铁合金冶炼技术.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除铁合金冶炼技术学院冶金与材料工程学院第1章 绪 论61.1 铁合金的定义、用途及分类61.2 铁合金生产的主要方法71.3 铁合金生产的历史、现状及其发展趋向12第2章 铁合金冶炼的基本原理192.1铁合金冶炼的一般理论192.2碳热还原法202.3精炼法262.4金属热还原法272.5转炉吹氧法冶炼中、低碳合金原理282.6 选择性还原292.7 有关冶金炉渣30第3章 耐火材料及电极材料353.1 耐火材料的分类、性能及其选择原则353.2铁合金生产常用耐火材料413.3 电极44第4章 硅铁及硅合金544.1 硅及其化合物的物理化学性质544.1.2硅的化学性质544.1.3硅化铁544.2 硅铁的牌号和用途554.3冶炼硅铁的原料564.4硅铁冶炼方法及基本原理594.5 硅铁冶炼工艺操作604. 6配料计算62第5章 硅钙合金645.1硅钙合金牌号及用途645.2钙及其化合物的物理化学性质645.3硅钙合金冶炼原理与方法655.4一步法冶炼硅钙合金665.5配料计算68第6章 高炉锰铁716.1锰及其化合物的物理化学性质716.2高炉锰铁牌号及用途726.3高炉锰铁冶炼原理73高炉锰铁的冶炼是以碳作发热剂和还原剂，在高炉中将锰和铁的氧化736.4高炉锰铁冶炼用的原料766. 5高炉锰铁冶炼操作776. 6高炉冶炼行程调节和特殊炉况处理796.7高炉锰铁生产技术的发展81第7章 电炉高碳锰铁857. 1电炉高碳锰铁牌号及用途857.2电炉法生产高碳锰铁及其冶炼原理857.3电炉法生产高碳锰铁的工艺及操作877.3.2冶炼工艺操作887.4配料计算927.5电炉高碳锰铁生产技术的发展93第8章 高碳铬铁958.1高碳铬铁牌号及用途958.2铬及其化合物的物理化学性质958.3高碳铬铁的冶炼工艺与原理968.4高碳铬铁冶炼操作978.5配料计算100第9章 硅铬合金1039.1硅铬合金牌号及用途1039.2硅铬合金的性质1039.3硅铬合金冶炼工艺及原理1039.4配料计算107第10章 中低碳铬铁11010.1中低碳铬铁牌号及用途11010.2中低碳铬铁冶炼方法11010.3氧气吹炼中低碳铬铁11110.4电硅热法冶炼中低碳铬铁113第11章 微碳铬铁11811.1微碳铬铁牌号及用途11811.2电硅热法冶炼微碳铬铁11811.3热兑法冶炼微碳铬铁123第12章 真空法微碳铬铁13212.1真空法微碳铬铁牌号及用途13212.2真空法微碳铬铁冶炼原理13212.3真空法微碳铬铁冶炼的原料13312.4真空法微碳铬铁冶炼设备13412.5真空法微碳铬铁冶炼操作134第13章 金属铬13613.1金属铬牌号及用途13613.2金属铬制取方法13613.3铝热法生产金属铬136第14章 电解铬14414.1电解铬化学成分14414.2电解铬的生产工艺及操作144第15章 氮化铬铁14715.1氮化铬铁牌号及用途14715.2氮化铬铁的冶炼工艺147第16章 钨 铁14816.1钨的发展简史14816.2钨铁牌号及用途14816.3钨及其化合物的物理化学性质14816.4钨铁冶炼原理14916.5取铁法生产钨铁15016.6积块法生产钨铁15416.7炉外法生产钨铁15516.8国外钨铁生产155第17章钼铁15717.1钼的发展简史15717.2钼铁牌号及用途15717.3钼及其化合物的物理化学性质15817.4钼精矿的氧化焙烧15917.5氧化钼块和钨钼块的生产16317.6钼铁冶炼原理16417.7炉外法生产钼铁16517.8碳热法生产钼铁17117.9等离子炉冶炼钼铁17117.10国外钼铁生产概况171第18章钒铁17318.1钒的发展简史17318.2钒铁牌号及用途17318.3钒及其化合物的主要物理化学性质17418.4五氧化二钒的制取17418.5钒铁的生产方法18318.6 钒铁的冶炼基本原理18318.7电硅热法生产钒铁18418.8铝热法生产钒铁19018.9 硅钒合金的生产19218.10用钒渣直接冶炼钒铁192第19章钛铁19419.1钛的发展简史19419.2钛铁牌号及用途19419.3钛及其化合物的物理化学性质19419.4钛铁冶炼的原材料19519.5钛铁冶炼原理19519.6铝热法生产30%钛铁19619.7 40%钛铁的生产20219.8高钛铁的生产20319.9低铝钛铁的生产20319.10电铝热法生产钛铁20419.11高钛渣的生产20519.12铝粒的制备207第20章 硼 铁20820. 1硼铁牌号及用途20820.2硼及其化合物的物理化学性质20820.3 硼铁冶炼的原材料20920.4硼铁冶炼方法及其基本原理21120.5铝热法生产硼铁21220.6电炉法生产硼铁21720.7积块法生产硼铁21820.8铝热法生产镍硼合金218第21章 磷 铁22021.1磷铁牌号及用途22021.2磷及其化合物的物理化学性质22021.3磷铁冶炼的原材料22121.4配料计算22221.5磷铁冶炼原理22321.6磷铁冶炼工艺及操作22321.7黄磷回收与磷酸制取225第22章 铌铁22722.1铌铁牌号及用途22722.2铌及其化合物的物理化学性质22722.3含铌矿物及铌矿22822.4铌铁冶炼原理22922.5铝热法生产铌铁230第23章锆 铁23123.1锆铁牌号及用途23123.2锆及其化合物的物理化学性质23123. 3锆铁冶炼原理23223.4锆矿23323.5锆合金的生产233第24章 镍铁和金属镍23624.1镍铁牌号及用途23624.2镍及其化合物的主要物理化学性质23724.3镍铁和金属镍的生产238第25章钴铁和金属钴24125.1钴铁牌号及用途24125.2钴及其化合物的物理化学性质24225.3钴铁和金属钴的生产243第26章 稀土铁合金24726.1稀土铁合金牌号及用途24726.2稀土元素及稀土化合物的物理化学性质24826.3稀土矿物和含稀土原料25126.4稀土铁合金生产方法25126.5稀土铁合金冶炼原理25226.6电硅热法生产稀土硅铁合金25326.7碳还原法生产稀土硅铁合金25526.8稀土硅铁镁合金生产255第27章多元铁合金25627.1硅钡合金25627.2硅铝合金25827.3硅钙钡合金25927.4硅钡铝合金26027.5硅钙钡铝合金261第1章 绪 论1.1 铁合金的定义、用途及分类1.1.1 铁合金的定义铁合金是由一种或两种以上的金属或非金属元素与铁元素组成的，并作为钢铁和铸造业的脱氧剂、脱硫剂和合金添加剂等的合金。例如硅铁是硅与铁的合金；锰铁是锰与铁的合金；硅钙合金是硅与钙组成的合金。就生产方法与用途而言，铁合金还包括含铁极低的锰、铬、钒及工业硅等合金金属。1.1.2 铁合金的用途铁合金是钢铁工业和机械铸造行业必不可少的重要原料之一，其主要用途：一是作为脱氧剂，消除钢液中过量的氧；二是作为合金元素添加剂，改善钢的质量与性能。随着我国钢铁工业持续、快速地发展，钢的品种、质量的不断扩大和提高，对铁合金产品提出了更高要求，铁合金工业日益成为钢铁工业的相关技术和配套工程。下面概述它们的用途：（1）用作脱氧剂。炼钢过程是用吹氧或加入氧化剂的方法使铁水进行脱碳及去除磷、硫等有害杂质的过程。这一过程的进行，虽然使生铁炼成钢，但钢液中的O含量增加了。O在钢液中一般以FeO的形式存在。如果不将残留在钢中多余的氧去除，就不能浇铸成合格的钢坯，得不到力学性能良好的钢材。为此，需要添加一些与氧结合力比铁更强，并且其氧化物易于从钢液中排除进入炉渣的元素，把钢液中的O去掉，这个过程叫脱氧。用于脱氧的合金叫脱氧剂。钢水中各种元素对氧的结合强度，即脱氧能力，从弱到强的顺序如下：铬、锰、碳、硅、钒、钛、硼、铝、锆、钙。因而，一般炼钢脱氧常用的是由硅、锰、铝、钙组成的铁合金。（2）用作合金剂。合金钢中因其含有不同的合金元素而具有不同的性能。钢中合金元素的含量是通过加入铁合金的方法来调整的。用于调整钢中合金元素含量的铁合金叫合金剂。常用的合金剂有硅、锰、铬、钼、钒、钨、钛、钴、镍、硼、铌、锆等铁合金 。（3）用作铸造晶核孕育剂。改善铸铁和铸钢的性能的措施之一是改变铸件的凝固条件。为了改变凝固条件，通常在浇注前加入某些铁合金作为晶核，形成晶粒中心，使形成的石墨变得细小分散，晶粒细化，从而提高铸件的性能。（4）用作还原剂。硅合金分别用作生产钼铁、钒铁等其他铁合金时的还原剂；硅铬合金、锰硅合金分别用作中低碳锰铁生产的还原剂。（5）其他方面的用途。在有色冶金和化学工业中，铁合金也越来越被广泛地使用。例如，中低碳锰铁用于生产电焊条；硅铝合金用于生产硅铝明中间合金；铬铁用作生产铬化物和镀铬的阳极材料，有些铁合金用作生产耐高温材料。1.1.3 铁合金产品的分类随着现代科学技术的发展，各个行业对钢材的品种、性能的要求越来越高，从而对铁合金也提出了更高的要求。铁合金的品种在不断地扩大，铁合金的品种繁多，分类方法也多。一般按下列方法分类：（l）按铁合金中主元素分类，主要有硅、锰、铬、钒、钛、钨、钼等系列铁合金。（2）按铁合金中含碳量分类，有高碳、中碳、低碳、微碳、超微碳等品种。（3）按生产方法分类，有高炉铁合金，包括高炉高碳锰铁、低硅锰合金、低硅铁等；电炉铁合金，包括高碳锰铁、高碳铬铁、硅铁、锰硅合金、硅铬合金、硅铝合金、硅钙合金、磷铁、中低碳和微碳铬铁、中低碳锰铁、精炼钒铁等；炉外法（金属热法）铁合金，包括金属铬、钼铁、钛铁、硼铁、钒铁、锆铁、高钒铁、钨铁等；真空固态还原法铁合金，包括超微碳真空铬铁、氮化铬铁、氮化锰铁等；转炉铁合金，包括转炉中碳铬铁，转炉低碳铬铁、转炉中碳锰铁等；电解法铁合金，包括电解金属铬、电解金属锰等。此外，还有氧化物压块与发热铁合金等特殊铁合金。（4）含有两种或两种以上合金元素的多元铁合金，主要品种有硅铝合金、硅钙合金、硅钙铝合金、硅钙钡合金、锰硅铝合金、硅铝钡钙合金。.1.2 铁合金生产的主要方法铁合金的生产方法很多，其中大部分铁合金产品是采用火法冶金生产的。根据使用的冶炼设备、操作方法和热量来源，主要有以下几种（详见表l1所示）。1.2.1 按使用的设备分类根据使用的设备可分为高炉法、电炉法、炉外法、转炉法及真空电阻炉法。1.2.1.1 高炉法高炉法所使用的主体设备为高炉。高炉法是最早采用的铁合金生产方法。高炉法冶炼铁合金和高炉冶炼生铁基本相同。目前主要是生产高炉高碳锰铁。高炉锰铁生产主要原料为锰矿、焦炭和熔剂以及助燃的空气或富氧。把原料从炉顶装入炉内，高温空气或富氧经风口鼓入炉内，使焦炭燃烧获得高温及还原气体对矿石进行还原反应，熔化了的炉渣、金属积聚在炉底，通过渣口、出铁口定时出渣、出铁。随着炉料的熔化、反应和排出，再不断加入新炉料，生产是连续进行的。高炉法生产铁合金，具有劳动生产率高，成本低等优点。但鉴于高炉炉缸温度的局限性。以及高炉冶炼条件下金属被碳充分饱和。因此高炉法一般只用于生产易还原元素铁合金和低品位铁合金，如高碳锰铁、低硅铁、低硅锰、镍铁及富锰渣。表1-1 铁合金生产方法的分类根据设备根据还原法根据操作方法产品电炉法碳还原法埋弧电炉法高碳锰铁、硅锰合金、硅铁、工业硅、硅钙合金、高碳铬铁、硅铬合金、高碳镍铁、磷铁电弧炉法钨铁、高碳钼铁、高碳钒铁硅还原法金属热还原法电弧炉钢包冶炼法中、低碳锰铁及中、低、微碳铬铁铝热法铝还原法铝热法（包括铝硅或硅发热剂与电炉并用）钒铁、铌铁、金属铬、低碳钼铁、硼铁、硅锆铁、钛铁、钨铁其它电解法电解还原法电解金属锰、电解金属铬转炉法氧气吹炼中、低碳铬铁及中、低锰铁感应炉法熔融钛铁、硅铝钡、硅铝钡钙真空加热法真空固体脱碳法微碳铬铁、氮化铬、氮化锰高炉法碳还原法高碳铬铁、高碳锰铁、镜铁团矿法氧化物团矿（钼、钒）、发热型铁合金、氮化铁合金（用真空加热炉）熔融还原法碳还原法等离子炉法碳还原法1.2.1.2 电炉法电炉法是生产铁合金的主要方法，其产量约占全部铁合金产量的4/5，所使用的主体设备为电炉。电炉主要分为还原电炉（矿热炉）和精炼炉两种：（l）还原电炉（矿热炉）法。还原电炉法是以碳作还原剂还原矿石生产铁合金的。炉料加入炉内并将电极插埋于炉料中，依靠电弧和电流通过炉料而产生的电阻电弧热，进行理弧还原冶炼操作。熔化的金属和熔渣集聚在炉底并通过出铁口定时出铁出渣，生产过程是连续进行的。用此方法生产的品种主要有硅铁、硅钙合金、工业硅、高碳锰铁、硅锰合金、高碳铬铁、硅铬合金等。（2）精炼炉（电弧炉）法。精炼炉法是用硅（硅质合金）合金产品的，依靠电弧热和硅氧反应热进行冶炼。炉料从炉顶或炉门加入炉内，整个冶炼过程分为引弧、加料、熔化、精炼和出铁等五道工序，生产是间歇进行的。主要生产品种有：中、低碳锰铁，中、低、微碳铬铁及钒铁等。l.2.1.3 炉外法（金属热法）炉外法是用硅、铝或铝镁合金作还原剂，依靠还原反应产生的化学热来进行冶炼的，所使用的主体设备为筒式熔炉。使用的原料有精矿、还原剂、熔剂、发热剂以及钢屑、铁矿石等。生产的主要品种有钼铁、钛铁、硼铁、铌铁、钨铁、高钒铁及金属铬等。1.2.1.4 氧气转炉法氧气转炉法使用的主体设备为转炉，按其供氧方式，有顶、底、侧吹和顶底复合吹炼法。使用的原料是液态高碳铁合金、纯氧、冷却剂及造渣材料等。将液态高碳铁合金对入转炉，高压氧气经氧枪通入炉内吹炼，依靠氧化反应放出的热量脱碳，生产是间歇进行的。生产的主要品种有中低碳铬铁、中低碳锰铁等。氧气转炉法使用的主体设备为转炉，按其供氧方式，有顶、底、侧吹和顶底复合吹炼法。使用的原料是液态高碳铁合金、纯氧、冷却剂及造渣料等。将液态高碳铁合金对入转炉。高压氧气经氧枪通入炉内吹炼，依靠氧化反应放出的热量脱碳，生产是间歇进行的。生产的主要品种有中低碳铬铁、中低碳锰铁等。1.2.1.5 真空电阻炉法生产含碳量极低的微碳铬铁、氮化铬铁、氮化锰铁等产品时采用真空电阻炉法，其主体设备为真空电阻炉。真空炉法的脱碳反应是在真空固态条件下进行的，冶炼时将压制成形的块料装入炉内，依靠电流通过电极时的电阻热加热，同时真空抽气，生产是间歇进行的。1.2.1.6 中频炉冶炼法中间合金重熔生产稀土硅镁合金，高钛铁。1.2.2 按热量来源分类根据热量来源的不同分为碳热法、电热法、电硅热法、金属热法。（l）碳热法。碳热法的冶炼过程的热源主要是焦炭的燃烧热，使用焦炭作还原剂，还原矿石中的氧化物，采用此方法的生产是在高炉中连续进行的。（2）电热法。电热法的冶炼过程的热源主要是电能，使用碳质还原剂还原矿石中的氧化，采用连续式的操作工艺并在还原电炉中进行。（3）电硅热法。电硅热法的冶炼过程的热源主要是电能，其余为硅氧化时放出的热量，使用硅（硅铁、中间产品锰硅合金及硅铬合金）作为还原剂还原矿石中的氧化物。生产是在精炼电炉中进行间歇式作业。（4）金属热法。金属热法的冶炼过程的热源主要是由硅、铝等金属还原剂还原精矿中的氧化物时放出的热量，生产采用间歇式在筒式熔炼炉中进行。1.2.3 按操作方法和工艺分类根据生产操作工艺点不同分为熔剂法、无溶剂法，无渣法。有渣法以及连续式和间歇式等冶炼方法。（1）熔剂法。熔剂法冶炼铁合金是采用碳质材料、硅或其他金属作还原剂，生产时要加造渣材料调节炉渣成分和性质。如采用碱性渣操作，生产高碳锰铁。（2）无熔剂法。无熔剂法生产铁合金一般多用碳质材料作还原剂，生产时不用加造渣材料调节炉渣成分和性质。如使用优质锰矿，采用酸性渣操作，生产高碳锰铁，同时获得低磷富锰渣。（3）无渣法。无渣法冶炼铁合金是采用碳质还原剂、硅石或再制合金为原料，在还原电炉中连续冶炼的，产品如硅铁、工业硅、硅铬合金等。（4）有渣法。有渣法冶炼铁合金是在还原电炉或精炼电炉中，选用合理的渣型制度和碱度生产铁合金，其渣铁比受不同品种和相应采用的原料条件等因素影响，一般为0.81.5。产品如高碳锰铁、锰硅合金、高碳铬铁等。（5）连续式冶炼法。连续式冶炼法，是根据炉口料面的下降情况，不间断地向炉内加料，而炉内熔池积聚的合金和熔渣定期排出。采用埋弧还原冶炼，操作功率几乎是均衡稳定的。（6）间歇式冶炼法。间歇式冶炼法是将炉料集中或分批加入炉内的冶炼过程。一般分为熔化和精炼两个时期，在熔化期电极是埋入炉料中的；而精炼期电弧是暴露的，而精炼期电弧炉是暴露的，精炼完毕，排出合金和熔渣，再装入新料继续进行下一炉熔炼。由于间歇式冶炼法是周期性地进行，因而也称周期冶炼法。鉴于冶炼各个时期的操作工艺特点不同，操作功率也不同。冶炼中、低碳锰铁，中、低、微碳铬铁等采用间歇式冶炼法。1.3 铁合金生产的历史、现状及其发展趋向1.3.1 铁合金工业生产的起源铁合金的工业生产始于19世纪中期。1860年左右，贝尔努利用钨酸同铸铁起反应制得钨铁。1875年，法国普尔塞尔成功地在高炉中制得了含硅10%18%的硅铁，同一年他和高蒂尔同时在高炉中首次制得了锰铁，跨出向大规模工业生产锰铁的关键性一步。l9世纪末，世界上开始采用还原电炉冶炼铁合金。1980年，法国西蒙首先采用电热法，使用氧化锰和萤石的混合料，获得了含Mn84%、Fe8%、C7%、Si0.2%的电炉锰铁。1893年，开始采用电弧炉生产钨铁；这一年，穆瓦桑也在电炉中制得了高碳硼铁。1894年，穆瓦桑发明在电炉中还原氧化钒法。1897年，戈德施米特发明铝热法后，钒被用于冶金工业。1899年，美国在西弗吉尼亚州的霍尔库姆罗克厂的电炉中，第一个炼制了含Si25%50%的硅铁。1900年，始于法国的高碳铬铁电热法生产转入工业规模生产；这一年，法国还首先制得了钼铁。1901年，罗西发明电铝热法还原富钛渣生产钛铁。1905年，利姆提出用欠量的碳还原硼酸锰，以制取低碳锰铁。1907年，开始采用金属热法制铌。1908年，用两步法生产含碳10%2%的中碳锰铁。1910年以后，还原电炉冶炼各种铁合金获得了迅速发展。1.3.2铁合金工业发展经历的三个时期从铁合金冶炼方法、发展规模和技术装备水平等方面研究，世界铁合金工业发展大致可分为三个发展时期。1.3.2.1高炉冶炼时期18601908年间为高炉生产占绝对优势的发展时期。当初主要是为了满足炼钢脱氧和少量合金化的需求，其数量不多、质量不高，主要的铁合金品种是高碳锰铁、高碳铬铁和低品位硅铁，高炉铁合金技术已能满足钢铁生产的要求。这时的铁合金还原电炉技术还处于发展的起步阶段。1900年世界钢产量约2800万t，这时的合金产量约17万t。其中高炉铁合金约16万t，而电炉铁合金产量仅1万t左右。1.3.2.2高炉与电炉大规模的发展时期1908-1960年间，高炉与电炉都在迅猛发展，但电炉的发展更快，其产量逐渐赶上高炉产品的产量。20世纪开始，随着世界钢铁工业的飞跃发展，要求铁合金不仅具有很强的脱氧能力，而且为了进行多元素合金化，还应具有脱硫、脱磷、脱杂质的能力。许多新品种，如高品位硅铁、硅钙合金、钨铁、钼铁、中低碳锰铁及铬铁等应运而生。这些品种不能在高炉中生产，于是开发了电炉技术。尤其随着远距离输电的实现，电炉技术大量发展起来。到1960年，世界产钢达3.4亿，铁合金产量达560万，此时电炉合金产量和高炉产量各约为280万t。1.3.2.3 铁合金工业走向现代化时期1960年至今，电炉逐步取代高炉并占绝对优势。1960年以后，电炉铁合金产量首次超过高炉铁合金产量，且继续高速发展。1995年世界钢产量约为3.4亿t，铁合金产量约为1600万吨，其中电炉铁合金产量达80%以上。同时电炉设备技术加快了大型化、全封闭化（半封闭）、机械化和过程控制等现代化步伐，电炉炉气净化和余热回收利用达到实用阶段，出现了无公害的铁合金厂；电子计算机控制生产过程得到应用和推广。1.3.3 国外铁合金工业的生产现状目前，世界上约有50多个国家生产铁合金，重点铁合金公司和贸易点1000多处。钢铁工业发达的前苏联、美国、日本、法国等铁合金工业也很发达。具有丰富矿物资源和能源的南非。挪威、巴西等国近些年在电炉铁合金工业方面发展的+分迅速，其产品大量涌进国际市场。加拿大及一些发展中国家，如印度、墨西哥、津巴布韦、非律宾、伊朗等也兴建起了铁合金企业。生产铁合金的各国除了铁合金电炉设备技术发展较快外，在铁合金品种方面的发展和变化也较大。新产品开发和产品再加工等方面也都有新的进展。随着铁合金工业的不断发展，各国新建的铁合金电炉容量普遍增大。据报道，目前世界上最最大的硅铁和高碳铬铁电炉为105000kVA ；最大的高碳锰铁电炉为102000kVA，最大的锰硅合金电炉为88000kV A；最大的硅钙合金电炉为48000kVA；最大的工业硅电炉为5500KVA；最大的镍铁电炉为84000kVA。在炉型上，新建的锰铁和铬铁电炉多采用全封闭式及湿法煤气除尘，并向干式除尘技术迈进，硅铁电炉多采用矮烟罩半封闭式及干法袋式烟气除尘，挪威研制成功了全封闭干法除尘的硅铁电炉。此外，近年设计建造的大新型铁合金电炉一般都采用了计算机控制技术。世界上最大的铁合金厂是俄罗斯车里雅宾斯克铁合金厂，年产硅铁、铬铁及锰硅合金共90万t。世界铁合金产品结构、设备能力及.电炉容量分布情况分别列于表1-2、表13。表1-2 主要铁合金产品品种结构及设备能力情况序号品种设备能力/（万t/a）1硅铁4004502硅钙合金8103工业硅80904锰铁800850其中：高炉锰铁约180电炉锰铁320350锰硅合金约200240低碳锰铁80905金属锰（含电解锰）约156铬铁5006007金属铬3.44.08钒（V2O5）约10表1-3 各国铁合金电炉分布状况序号国家最大电炉概况电炉总坐数容量（KVA）所属公司炉型及品种1瑞典105000瓦岗（vargon）半封闭式，硅铁，铬铁52法国102000敦刻尔克硅铁，锰硅合金403前苏联81000萨尔玛柯夫1004南非81000萨曼克（samnanncor）锰硅合金655挪威75000奥克拉（okla）506西班牙75000希德罗尼特罗（hidro Nitro）157美国75000麦考利（Macalloy）828委内瑞拉52000弗希文（fesilven）19日本51000中央电气工业4810中国50000遵义铁合金厂半封闭式，硅铁8011冰岛48000冰岛铁合金厂212印度48000弗科（Facor）3413菲律宾35000FPL814巴西24800西博拉（Sibra）9315墨西哥33000奥特兰（Autlant）1816津巴布韦30000津巴布韦铁合金厂（Zimballoy）117澳大利亚27000泰姆科（Temco）718葡萄牙25000弗诺斯电器公司（Fornos Electricas）319意大利24000（30000）蒙特蒂森（Montedison）2820土耳其20000埃里尼克（Hellenic）721韩国15000韩国合金铁14注：1、各国电炉总数仅为1986年前的统计，前苏联电炉仅包括3500KVA2、电炉为大于1800KVA的台数。1.3.4 我国铁合金工业的飞跃发展据记载，我国铁合金工业生产的情况为：1894年在汉阳铁厂28.4m2高炉中炼制出锰合金；20世纪30年代末至40年代末期，我国曾经进行过多种铁合金的试制和小批量生产，当时只有几座小电炉生产硅铁、锰铁，产量仅百吨。中华人民共和国成立后，50年代初引进苏联铁合金技术，建设成我国第一座大型铁合厂吉林铁合金厂；60年代至70年代期间，随着钢铁工业的发展与布局的需要，建成了一批较大型的铁合金电炉车间及钨铁、铁、钒铁、钦铁等多品种的铁合金车间，随着世界还原电炉大型化、机械化和自动化的进展，80年代中期至90年代间，除建设或技术改造一批新的6300kVA、12500kVA、16500kVA半封闭及全封闭式还原电炉车间外，还建成了具有当今世界技术和装备水平25000kVA、30000kVA、31500kVA及50000kV A的大型现代化还原电炉车间。目前我国有重点铁合金企业18家，地方中、小型骨干企业57家以及小型企业千余家，年设备生产能力约500万t。至此，我国铁合金工业逐步形成多个品种、多种容量（规模）、多种生产方法的大、中、小型结合的行业格局。“八五”期间，我国坚持技术引进与自主开发并重，大力优化工艺装备结构，年产铁合金突破300万t，雄居世界首位，迈上了大型铁合金电炉技术的新台阶，我国铁合金产品已做到自给有余，“八五”期间实现年出口铁合金100万t，还向菲律宾、伊朗、巴基斯坦等国出口成套铁合金工程和设备技术。至此，我国不仅是铁合金生产大国，同时又是产品出口大国。1.3.5 铁合金生产技术的发展趋向近二十多年来，随着钢铁工业的发展和科学技术的进步，世界铁合金工业生产的品种、冶炼工艺、技术装备、节能降耗、环境保护、能量回收和资源综合利用等技术方面都有迅速的发展和突破。1.3.5.l 铁合金产品发生结构型的变化，品种面向多元化总发展趋势可谓：增加品种，充分利用合金元素；合理利用资源，产品向复合化方向发展；降低合金中有害杂质物，向纯净化方向发展；缩短工艺流程，降低能耗，提高生产效率，进而降低生产消耗和成本。炼钢中连铸生产比例越来越大，导致锰硅复合合金的消耗量不断地增多；氩氧炼钢设备增多，使得低碳铬铁在铬铁消耗中的比例逐年下降，高碳铬铁比例上升；由于钙有优异的脱氧和脱硫作用，以及它能改变钢中夹杂物的形态，故硅钙合金的用量不断增加，含钙和含钡的多元硅系合金的应用也日益广泛；不锈钢与低合金高强度钢的需要量将会不断增长，长，因此对铬、镍、钒、妮、钼、钛和稀土等类合金需求量的增长将超过普通钢的增长速度；除传统产品外，人们又研制出不少新的铁合金品种，如含有钡、镁、锶、稀土的硅系复合脱氧剂、孕育剂与铸铁球化剂，以及作为合金元素添加用的氧化物、碳化物、氮化物等；为满足钢包合金化和喷射冶金的需要，近年来已生产出各种粒状、粉状铁合金、包芯线产品以及各种成分的压块铁合金与发热铁合金等。1.3.5.2 精料技术精料是电炉铁合金增产节电的重要环节。近10多年来，铁合金电炉生产采用精料的水平有了明显的提高，各国都在重视并相应采取了许多行之有效的措施。A采用优质组合碳质还原剂采用优质组合碳质还原剂，搭配气煤焦和烟煤，代替一部分冶金焦，这是国内外的一项成熟操作技术。近年来，我国大中型硅铁电炉已普遍地使用以冶金焦为主，适量搭配气煤焦、蓝炭、半焦及烟煤等组合型碳质还原剂冶炼75%硅铁，获得了优质、高产、节电的经济效果，一般每吨硅铁产品可节电约700l000kwh。B改善入炉矿石的制备技术铁合金电炉正常操作，尤其是大、中型还原电炉，要求炉料具有合适的块度以确保良好的透气性。当前优质块状锰矿和铬矿的供应日趋减少，为适应这一情况，国内外已应用了多种造块技术，以有效地利用粉矿和精矿，并获得较好的冶炼指标。例如:（1）采用带式烧结机对锰矿进行烧结成块，已较普遍地应用于许多锰矿的烧结球团也逐渐地被一些厂家所采用。为节省燃料，现多数的工厂应用冷粘结球团和冷压块（含冷压球）。（2）基于铬矿的熔点较高，使用烧结法有一定困难。因此目前多采用球团法.国外有些厂家使用预还原后的金属化热球团，可以大幅度地降低高碳铬铁冶炼电耗。近10多年来，使用铬矿冷压块料冶炼高碳铬铁和硅铬合金都获得了很好的技术和经济效果，如铬回收率、电耗和矿耗等方面都好于或等同于块状铬矿。（3）硅铁生产的原料制备，主要是选用优质组合碳质还原剂。同时越来越多地对硅石和含铁材料的化学与物理性能给予重视，其中优选高品位，热稳定性能及还原性能好的硅石，并应做到入炉前进行水洗筛分及预焙烧处理。对含铁料，除普遍应用碳素钢屑外，人们越来越关注铁精矿球团、铁麟及铁鳞球团的使用。尤其是大型硅铁电炉为实现机械化料输送和自动化加料操作必须优先选用。1.3.5.3 采用高效率的大型还原电炉，提高技术装.备水平A 还原电炉的大型化、连续作业近20多年来，国外新建的用于生产硅铁、高碳锰铁、锰硅合金及高碳格铁“四种大宗产品”的电炉容量普遍增大。60年代兴建投产的大电炉容量在2500040000kVA级；70年代以来建设的大电炉一般在4000075000kV A级，个别炉容还大。目前世界上最大的硅铁和高碳铬铁电炉容量分别为96000kVA和105000kVA。我国铁合金还原电炉常用的炉型为6300，12500，16500及25000kVA。80年代中期以来，西北、遵义、湖南、宜昌铁合金厂等分别引进了225000kVA， 2 50000kVA半封闭旋转式硅铁电炉及131500kVA全封闭式锰硅电炉及130000kVA全封闭式锰硅电炉、130000kVA半封闭旋转式硅钙合金电炉。我国有关企业通过引进技术和消化国外先进技术，进而基本掌握了现代化大型电炉技术，使我国电炉炉型结构、技术装备水平和总体设计水平跨入了80年代末国际先进技术水平的行列。B 采用全封闭式还原电炉并回收煤气冶炼高碳锰铁、锰硅合金和高碳铬铁的大、中型还原电炉大都应选用全封闭式电炉或将敞口炉改造为全封闭式电炉，回收煤气并对污水进行处理。将回收的煤气（CO60%80%，热值810kJ/M3（标态），产气量约9001200m3/t（标态）用于干燥或用来预热和预还原矿石，致使冶炼电耗下降，并实现二次能源的综合利用。目前，世界上冶炼高碳锰铁和锰硅合金全封闭式电炉的最大容量分别为81000kVA和88000kVA。我国自60年代开始先后自主开发了9000，12500，16500及25000kVA全封闭式电炉技术，其中大都设置了煤气回收和污水处理设施，回收煤气已用于焙烧、干燥矿石等。为加快全封闭式电炉大型化，湖南、遵义、峨眉铁合金厂在引进电炉技术的同时又引进干式或湿式煤气净化设施。C 新建或改建半封闭式还原电炉对难于采用全封闭式电炉生产的品种，则建造或将敞口炉改造为带余热回收的半封闭式（矮烟罩）电炉。国外回收利用炉气余热主要有两种方式，一种是利用热水或蒸汽；另一种蒸汽再发电，它们可回收能量分别相当于其输入电能的80%和20%。基于半封闭式电炉烟气量较小，炉气经过余热锅炉降温后，便于采用干法袋式除尘器除尘。瑞典瓦岗厂105000kVA铬铁电炉，法国敦刻尔克公司96000kVA硅铁电炉和挪威比约维夫森公司36000kVA硅铁电炉上已成功地应用了此项回收技术。我国唐钢铁合金厂1800kVA硅铁电炉也已成功地采用余热锅炉回收利用蒸汽；甘肃民和镁厂46300kVA工业硅电炉余热回收系统于1994年投入运行。D 应用电子计算机控制电炉冶炼过程国外应用计算机控制电炉生产全过程，如配料、上料、及加料，电炉电极压放、功率调节，冷却水及烟气（煤气）净化系统等控制功能，可提高电炉工作负荷和作业率，避免操作失误所引起的炉况波动和设备事故，获得产品单位电耗降低5%10%的显著效果。我国某铁合金厂较早在16500kVA全封闭电路上应用计算机，并于80年代引进的25000kVA、30000kVA、31500kVA及50000kVA电炉技术都分别设置了计算机控制系统。1.3.5.4采用连续法冶炼硅钙合金的新技术目前，世界上生产硅钙合金的先进工艺是连续冶炼技术，法国波兹尔（BOZEL）电冶金公司和意大利OET公司的硅钙合金生产均属于此法。这种工艺是选用石灰石、焦炭及烟煤为炉料，在较大型还原电炉内进行连续冶炼，其冶炼周期（炉役寿命）达5年以上，产品含Ca30%，产品电耗11000kWh/t，比我国现行的硅钙合金生产工艺可节电20003000kWh/t。1.3.5.5 采用一步法冶炼硅铬合金一步法生产硅铬合金，即采用铬矿、硅石及还原剂为炉料在还原电炉内直接生产硅铬合金。此工艺技术的突出优点在于简化了工艺流程（原电硅热工艺为二步法），不需炉外降碳处理，提高了铬回收率，因此国外较普遍地采用一步法生产硅铬合金。但由于对原料要求严格及操作技术有一定难度，所以我国有条件的企业已采用这一较为先进的工艺技术，而多数厂仍沿用电硅热法生产硅铬合金。1.3.5.6采用热兑法（波伦法）生产中低碳锰铁国外采用优质锰矿和液态锰硅合金在摇炉中热兑生产中低碳锰铁，在提高锰回收率和节电方面取得了良好效果，是值得推广应用的节能工艺技术。我国吉林、上海、锦州及遵义铁合金厂等先后采用热兑法生产中碳锰铁，其工艺稳定可靠，同传统的电硅热法相比每吨产品节省3005OOkWh，锰回收率达80%以上。遵义铁合金厂16500kVA全封闭式电炉8m3摇炉3500kVA半封闭旋转精炼炉生产线工程，于1990年建成投产后，生产操作稳定，各项技术经济指标较好。1.3.5.7 采用热兑法（波伦法）生产微碳铬铁国外普遍采用以铬矿石灰熔体与液态或固态硅铬合金进行热装热兑生产微碳铬铁的工艺技术，其主要优点是产品质量好、铬回收率高、电耗低。近年来，我国几家铁合金厂先后建成了热兑法微碳铬铁车间，经几年的试产取得了较好的技术经济效果。1.3.5.8铁合金直流还原电炉技术（含中空电极技术）直流还原电炉冶炼铁合金是近几年来发展起来的一项新技术。它采用单电极、双电极、三电极及其以上顶电极和无底电极的直流电炉技术。它与交流还原炉相比具有可直接利用粉矿15%20%、每吨产品节电5%8%、cos高、线路上的电损耗较低、运行嗓声较小等优点。近年来，我国铁合金直流电炉冶炼技术有较大发展。一些厂家与科研、设计单位合作，分别建成200okVA，6300kVA及8000kVA直流还原电炉，取得了可喜的成果，但炉容偏小，今后在增大炉容和扩大冶炼品种上，可望取得突破性进展。1.3.5.9 铁合金熔融还原新技术熔融还原是用碳或以碳为主的还原剂进行还原金属氧化物熔体的工艺，铁合金可以从消费巨额电能转变成以煤为主要能源的一项新技术。目前国外应用此技术冶炼高碳锰铁及高碳铬铁，其主要特点是工艺流程短，可直接使用粉矿和煤粉作炉料，并可提高产品主元素回收率。1.3.5.10 等离子炉冶炼新技术等离子炉冶炼是一项铁合金生产的高新技术，其主要技术特点是采用粉矿、粉焦、粉煤以及熔剂为炉料进行还原冶炼。国外已应用此技术生产铬铁、硅铁及工业硅等产品。1.3.5.11 铁合金产品加工制粉及芯线技术国外铁合金产品，一般将供货块度分为块状（10mm）粒状（210mm），粉状（02mm）并以定量包装出厂。为满足喷射冶金和炼钢炉外精炼的需要将块状产品再深加工，以提供粉剂产品。随着炼钢连铸比的增大，以及其他方面的需求，铁合金芯线技术将有很大发展。1.3.5.12 大中型还原电炉采用新型结构的电极把持器技术A组合式电极把持器此种把持器是挪威埃肯公司的专利技术。我国化工行业曾引进多台25000kVA电石炉均采用组合式把持器。它的主要特点是可用于任何直径的电极；加速电极焙烧；电极壳不会变形，电极下放时不会失控，减少电极断损；设备质量轻；运行事故少、作业率高；其综合经济效益可提高5%10%。B 波纹管压力环式把持器80年代中期，我国某几家铁合金厂引进的硅铁及锰硅合金电炉均采用波纹管压力环式把持器，主要特点是，波纹管一对一顶紧铜瓦，做到水路及电路合一结构。它可有效地提高电炉作业率、减少设备维修工作量，并提高综合经济效益。C 水冷电缆技术水冷电缆具有良好的冷却效果，许用电流密度大（3A/mm2），是管式短网的配套技术，具有质量轻、投资省、运行可靠、结构紧凑与布置排列优化等优点。3. 5. 13炉口、炉前机械化设备车式加料拨料捣炉机是大、中型半封闭式还原电炉的炉口操作必备辅助设备，尤其是硅铁生产中，采用它可实现炉口机械化操作，这样可大大改善操作条件，提高电炉作业率。80年代中期，我国某几家铁合金厂先后引进8台加料拨料捣炉机，使用效果较好。B开堵铁口机开堵铁口机是出炉操作的重要设备，它可代替人工开堵铁口，大大改善操作条件。国外大中型还原电炉普遍配备开堵铁口设备。我国铁合金电炉采用开堵铁口设备的为数不多，大都是手工开堵铁口。近10多年来，我国某厂已研制地面式和吊挂式开堵铁口机，应用于6300kVA、9000kVA、12500kVA、16500kVA、24000kVA及30000kVA锰硅电炉上，使用效果较好。1. 3. 5. 14 低频供电设备技术的开发与应用在传统的铁合金电炉变压器二次侧与短网之间加装低频供电装里，将工频（54Hz）变为低频（0.0512.5Hz）输电。该设备技术有效地提高电炉系统功率因数（cos0.9），并降低有功损耗，起到节电增产的显著效果。1.3.5.15 环境保护及综合利用铁合金企业的环境保护主要是对“三废”及嗓声的治理，消除对环境的污染。工业发达国家中铁合金生产对环境的污染间题已基本解决。其主要措施：（1）半封闭式电炉的废气的利用和除尘工艺的实现，尤其是在硅铁和工业硅生产进行了消烟除尘，回收的硅粉在建材、化工等行业应用；（2）锰铁和铬铁电炉分别有90%和60%为全封闭式电炉，煤气被净化后用于化工生产和干燥、烧结及造球；（3）铬、钒的化学处理污水、废渣、烟尘的处理；（4）废水的净化；（5）软水闭路循环系统；（6）工业废物（含废渣）的有效利用等。就总体而言，我国铁合金企业的环保及综合利用是比较落后的，硅铁电炉绝大部分是敞口炉，锰铁和铬铁电炉已封闭的尚属少数，这样不仅炉气中的热能未能回收，还大量散发烟尘。就吉林、上海、湖南、遵义等几家铁合金厂已实施封闭的电炉而言，其煤气回收及利用、污水处理也未彻底解决。原料、产品输送和加工过程中的粉尘，出铁、浇铸过程中的烟尘也未妥善处理和加以利用。高炉锰铁虽已在减少煤气放散、煤气的洗涤净化与利用以及污水处理，炉渣利用等方面取得一些成果，但离有关要求差距甚大。其它铁合金产品，如铬、钒的化学处理污水、废渣、烟尘也未得到彻底根治。80年代以来，遵义、西北、湖南、宜昌、峨眉铁合金厂先后引进了电炉烟气干式除尘技术、电炉煤气干式净化技术，经消化创新并结合技改工程得到推广应用，尤其硅铁电炉烟气净化回收的硅尘在建筑行业的应用取得了突破性进展，变废为宝，有着显著的经济社会效益，从此更加推动了硅铁电炉烟气治理。第2章 铁合金冶炼的基本原理2.1铁合金冶炼的一般理论 铁合金冶炼就其反应特征来说，、是利用还原剂去还原矿石中的有用氧化物，得到所元素的过程。 例如冶炼硅铁、中低碳锰铁和钛铁时，所进行的基本反应如下： SiO2 + 2C = Si + 2CO（在矿热护里采用电热法冶炼硅铁） 2MnO + Si = 2Mn + SiO2（在精炼电护里采用电硅热法冶炼中低碳锰铁） 3TiO2+4Al3Ti2Al2O3（在筒式炉中采用铝热法冶炼钛铁）SiO2、MnO，TiO2为矿石中有用氧化物；C，Si，Al为还原剂；Si、Mn，Ti是从各氧化物中还原出来的元素，与铁等成分组成合金。、上述三种合金，可用一通式表达；MeOX=MeXOMeO为矿石中有用的氧化物，X为还原剂。 只要X对氧的亲和力比Me对