高碳铬铁冶炼的方法与工艺解析

第1页共9页高碳铬铁冶炼的方法与工艺解析提醒 11.高碳铬铁冶炼概述 12.多种冶炼方法 1 2 23.冶炼工艺操作 44.焦炭加入量 75.焦炭粒度 76.焦炭性质 8法等。然而，值得注意的是，在高炉中仅能得到含铬量约为30%的特种生铁。尽电炉法冶炼高碳铬铁，其核心在于利用碳作为还原剂，对铬矿中的铬和铁的氧化物进行还原反应。这些反应主要涉及以下几个方面：从上述反应中可以观察到，碳还原氧化铬生成Cr₃C₂的起始温度为1373K,而生成Cr₇C₃的反应起始温度为1403K。另外，还原生成金属铬的反应起始温度高达1523K。因此，在碳还原铬矿的过程中，我们得到的是铬的碳化物，而非金属铬本身。这意味着我们只能获得含碳量较高的高碳铬铁。值得注意的是，铬铁中的含碳量与反应温度密切相关：生成高含碳量的碳化物相较于生成低含碳量的碳化物更为容易。在实际生产中，炉料在加热初期，部分铬矿会与焦炭反应生成Cr₃C₂。随着炉料温度的进一步升高，大部分铬矿将与焦炭反应生成Cr₇C₃。当温度达到更高水平时，三氧化二铬将对合金产生精炼脱碳的效果。这些反应共同构成了电炉法冶炼高碳铬铁的基本过程。 (1) (2)由于氧化铁的还原反应起始温度低于三氧化二铬，因此在较低的温度下，铬矿中的氧化铁便能得到充分还原，并与碳化铬相互溶解，形成复合碳化物。这一过程不仅降低了合金的熔点，还促进了铬与铁的相互溶解，进一步推动了还原反应的顺利进行。虽然在高炉内冶炼高含铬量铁水(例如Cr>30%)具有挑战性，但冶炼含铬小于20%的铁水在技术上是可行的，且相较于使用铬铁合金，经济性更为明显，可直接用于生产400系列不锈钢。若能进一步提升铁水中的镍含量，并将磷含量控制在035%以内，那么在高炉内冶炼18%Cr-8%Ni铁水，经过脱碳处理后，可直接生产300系列不锈钢，这将进一步增强经济性。因此，高炉冶炼含铬或含镍铬铁水有望彻底改变不锈钢冶炼的原料结构，实现低成本不锈钢生产。基于这一目标，我们提出了高炉生产含镍铬铁水的工艺方案(见图示)。附图高炉生产含镍铭铁水工艺万附图高炉生产含镍铭铁水工艺万含镍铭铁水的高温预还原后进入高炉。通过精心配料，以8%Cr-8%Ni的铁水目标成分进行高炉冶炼，从而实现正常生产。在含镍原料方面，红土矿通常含镍1%~2%。对于含铁量超过40%的红土矿，高炉内可冶炼出含镍1%~3%的铁水；然而，含铁量低于25%的红土矿则难以在高炉中冶炼，通常采用RKEF工艺，其铁水镍含量一般不超过15%。若要在高炉内冶炼出含镍8%的铁水，且在红土矿富集镍的工艺实现工业化之前，可采硫化镍原矿含镍量约为1%,经过浮选后可得含镍大于7%的镍精矿。这些精矿或二次镍精矿经过氧化焙烧和尾气制酸处理，硫含量可降至5%以下，适宜脉石成分有所不同，可根据市场情况灵活选择。此外，高炉冶炼含铬原料的选择也至关重要。由于低铬含量(约20%Cr)铁计，高炉内冶炼18%Cr-8%Ni铁水成为可能。高炉冶炼含镍铬铁水是一个复杂的系统工程，涵盖了原料的选择与预处理、高炉渣系的优化、铁水磷含量的精准控制，以及后续炼钢工艺的相应调整等多个环节。在原料选择方面，需综合考虑原料的品位及其互补性。例如，镍精矿通常具有较高的Si02含量，而二次镍精矿则脉石成分较少；铬铁矿的主要脉石成分为MgO和Al203,相比之下，铁矿石的脉石含量较低。因此，在进入高炉前，对这些原料进行合理的预处理工艺研究显得尤为重要。由于含镍铬原料的特性，高炉冶炼过程中的炉渣成分与传统炼铁工艺相比存在显著差异，主要表现在渣中MgO和Al203的高含量。为了减少渣量，采用酸性渣冶炼成为一种可行的选择，但其炉渣的冶金性能仍需进一步深入研究。在铁水磷含量的控制上，除了选择低磷原燃料外，冶炼工艺的优化也至关重要。例如，通过铬铁矿的预还原，不仅可以提高高炉冶炼效率，还能降低焦比，从而有助于磷的控制。同时，采用高风温和降低渣量也是降低焦比、进而降低铁水磷含量的有效手段。此外，高炉含镍铬铁水脱磷工艺的研究同样值得关注，这将进一步拓宽原料的选择范围。值得一提的是，与普通铁水相比，含镍铬铁水具有更高的镍、铬、硅和碳含量。因此，在不锈钢生产过程中，需要相应地调整冶炼工艺。同时，综合考虑各种合金元素在炼钢中的行为特点，可以进一步探索高炉冶炼过程中的贵重元素合金化问题。从经济角度分析，以当前镍和高碳铬铁的市场价格计算，配制每吨18%Cr-8%Ni铁水的原料成本约为45万元。考虑到该成分铁水在高炉内的冶炼能耗和资源综合利用的优势，其未来的市场竞争力值得进一步深入分析和优化。电炉熔剂法生产高碳铬铁，通常采用连续式操作流程。在配料时，会按照焦炭、硅石、铬矿的顺序进行，以确保原料的均匀混合。对于敞口炉，料通过给料槽加入到电极周围，形成大锥体状的料面。而封闭炉则直接通过下料管将料加入炉内。在冶炼过程中，需根据炉内炉料下沉情况及时补充新料，以维持稳定的料面高度。理想的炉况表现为三相电流平衡、电极稳定、透气性好，无刺火现象，炉料第4页共9页第5页共9页能够均匀下沉。同时，渣铁温度应保持正常，合金与炉渣的成分稳定，并能顺畅地从炉内排出。对于全封闭炉，其炉膛压力需保持稳定，炉气量和成分变化应控制在较小范围内，避免在原料干燥时料管内产生爆鸣。出铁次数依据电炉容量来定，铁与渣会同时从出铁口排出。若出现出铁后期或出渣不顺畅的情况，可通过圆钢疏通炉眼来帮助排渣。堵眼深度则需根据炉衬的冲刷程度来确定，一般使用耐火粘土泥球或特定比例的镁砂粉和耐火粘土泥球进行堵眼。炉况异常时，会表现出以下特征：1)当还原剂用量不足，电极会深入炉内，导致电流波动、负荷不足，电极消耗加快。同时，炉口火焰暗淡，合金中硅、碳含量偏低，铁质硬且表皮气泡多，渣中Cr₃C₂含量上升，炉渣的Cr₂O₃含量偏多，炉渣粘度增大。2)还原剂过量时，电极浅插，电流同样波动，并可能出现刺火和喷渣现象，电极消耗减慢。但炉底温度降低，出铁口难以打开，炉渣排出困难。此外，合金3)硅石过多会导致电极深插，火焰暗淡，但渣的流动性增强，Cr₂O₃含量上升，凝固的渣子发黑，严重侵蚀炉墙，合金中含碳量上升，过热度小，不易从炉4)硅石过少则会使电极浅插，炉口温度升高，电极周围出现粘稠渣子，易翻渣且炉渣粘度大，不易从炉内放出，同时，炉温过高导致铁水温度高、含碳量下降，渣铁数量均减少。5)当硅石和焦炭都不足时，炉渣中Cr₂O₃含量低且粘稠，含有大量未还原铬矿和小金属粒，不易从炉内流出。同时，合金中硅和碳的含量都下降。6)焦炭不足而硅石过剩时，炉渣温度低、易熔且粘稠，含有大量二氧化硅、Cr₂O₃和氧化铁。合金中硅含量下降而碳含量上升；电极深插导致消耗增加。7)硅石和焦炭过剩时，炉渣易熔并从出铁口排出一些挂渣的焦炭。合金中硅和碳量都高，电极下插不稳。8)焦炭过剩而硅石不足时，电极上抬并出现刺火现象，焦炭自坩埚内喷出。炉渣熔点高、温度也高且Cr₂O₃含量低；粘稠的炉渣不易从炉内放出。9)此外，合金中的铬含量主要受铬矿中铬铁比和铬回收率的影响；碳含量则与铬矿的物理性能相关；而硅含量则与还原剂用量、炉渣中二氧化硅含量和炉温有关。在生产过程中需要密切关注这些因素以保持炉况稳定和产品质量。同时选择合适的熔剂用量以控制炉渣成分也是至关重要的，因为这直接影响到炉内的温度和反应速度，进而影响到产品的质量和产量。10)当铬矿中的Cr₃C₂和FeO被还原后，炉渣中剩余的主要氧化物为氧化镁和三氧化二铝。这两种氧化物的熔点均相当高，为了使炉渣能够顺畅地从炉内排出，必须加入熔剂(如硅石)来降低其熔点。熔剂的用量对炉渣成分有着直接的影响。硅石的加入量是通过铝-镁-硅三元相图来精心确定的。11)由于炉渣中氧化镁和三氧化二铝的比值大约为1,因此，可以通过二氧化硅顶点作一条垂直于底线的线。这条线上的点代表了炉渣的熔点，且随着二氧化硅量的增加而降低。值得注意的是，当氧化镁与三氧化二铝的比值发生变化时，对炉渣熔点的影响并不显著,因为等熔度线基本上是平行的。12)在查阅三元相图时，必须确保将炉渣中的二氧化硅、三氧化二铝和氧化第7页共9页镁的含量之和换算为100%。炉渣中三氧化二铝的含量对炉渣的粘度有着显著影响。若渣中三氧化二铝含量过高，会导致炉渣粘度增大，不利于排渣。然而，三氧化二铝也能提高炉渣的电阻率，从而有助于电极深插，因此其含量需控制在一定范围内。焦炭的导电性比固体炉料强。如果焦炭加入量过多，会影响电极深插。因此，在满足固体炉料中的还原成分充分还原的条件下，焦炭加入不要过多，以利于电极插入。焦炭加入量对矿热炉电极插入深度有显著影响。焦炭的导电性比固体炉料强，如果焦炭加入量过多，会导致电极上抬，插入深度变浅；反之，如果焦炭加入量过少，电极插入深度则会较深。此外，焦炭的粒度和性质也会影响电极的插入深度。粒度小的焦炭表面积大，电阻增大，有助于电极深插；而粒度大的焦炭则相反。焦炭的电阻特性也会影响电极的插入深度，电阻大的焦炭(如煤气焦)有助于电极深插，而电阻小的焦炭则会使电极插入较浅。矿热炉的熔炼特性也会影响电极插入深度。矿热炉的熔炼特性包括反应区直径、电极插入深度、操作电阻等，这些特性随着原料和操作条件的变化而变化。例如，反应区的大小和电极插入深度的均衡性直接影响炉膛内部的热分布和熔池反应效果。实际操作中，电极插入深度的控制方法包括调整焦炭的加入量、粒度和性质，以及控制二次电压和炉内积渣量等。通过优化这些参数，可以改善电极的插入深度和炉况的稳定性。焦炭的粒度小，表面积增大，增加接触面，炉料的电阻大，则电极插入深；反之，焦炭的粒度大，表面积减少，炉料的电阻小，则电极的插入深度就变浅。焦炭粒度对矿热炉电极插入深度有显著影响。焦炭粒度小会导致表面积增大，焦炭粒度大则会导致表面积减小，炉料的电阻减小，电极插入深度变浅。第8页共9页焦炭粒度对矿热炉操作的影响电极插入深度：焦炭粒度小，表面积增大，炉料电阻增大，电极可以插入得更深，有利于维持电流稳定和提高炉温。炉温和坩埚区：焦炭电阻大有助于电极较深地插入炉料，从而提高炉温和扩大坩埚区。炉料导电性和热效率：焦炭粒度大，炉料导电性强，电极插入深度浅，炉口温度高，热效率大，但电耗增加。焦炭粒度的管理指标在焦炭管理中，M40、M25、M10、CSR和CRI等指标用于考核焦炭的粒度变化。这些指标分别在不同条件下衡量焦炭的机械磨损和高温下的粒度变化。这里主要是指焦炭本身的电阻。如果焦炭的电阻小，通过炉料的电流大，使电极上升，电极插入深度就浅。反之，焦炭的电阻大，例如使用煤气焦等，因其电阻大，电极则可深插。焦炭性质对矿热炉电极插入深度的影响主要体现在以下几个方面：导电性：焦炭的导电性比硅强，如果焦炭加入量过多，会影响电极深插。因此，在满足固体炉料中的还原成分充分还原的条件下，焦炭的加入量不宜过多，以利于电极插入。电阻：焦炭的电阻大小直接影响电极插入深度。电阻大的焦炭(如煤气焦)能使电极较深地插入炉料，因为电阻大会阻碍电流通过，迫使电极深入炉料以维持足够的电流通路。粒度：焦炭的粒度也会影响电极插入深度。粒度小的焦炭表面积增大，增加接触面，炉料的电阻大，电极插入深度增加；反之，粒度大的焦炭表面积减少，炉料的电阻小，电极插入深度变浅。矿热炉的工作原理和电极插入深度的重要性：矿热炉是一种耗电量巨大的工业电炉，通过电极电流