度下鉻礦被碳還原情況為：(Mg、Fe)(Cr、Al、Fe)2O4→(Mg、Fe)(Cr、Al)2O4→Mg(Cr、Al)2O4→MgO+MgAl2O4。(第一個過程溫度<1100℃、第二個過程溫度在1100～1300℃、第三個過程溫度>1300℃)由于鉻與碳的親和力強，在固態(tài)還原下生成M23C6或M7C3型鐵鉻的復(fù)雜碳化物。該法用粉狀鉻礦和碳還原劑干燥后，磨細至粒度<0.1mm，添加黏結(jié)劑如皂土，用成球盤制成球團。在鏈箅機(或豎爐)利用回轉(zhuÇŽn)窯的余熱干燥、預(yù)熱后，裝入回轉(zhuÇŽn)窯內(nèi)預(yù)還原。熔劑用硅石。分兩部分加入。一部分在預(yù)還原前加入，其目的是增加球的強度和破壞部分鉻鐵礦的結(jié)構(gòu)以加速碳和鉻、鐵氧化物的反應(yÄ«ng)，使還原反應(yÄ«ng)開始溫度較低。另一部分在入電爐冶煉前加入。SiO2加入量根據(jù)礦石中MgO、CaO、AI2O3的含量，使爐渣組成中SiO2為20％～45％。SiO2<20％則反應(yÄ«ng)緩慢，>45％則使球與球黏結(jié)。預(yù)還原過程生成鎂橄欖石2MgO&#8226;SiO2與尖晶石MgO&#8226;A2O3的混合固溶體，但不妨礙還原產(chÇŽn)生的CO外泄。預(yù)還原是在回轉(zhuÇŽn)窯內(nèi)進行。溫度在1200～1400℃。回轉(zhuÇŽn)窯外徑4.8m，長70m。預(yù)還原后，球團的還原度約60％。球強度25～50kg。熱裝入2.3萬kVA封閉式埋弧還原電爐。加焦炭、熔劑等冶煉高碳鉻鐵。
 
SRC法生產(chǎn)高碳鉻鐵的優(yōu)點有：電耗低；可使用粉狀鉻礦；可用焦末或無煙煤作還原劑；鉻的回收率高(94％～95％)；爐況穩(wěn)定；爐子生產(chǎn)率高；總能耗稍低。但是也存在一些問題，如爐料電阻低，(鉻礦球團還原度不超過70％)需要調(diào)整操作制度。
 
直流電弧等離子爐法南非克魯格斯廠使用的直流電弧等離子爐的變壓器容量為16MAV。用二極管整流成直流電輸入爐內(nèi)。爐殼直徑7500mm，高2400mm，外膛底部直徑約5000mm，頂部直徑6800mm。爐墻用鎂磚砌成。爐殼上部有一水冷鋼環(huán)，支撐耐火磚襯構(gòu)成的拱形爐蓋。中心有一電極孔。爐底用可導(dǎo)電耐火材料構(gòu)成，厚度1200mm。下部有一個出鐵口。出鐵時要在爐底保留一部分熔體，以保護爐底耐火材料。爐體上部有爐氣排出煙道，內(nèi)襯耐火材料。爐鉻氣經(jīng)冷卻、凈化后外排。爐蓋與爐體間用砂封密閉，以控制爐內(nèi)壓力與氣氛。直流電的陰極聯(lián)結(jié)在位于爐蓋中心的直徑650mm的空心石墨電極上。空心管道用作輸送粉狀爐料通道。陽極固定在爐底的環(huán)形銅板上。輸入爐內(nèi)直流電的空載電壓為300～520V，額定電流38kA。通過變壓器的17級切換開關(guān)和一臺8級自動電流控制電抗器，控制輸入功率。經(jīng)干燥的鉻礦、熔劑和無煙煤等粉料，從爐頂料倉用振動給料器加入電極的空心通道，進入等離子體弧區(qū)熔煉。加料器及電極頂端用氮氣密封。氮氣還作為粉料載體通入電弧區(qū)，以維持等離子體的穩(wěn)定性。加料速度與輸入電功率要密切配合，以保持正常熔煉。每4h出爐一次。合金與渣一齊排入有耐火襯的鋼包內(nèi)。合金鑄入錠模。爐渣的溫度為1620～1640℃，合金溫度為1550℃。冶煉用鉻礦成分為：Cr2O349.5％，F(xiàn)eO13.7％，SiO25.3％，．MgO18.7％，CaO0.1％，Al2O310.7％；得到合金的成分為：Cr63.7％，F(xiàn)e23.9％，Si3.5％，C8.6％，S0.009％；爐渣成分為：Cr(全鉻)2.3％，CT(氧化鉻)0.4％，SiO232.9％，MgO29.1％，CaO12.2％，Al2O322.2％。直流電弧等離子爐法的特點是使用粉狀鉻礦和無煙煤；渣中含鉻低，鉻回收率較高；但因采用開弧冶煉，故電耗較高。該爐1988年產(chǎn)高碳鉻鐵約1.8萬t。
 
等離子鉻法年產(chǎn)78000t鉻鐵的瑞典等離子鉻廠，有兩座等離子鉻反應(yīng)豎爐。它的示意圖見圖8。每臺豎爐配有4支7Mw的SKF等離子體發(fā)生器。用3.6kV直流電供電。每支等離子體發(fā)生器輸入功率6～7Mw。電極壽命為150～300h(更換電極時間為5min)。豎爐外殼用水冷卻，內(nèi)襯耐火材料。從爐頂加入塊狀鐵礦、石灰石和焦炭填充爐身。粉狀鉻礦、砂、煤
 
經(jīng)噴射裝置從噴嘴噴吹入爐內(nèi)。等離子體發(fā)生器加熱和噴料時，冶煉過程即開始。冶煉所需熱能由循環(huán)氣體通過等離子體發(fā)生器，被加熱至每m3含有相當(dāng)于4～5kWh(在標準溫度和壓力)的熱能，經(jīng)過用水冷卻的銅噴嘴與噴射裝置噴入的粉料混合進入爐內(nèi)。粉料與熱等離子化氣體混合時被加熱，還原和熔化生成鉻鐵合金與爐渣，下沉至爐底。反應(yīng)過程產(chǎn)生的氣體從爐頂排出。氣體溫度為1000～1400℃、壓力～20kPa。先進入冷卻器降溫至約160℃，再經(jīng)纖維袋除塵器處理，粉塵含量<4mg／m3。凈化氣體約一半返回豎爐循環(huán)使用，其余出售作燃料。每2h出爐一次，產(chǎn)高碳鉻鐵約10t。從爐頂加入的焦炭含固定碳>88％；粒度為40～80mm。石灰石含CaCO396.8％，SiO21.1％；粒度40～60mm。鐵礦含F(xiàn)e3O466.6％，F(xiàn)eO3.6％，MnO1.7％；粒度30～60mm。從爐頂加入塊料的配比為焦炭450kg，石灰石100kg，鐵礦250～300kg。噴入粉料用的煤含固定碳89.9％，H24％～5％，S0.8％；粒度<2．5mm。砂含SiO298.8％；粒度小于3mm。
 
噴入用料的配比為混合鉻礦1000kg，砂120kg，煤115kg。經(jīng)干燥、磨細后裝入噴吹裝置。冶煉得到的高碳鉻鐵平均含Cr52.5％，Si2.7％，C7.8％；爐渣含Cr2O34％～6％、FeO3％，SiO230％～31％，Al2O325％～27％，MgO24％～26％，CaO6％～8％；渣鐵比為0.8；鉻回收率92.5％；耗電量4537kW&#8226;h／t。
 
中碳鉻鐵生產(chǎn)工藝19世紀末用高碳鉻鐵生產(chǎn)中碳鉻鐵的方法是鉻礦石精煉法與轉(zhuǎn)爐(貝塞麥爐)精煉法，但含碳量很難低于1％；且存在冶煉爐溫高，爐襯壽命短，鉻損失大及合金含氮等問題，故早已不再采用。現(xiàn)在工業(yè)上使用的主要方法有純氧精煉法和電硅熱法。電硅熱法與生產(chǎn)低、微鉻鐵相同。氧精煉法分為頂吹氧轉(zhuǎn)爐法和底吹氧轉(zhuǎn)爐法。鉻與碳的氧化轉(zhuǎn)化溫度見圖9。從圖中可以看出，在溫度低于1521K時，Cr先于C氧化；而高于1521K時則C先于Cr氧化。所以1521K是Cr、C的氧化轉(zhuǎn)化溫度。用氧氣在轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫碳，要盡快將熔體溫度提高到1521K以上，才能加快脫碳速度和減少Cr的氧化損失。
 
頂吹氧轉(zhuǎn)爐法中國上海鐵合金廠2.5t頂吹氧轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中碳鉻鐵的工藝流程見圖10。高碳鉻鐵從電爐出爐后，稱量，裝入頂吹氧轉(zhuǎn)爐。經(jīng)氧槍(拉瓦爾型噴頭)噴入氧氣脫碳后，倒入鐵水包、澆鑄。2.5t頂吹氧轉(zhuǎn)爐爐型見圖11。圖中虛線為爐齡終了時殘留爐襯的情況。合金在吹煉過程中[C]和[Si]含量變化與吹煉時間的關(guān)系見圖12。入爐高碳鉻鐵的含硅量控制在0.5％以上，有助于吹煉溫度迅速上升。吹煉終點溫度約1900℃。2.5t頂吹氧轉(zhuǎn)爐在吹煉終點，約78％的Cr留在中碳鉻鐵中，而約21％的鉻氧化進入爐渣。加入75％Si硅鐵還原爐渣后，約有90％的鉻留在中碳鉻鐵中。吹煉后鉻的回收率與鉻鐵含碳量的關(guān)系如下：
 
鉻鐵含C/％1~20.5~10.3~0.5
 
鉻回收率/％88~9077~8570~80
 
生產(chǎn)1t中碳鉻鐵(C1％～2％，Cr66％)消耗高碳鉻鐵約1100kg，鉻礦約50kg，硅鐵約50kg，石灰約50kg，氧約80m。。鉻回收率約90％。
 
德國魏斯魏勒廠用10t底吹氧轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中碳鉻鐵。往轉(zhuǎn)爐裝入8t高碳鉻鐵(含Cr64&#8226;0％，C4.8％，Si1.0％，S0.08％)液，用氧吹煉24min。吹煉過程鉻鐵的溫度，Cr氧化率和合金中C和Si含量的變化見圖13。吹煉后得到合金的成分為Cr65&#8226;08％，C0.82％，Si0.05％，S0.04％。裝入鉻鐵中的鉻有12.8％被氧化。要減少鉻氧化需提高吹煉溫度，但會造成爐襯較快侵蝕。鉻氧化后侵蝕爐襯造渣，所以在吹煉開始加入石灰保護爐襯。在吹煉終了爐渣中含Cr2O3約50％，加入硅鉻合金還原爐渣中的Cr2O3。還原階段用氬氣代替氧吹煉5分鐘。并添加石灰生成堿性渣脫硫，可以將硫降低至0.003％～0.05％。生產(chǎn)含C<1％合金時，鉻回收率為87％～97％；而C<2％時為93.5％～98％。
 
低、微碳鉻鐵生產(chǎn)工藝硅鉻鐵合金含碳極低，能夠大規(guī)模生產(chǎn)，價格較低，用它還原鉻礦石，可以得到不同含碳量的低、微碳鉻鐵。用硅還原氧化鉻的反應(yīng)綜合式為
 
2/3Cr2O3+Si=4/3Cr+SiO2
 
實質(zhì)上氧化鉻的還原順序是Cr2O3→CrO→Cr。CrO屬堿性氧化物，而且溶于渣中。加入石灰可以提高CrO在渣中的活度，并和SiO2生成硅酸鹽，促使反應(yÄ«ng)向生成Cr的方向進行。添加石灰提高渣中CaO濃度和爐渣堿度，可以獲得較高的鉻回收率。爐渣的熔化溫度，可參考CaO-SiO2-Cr2O3三元系相圖(圖14)。爐渣黏度可參考1500℃下CaO-SiO2-Cr2O3三元系黏度圖(圖15)。用硅還原鉻礦，產(chÇŽn)生的熱量小，不能使合金與爐渣熔化，需要補充熱量。補充熱量的方法有：(1)在電爐內(nèi)冶煉，輸入電能補充熱量，通稱電硅熱法。它是瑞典特樂爾赫坦(Troll-hattan)廠最早生產(chÇŽn)低、微碳鉻鐵的方法，故稱瑞典法。(2)利用液體硅鉻鐵合金與鉻礦和石灰的熔渣相混合，以它們的顯熱補充熱量的方法。這就是波倫法。亦稱熱兌法。
 
電硅熱法(瑞典法)冶煉用3000～7000kVA傾動式三相電弧爐。結(jié)構(gòu)與煉鋼電弧爐相同，但爐膛結(jié)構(gòu)有區(qū)別。它使用石墨電極和鎂質(zhì)爐襯，通稱鐵合金精煉電爐。3000～3500kVA電爐冶煉時二次電壓為280～312V。原料有鉻礦石(粉礦或精礦)、石灰和硅鉻合金。硅鉻合金Si>40％，Cr>30％；它的含碳量與冶煉低、微碳鉻鐵牌號相對應(yīng)的關(guān)系如下：
 
硅鉻合金含碳量/％微碳鉻鐵含碳量／％
 
<0.030.02~0.03
 
0.04～0.060.05~0.06
 
0.07～0.090.07~0.08
 
>0.09>0.10
 
配料計算鉻礦Cr2O3還原率為85％，F(xiàn)eO還原率為95％，P2O5全部還原。硅鉻合金中硅利用率為86％。還原過程元素分配比例如下：
 
鉻進入合金進入爐渣揮發(fā)
 
鐵94％6％
 
磷80％20％
 
終渣堿度最佳值為CaO/SiO2=1.8～1.9。若CaO/SiO2<1．7則會出現(xiàn)渣稀，爐溫低；爐襯侵蝕嚴重；脫硅困難；澆注時渣鐵不易分開，黏結(jié)在合金表面的渣不粉化而降低表面質(zhì)量；鐵水包底凝鐵較多，使回收率降低等。CaO/SiO2>2．O時則爐渣熔點增高，流動性差；渣量大；電耗增加；渣中生成少量CaC2，使合金含碳、含磷相對較高。上爐出爐后，將少量爐渣返回爐內(nèi)(以能送電為限)。為避免電極增碳，用較高電壓輸電。引弧后加入鉻礦、石灰混合料。熔化80％左右即抬起電極加入硅鉻，邊加邊攪。送電、取樣，硅合格后出爐。鐵水包是無襯鑄鋼鋼包。先將微碳鉻鐵爐渣裝入包中，靜置一段時間，爐渣在鋼包內(nèi)表面凝固成包襯，倒出殘渣后即可使用。
 
鐵水包內(nèi)的微碳鉻鐵合金液上需蓋有厚約100mm爐渣。送入真空處理室，真空處理5～10min。然后鑄入錠模。經(jīng)過真空處理得到的合金錠表面光潔，結(jié)晶致密，無氣孔，氣體含量低。電硅熱法生產(chǎn)lt低、微碳鉻鐵消耗如下：
 
低碳鉻鐵微碳鉻鐵
 
鉻礦／kg1200～1600(Cr2O3>40％)1300～1600（Cr2O3>45％）
 
硅鉻合金／kg520～620550～650
 
石灰／kg1200～14001400～1600
 
電極／kg25～3535～45
 
電能／kW&#8226;h1900～26002000～2700
 
鉻回收率／％78～8575～80
 
波倫法(熱兌法)此法特點是液態(tài)反應(yÄ«ng)過程，充分利用反應(yÄ«ng)物的顯熱。每步反應(yÄ«ng)過程都利用熔渣與液態(tài)硅鉻合金的成分所創(chuàng)造的對反應(yÄ«ng)有利的條件。所以鉻回收率與硅利用率都高。無電極增碳，合金含碳量比電硅熱法低。美國年產(chÇŽn)低碳鉻鐵3.36萬t的斯蒂本維勒(Steubenville)廠生產(chÇŽn)工藝流程見圖16。所用鉻礦成分為：Cr2O352％，F(xiàn)eO14%，SiO25％，MgO17％，Al2O310％，CaO0.50％；石灰含CaO92％，粒度2～9.5mm。熔渣爐是變壓器容量為12600kVA的傾動式水冷爐壁電弧爐兩臺。工作電壓為220～320V。鉻礦一石灰熔渣的成分為：Cr2O325％～28％，F(xiàn)eO6.5％～8％，Al2O37％，MgO10％，CaO40％～43％，SiO23％～5％。1t熔渣耗電為1050kWh。每次出渣2～2.4t。硅鉻鐵合金用一步法在兩臺1萬kW埋弧還原電爐內(nèi)生產(chÇŽn)。硅鉻合金的成分為：Cr33ï¼…~35％，Si47％～49％，F(xiàn)e18％，C0.03％。每2h出爐1次。熔體混合用的反應(yÄ«ng)包是鎂質(zhì)襯，使用容積約9m3。使用前用廢渣處理，掛一層渣襯后使用。操作程序(見圖16)是：①硅鉻合金從爐內(nèi)排出，直接加入盛有上爐中間渣(Cr2O38％～10％，F(xiàn)eO2％～3ï¼…)的反應(yÄ«ng)包內(nèi)(添加粉狀鉻礦是抑制反應(yÄ«ng)速度)。得到中間合金(Cr50％～55％，Si24％～29％，C≤0.025ï¼…)和廢渣。廢渣倒入另一空包和錠模，作掛渣處理備用。②鉻礦、石灰熔渣排入另一反應(yÄ«ng)包。③將①的中間合金兌入，得到合金成分為Cr>65％，Si<2.5％，而爐渣含Cr2O312％～15％的反應(yÄ«ng)包中。④將這一包熔體倒入另一反應(yÄ«ng)包，使反應(yÄ«ng)完全。得到微碳鉻鐵合金成分為：Cr>72.0％、Si0.75％、C0.025％。和中間渣含Cr2O36％～8％。⑤微碳鉻鐵倒入鐵水包。⑥送去鑄錠。⑦將④的中間渣的反應(yÄ«ng)包送硅鉻鐵電爐，接受硅鉻合金。開始下一冶煉周期。全部用液態(tài)硅鉻鐵合金時，鉻鐵含C≤0.025％；如添加部分冷硅鉻合金時，含Cç´„0.035％。爐渣的摩爾堿度(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)為2.1～2.3。鉻的回收率為89％～93％。硅利用率約90％。低碳鉻鐵總電耗為3400～3500kW&#8226;h／t。
 
由于不銹鋼生產(chǎn)要求微碳鉻鐵含氮量低于0.012％，而波倫法生產(chǎn)經(jīng)過多次倒包，鐵液與空氣接觸，含氮可達0.1％，迫使對波倫法作進一步改進。后已改為在一個反應(yīng)包內(nèi)用底吹氬氣攪拌硅鉻合金與熔渣生產(chǎn)微碳鉻鐵。這一改進的優(yōu)點是鉻鐵含氮量降低；熱利用率提高，可以直接加入部分礦石和石灰，降低了生產(chǎn)電耗；生產(chǎn)調(diào)度比較容易。缺點是渣中含Cr2O3較高，鉻回收率降低；同時微碳鉻鐵的含硅量有波動。
 
真空固態(tài)脫碳法用高碳鉻鐵做原料，添加部分氧化的高碳鉻鐵作氧化劑。于真空中在低于合金熔點的溫度下，碳氧反應(yīng)脫碳。這種方法的特點是反應(yīng)溫度低；產(chǎn)品含碳低；工作環(huán)境好；鉻回收率高；不添加熔劑和耐火材料消耗小等。缺點是產(chǎn)品孔隙大，密度小。
 
中國吉林鐵合金廠的6000kVA真空電阻爐長15m，直徑3.6m，內(nèi)砌高鋁磚。用12根直徑90mm的石墨棒做發(fā)熱體。爐體結(jié)構(gòu)切面見圖17。用四臺以塞柱泵為前級泵，羅茨泵為增壓泵的真空機組。高碳鉻鐵用球磨機磨細至90％通過100目。部分高碳鉻鐵在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)于1050～1100℃，氧化焙燒使含氧約10％。根據(jù)碳氧平衡計算，將部分氧化的鉻鐵粉與高碳鉻鐵粉混合。添加水玻璃，壓成磚狀塊。經(jīng)干燥后放在托盤上裝入爐內(nèi)。啟動真空機組，將爐內(nèi)抽空至壓力<70Pa時送電升溫。爐內(nèi)溫度在1000℃左右時，脫碳反應(yīng)開始。冶煉溫度制度分為兩階段。第1階段將爐溫迅速升至1300～1400℃，第2階段保持在1400～1500℃。冶煉期間料塊表面溫度和爐內(nèi)壓力變化見圖18。當(dāng)爐內(nèi)
 
壓力下降至<70Pa時，則反應(yīng)結(jié)束。停電冷卻。冷卻時間約20h。當(dāng)溫度下降至400℃以下時即可出爐。產(chǎn)出鉻鐵含Cr約72％，C0.001％～0.008％，Si約1.0％。生產(chǎn)1t真空微碳鉻鐵消耗1.1t高碳鉻鐵，電能3900～4000kW&#8226;h。鉻回收率91％～92％。
 
含氮鉻鐵生產(chǎn)工藝含氮鉻鐵是不銹鋼和含氮結(jié)構(gòu)鋼用的氮添加劑。含C<0.10％，Cr約60％。含氮鉻鐵有兩種：一種為熔化態(tài)，是往液態(tài)鉻鐵中通氮制成的含N22％～4％；另一種為燒結(jié)態(tài)，是用固態(tài)鉻鐵粉滲氮制成的，呈粉末燒結(jié)狀，含N24％～10％。燒結(jié)態(tài)含氮鉻鐵可在真空電阻爐內(nèi)制造。第1步用真空固態(tài)脫碳法制得多孔的低碳鉻鐵，當(dāng)脫碳反應(yīng)結(jié)束后停電，立即往爐內(nèi)通氮氣(不通電加熱)滲氮，即可制得含氮鉻鐵。當(dāng)爐內(nèi)壓力上升至1大氣壓時，滲氮即告完成。在400kVA真空電阻爐內(nèi)生產(chǎn)含氮鉻鐵，充氮時氮氣壓力為2kg，／cm2，時間為2～2.5h。當(dāng)爐內(nèi)溫度下降至400～500℃時出爐。制得的含氮鉻鐵成分為：Cr60％～65％，N25％～6.5％，C0.02～0.06％，Si0.7～1.5％。生產(chǎn)1t含氮鉻鐵消耗高碳鉻鐵1.1～1.2t，電能4300～5100kWh，氮氣55～60m3。
 
 

 

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