鉻是生產(chǎn)不銹鋼的重要原料，那么高碳鉻鐵的冶煉工藝與原理是什么呢？

無錫不銹鋼板、無錫不銹鋼管廠家無錫漢能不銹鋼2020年10月21日訊  鉻鐵是生產(chǎn)不銹鋼的最重要的原料，主要應(yīng)用于生產(chǎn)不銹鋼、滾珠軸承鋼、工具鋼、滲氮鋼、熱強(qiáng)鋼、調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼和耐氫鋼，這是由于鉻在不銹鋼中的起決定作用，決定不銹鋼性屬的元素只有一種，這就是鉻，每種不銹鋼都一定含有一定數(shù)量的鉻。

高碳鉻鐵的冶煉工藝與原理

一、礦熱爐：

高碳鉻鐵的生產(chǎn)方法有電爐法、豎爐（高爐）法、等離子法和熔融還原法。豎爐法現(xiàn)在只生產(chǎn)低鉻合金（Cr<30％），較高鉻含量（例如Cr>60％）的豎爐法生產(chǎn)工藝尚處在研究階段；后兩種方法是正在探索中的新興工藝；因此，絕大多數(shù)的商品高碳鉻鐵和再制鉻鐵均采用電爐（礦熱爐）法生產(chǎn)。電爐冶煉具有以下特點(diǎn)：

（1）電爐使用電這種最清潔的能源。其他能源如煤、焦炭、原油、天然氣等都不可避免地將伴生的雜質(zhì)元素帶入冶金過程。只有采用電爐才能生產(chǎn)最清潔的合金。

（2）電是唯一能獲得任意高溫條件的能源。

（3）電爐容易實(shí)現(xiàn)還原、精煉、氮化等各種冶金反應(yīng)要求的氧分壓、氮分壓等熱力學(xué)條件。

1.1主要技術(shù)參數(shù)：

根據(jù)生產(chǎn)的品種和年產(chǎn)量，首先確定爐用變壓器的額定容量，選擇變壓器的類型（三相或三臺單相）、工作電壓和工作電流。然后確定電爐的幾何參數(shù)，包括電極直徑，電極極心圓直徑（或電極中心距），爐膛直徑，爐膛深度，護(hù)殼直徑，爐完高度等。所有這些參數(shù)，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式計算，并參照國內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行選定。部分冶煉高碳鉻鐵的還原電爐主要技術(shù)參數(shù)列于表1。

表1部分還原電爐主要技術(shù)參數(shù)

變壓器容量/KVA使用電壓/V電極直徑/mm極心圓直徑/mm爐膛直徑/mm爐膛深度/mm

270093.5500115028001700

8000138870225065002700

9000148.59002300-250045002100

1250015810002300-250049002100

12500120-168?19級10202600±5060002300

250002201300330077002500

1.2組成結(jié)構(gòu)：

埋弧式還原電爐由爐體、供電系統(tǒng)、電極系統(tǒng)、煙罩（或爐蓋）、加料系統(tǒng)、檢測和控制系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)等組成。

二、工藝流程：

2.1原料的選?。?/span>

冶煉高碳烙鐵的原料有鉻礦、焦炭和硅石。其中焦炭以及硅石作為還原劑。

（1）鉻礦：

世界鉻鐵礦礦床主要分布在東非大裂谷礦帶、歐亞界山烏拉爾礦帶、阿爾卑斯—喜馬拉雅礦帶和環(huán)太平洋礦帶。近南北向褶皺帶中的鉻鐵礦資源量，占世界總量的90％以上。其中南非、哈薩克斯坦和津巴布韋占世界已探明鉻鐵礦總儲量的85％以上，占儲量基礎(chǔ)的90％以上，僅南非就占去了約3/4的儲量基礎(chǔ)。

①選礦原則：由于鉻是用途最多的金屬，而且在“戰(zhàn)略金屬”中列第一位。當(dāng)今世界擁有鉻礦資源的國家或資源缺乏的國家，都在加緊鉻礦石選礦的研究，其選別方法有：

1）重選：如跳汰、搖床、螺旋溜槽、重介質(zhì)旋流器等。

2）磁電選：包括高強(qiáng)場磁選、高壓電選。

3）浮選和絮凝浮選。

4）聯(lián)合選：如重選—電選。

5）化學(xué)選礦：處理極細(xì)粒難選貧鉻礦。

在上述鉻礦選礦方法中，生產(chǎn)上主要采用重選方法，常采用搖床和跳汰選別。有時重選精礦用弱滋選或強(qiáng)磁選再選，進(jìn)一步提高鉻精礦石的品位和鉻鐵比。

②鉻礦搭配原則：在高碳鉻鐵的實(shí)際生產(chǎn)中往往需要選擇合適的礦種搭配以及搭配比例。鉻礦搭配的原則主要有:

1）合適的鉻鐵比（Cr2o3/∑FeO）。一般來說，冶煉含鉻量大于50％的合金要求入爐綜合礦的Cr2o3/∑FeO比值大于2.0；而冶煉含鉻量大于60％的合金要求此比值大于2.6。

2）合適的MgO/Al2o3比值。它不但影響熔渣的導(dǎo)電性能和還原性能，而且影響合金的含碳盤。在實(shí)際生產(chǎn)中，使用MgO/Al2o3，比值偏低的鉻礦需配足量的焦炭，以增加焦炭層的厚度，一方面是為了保證爐底不易損壞，另一方面也是為了增加未還原礦核在焦炭層的滯留時間。減少渣中跑鉻。

3）合適的塊度搭配。單獨(dú)使用粉礦時，易造成粉礦燒結(jié)，使料面透氣性變差，嚴(yán)重破壞了冶煉氣氛；使用塊度大的鉻礦易增加精煉層厚度，造成合金含碳量偏低。

4）合適的熔化性能。單純使用易熔鉻礦會造成成渣過早，使熔化速度快于還原速度，易造成渣中跑鉻高現(xiàn)象;單純使用難熔鉻礦會增厚精煉層，出現(xiàn)大量未還原礦核以及合金含碳量偏低等現(xiàn)象，給正常冶煉帶來了很大的困難。合理搭配鉻礦使熔渣有合理的熔點(diǎn)，對改善經(jīng)濟(jì)指標(biāo)非常重要。

（2）還原劑：

在合金生產(chǎn)中，使用最為普遍的是最便宜的一種還原劑-冶金焦“碎塊”（高爐用焦經(jīng)篩選后的篩下焦）。由于煉焦用煤的質(zhì)量及焦化廠生產(chǎn)焦炭的條件不同，碎焦塊的質(zhì)量也各異．但是它們有一個共同的缺點(diǎn)，就是電阻不高，反應(yīng)性能欠佳，灰分和硫、磷的含量較高，同時水分含量也較高，而且還不穩(wěn)定。

焦炭中含有的硫主要是有機(jī)琉及大量的硫化物，還有少量的硫酸鹽和極少量以碳中固溶體狀態(tài)存在的元素硫。焦炭的磷含量也各不相同。焦塊具有海綿狀組織，并有大量的裂紋，其氣孔率波動于35％-55％范圍內(nèi)，焦炭的視密度為0.8-1t/m3。

焦炭的性質(zhì)依其塊度不同而變化，如表2所示。

表2焦炭性質(zhì)隨塊度變化情況

塊度/mm25--5013--256--136

含量/％揮發(fā)分2.02.54.06.0

灰分6.06.58.010.0

固定碳92.091.088.084.0

塊度為25-40mm的焦塊的電阻比焦粒（10-25mm）低10％-15％。生產(chǎn)鐵合金用焦炭在破碎時產(chǎn)生的粉末量應(yīng)盡量少，這一點(diǎn)是非常重要的，而且灰分成分應(yīng)盡可能有利于所煉的鐵合金品種。

2.2原料的處理：

2.2.1原料的質(zhì)量要求：

A原料的品位和純潔度：冶煉要求原料盡可能高的品位。純潔度高的原料可以取得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低消耗的效果

B原料中的有害雜質(zhì)：原料中的雜質(zhì)以硫磷最為有害，因?yàn)樗鼈冞M(jìn)入鉻鐵合金后，最終將影響鋼和鋼材的質(zhì)量。

C原料的粒度：原料粒度是否合適對冶煉進(jìn)程是有很大的影響。原料粒度過大會造成不易熔化，還原因難，導(dǎo)電性增加，使渣量增大，爐況惡化，冶煉的各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變壞。但如原料粒度過小，粉末多，則會使?fàn)t料的透氣性不好，電極周圍壓力大，造成刺火。而且粉末料易熔化，會使上層爐科燒結(jié)而懸料，導(dǎo)致塌料，其結(jié)果是電極不穩(wěn)，刺火塌料頻繁，未還原料直接進(jìn)入坩堝，同樣會使技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)變壞。因此對礦熱爐的原料粒度應(yīng)有嚴(yán)格的要求。

鉻礦中Cr2o3＞40％，Cr2o3/ΣFeO＞2.5，s＜0.05％，P＜0.07％，MgO和Al2o3含量不能過高；粒度10—70mm，如系難熔礦，粒度應(yīng)適當(dāng)小些。

焦炭要求含固定炭不小于84％，灰分小于15％，S＜0．6％，粒度3—20mm。

硅石要求含SiO97％，Al2o3＜1．o％，熱穩(wěn)定性能好，不帶泥土，粒度20一80mm。

2.2.2原料的干燥：

A原料的干燥也很重要，特別是焦炭更需干燥。因?yàn)槭褂脻窠褂幸韵聨追矫嫒秉c(diǎn)：

（1）焦炭孔隙度大，故吸水性很強(qiáng)。焦炭中水分的波動，首先影響到爐料中固定炭配比的準(zhǔn)確性，其次水分的蒸發(fā)也消耗熱量。特別當(dāng)塌料時，濕料直接進(jìn)入坩堝區(qū)，吸收大量的熱，使耗電量增加。上述因素直接影響爐況的穩(wěn)定性，造成操作困難，產(chǎn)量下降，單位電耗增加。

（2）濕焦破碎后，其粉末常把篩孔堵塞或使篩孔變小，結(jié)果焦末篩不下來，使焦炭中粉末增多。

（3）濕焦炭裝入到閉爐，易使料管堵塞產(chǎn)生懸料，當(dāng)料崩塌時，會帶入空氣，爐內(nèi)壓力迅速增高，有可能產(chǎn)生爆炸事故。

干燥焦炭可用轉(zhuǎn)簡干燥機(jī)。轉(zhuǎn)筒干燥機(jī)的直徑為1.5m；長12m，通入轉(zhuǎn)筒的熱風(fēng)溫度為200℃，這種干燥機(jī)每小時每立方米容積能蒸發(fā)水分24kg。

2.2.3破碎與篩分：

由于入護(hù)的原料有一定的粒度規(guī)格，而使用直接從礦山開采遠(yuǎn)來的礦石往往不能滿足這個要求，因此必須先進(jìn)行破碎篩分達(dá)到所規(guī)定的粒度才能入爐使用。

目前，破碎鉻礦和硅石的設(shè)備大多使用顎式破碎機(jī)。礦石在不動顎板和可動顎板之間進(jìn)行破碎．偏心軸旋轉(zhuǎn)時，通過連桿與推扳使可動顎板作前后往復(fù)運(yùn)動，達(dá)到壓礦排礦的目的。

礦熱護(hù)要求焦炭的粒度比礦石小。對冶煉要求小粒度的原料或焦炭可采用對輥破碎機(jī)破碎。對輥破碎機(jī)由鑄鐵機(jī)架和一組互相對滾的水平軸組成，對輥的輥面是乎的，也可以有一條寬為15-20mm，深4-5mm的小槽。對輥為硬面鑄鐵件，其質(zhì)量好壞影響其使用壽命，質(zhì)量好的對輥一般使用3個月。對輥破碎機(jī)的碎礦比一般為3-4。

2.2.4原料的輸送與稱量：

原料破碎后，再篩分，經(jīng)過稱量配料，送到爐頂料倉，通過料管加入爐或送至加料平臺。

上料（即原料的輸送）設(shè)備與稱量必須簡單可靠，目前采用的上料方式有以下兩種：

一種是用皮帶運(yùn)輸機(jī)將料達(dá)到料倉，然后按配料比在配料車（又稱作稱量車）將料配好卸人爐頂料倉。配料車上裝有可開式料斗和稱料用的彈簧秤，配料車掛在電葫蘆上。電葫蘆沿著爐子周圍的單軌運(yùn)行，配料工借電鈕裝置開動料倉的給料機(jī)，依次將爐料按要求配比稱好，送至一定的料倉。

另一種上料方式是用上料小車沿斜橋?qū)t科送到爐頂平臺。上料小車在原料倉，用杠桿式秤配料，配好的爐料卸入上料小車，然后用卷揚(yáng)機(jī)從斜橋把爐料運(yùn)到爐頂平臺上，再用小車把料推到爐頂料倉。在用手工加料的小電爐上，配好的爐料直接送到加科平臺上。配料時，稱量的準(zhǔn)確度要求達(dá)到5kg。

爐料的混合是靠下料和倒運(yùn)時進(jìn)行的。所以在稱量時，應(yīng)當(dāng)把密度較小的料配在底部，以便下料時達(dá)到混合均勻的目的。

2.2.5原料的預(yù)處理：

為降低高碳鉻鐵生產(chǎn)設(shè)備的造價，各廠都趨向使用大型還原封閉電爐，這些電爐必須使用硬塊鉻鐵礦。由于硬塊鉻鐵礦供應(yīng)困難，這就迫使各廠使用價廉的碎鉻鐵礦和粉礦，但這類礦必須經(jīng)過預(yù)處理才能人爐。因此鉻礦粉的預(yù)處理是鉻鐵生產(chǎn)廠的重要環(huán)節(jié)：

造球工藝：鉻礦資源中塊礦只占總量的20％，其余80％是粉礦。有相當(dāng)一部分鉻礦居于易碎礦石，在開采和貯存過程中極易碎裂成細(xì)小的顆粒。即使強(qiáng)度高的塊礦在加工過程也產(chǎn)生大量的細(xì)粉。粉礦直接入爐不僅會造成大量有用元素隨爐渣和爐氣流失，還會直接威脅電爐的運(yùn)行安全。此外，生產(chǎn)過程產(chǎn)生的大量粉塵也需要造塊處理。目前球團(tuán)和造塊工藝已經(jīng)成為鉻鐵生產(chǎn)工藝流程的重要組成部分，主要球團(tuán)生產(chǎn)工藝有冷壓塊（又稱冷固結(jié)球團(tuán)）、熱壓塊、蒸汽養(yǎng)生球團(tuán)、碳酸化球團(tuán)、燒結(jié)球團(tuán)、預(yù)還原球團(tuán)等。常用造球設(shè)備有壓塊機(jī)、圓筒造球機(jī)、因盤造球機(jī)等。

焙燒工藝過程：原料礦石中通常含有大量的高價氧化物、化合水、碳酸鹽和硫化物。焙燒是在適當(dāng)溫度和氣氛條件下，使礦石發(fā)生脫水、分解、氧化、還原過程，改善入爐礦石的物理性質(zhì)和化學(xué)組成。

燒結(jié)工藝：燒結(jié)是利用礦石出現(xiàn)熔化或礦石與焙劑之間的固—固反應(yīng)產(chǎn)生液相來潤濕和粘結(jié)礦石顆粒，冷卻后形成多孔的具有足夠強(qiáng)度的燒結(jié)礦的工藝過程。燒結(jié)過程是物質(zhì)表面能降低的過程。粉礦具有較高的分散度，其比表面積大于相同質(zhì)量的塊礦。燒結(jié)后的礦物表面積減少，體系的自由能ΔG降低。這是—個自發(fā)進(jìn)行的過程。

2.3高碳鉻鐵的冶煉

2.3.1冶煉基本原理

電爐法冶煉高碳鉻鐵的基本原理是在電弧加熱的高溫區(qū)用碳還原鉻礦中鉻和鐵的氧化物．稱為電碳熱法。埋弧還原電爐是電爐的一種，在鉻鐵生產(chǎn)中用于對礦石等爐料進(jìn)行還原熔煉。其持點(diǎn)是正常熔煉過程中電弧始終埋在爐料之中。

按爐口形式分為高煙罩敞口式、矮煙罩敞口式（將高煙罩降低后，短網(wǎng)由煙罩上部引入的一種改進(jìn)型）、半封閉式和封閉式4種（見下圖3）。前兩種為早期使用的形式，日趨淘汰。目前廣泛采用的是半封閉式和封閉式。

其中半封閉式還原電爐應(yīng)用最廣，這種電爐（特別是中、小型的）便于觀察和調(diào)整爐況，可適應(yīng)不同原料條件，有利于改煉品種。電爐煙罩多為矮煙罩演變而成的半封閉罩，通常在其側(cè)部設(shè)置若干個可調(diào)節(jié)啟閉度的爐門，以便既可在需要加料、搗爐操作時開啟，又可按要求控制進(jìn)風(fēng)量，調(diào)節(jié)爐氣溫度，實(shí)現(xiàn)煙氣除塵甚至余熱利用。封閉式還原電爐，亦即帶爐蓋的密閉電爐，爐內(nèi)產(chǎn)生的煤氣由導(dǎo)管引出，再經(jīng)凈化處理后可回收利用。為便于操作檢修，并保證安全運(yùn)行，封閉電爐爐蓋上設(shè)置若干個帶蓋的窺視、檢修和防爆孔。這類電爐操作和控制技術(shù)要求較高。圖2所示則為全封閉式還原電爐冶煉車間剖面圖，主要由配料站、主廠房及輔助設(shè)施等組成。