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高碳铬铁冶炼工艺和原理
· 一、矿热炉
· 高碳铬铁生产方法有电炉法、竖炉 （高炉）法、等离子法和熔融还原法。竖炉法现在只生产低铬合金（Cr<30％），较高铬含量 （比如 Cr>60％）竖炉法生产工艺尚处于研究阶段 ；后两种方法是正在探索中新兴工艺 ；所以，绝大多数商品高碳铬铁和再制铬铁均采取电炉 （矿热炉）法生产。 电炉冶炼含有以下特点：
· （1）电炉使用电这种最清洁能源。其它能源如煤、焦炭、原油、天然气等全部不可避免地将伴生杂质元素带入冶金过程。只有采取电炉才能生产最清洁合金。
· （2）电是唯一能取得任意高温条件能源。
· （3）电炉轻易实现还原、精炼、氮化等多种冶金反应要求氧分压、氮分压等热力学条件。
· 1.1关键技术参数
· 依据生产品种和年产量，首先确定炉用变压器额定容量，选择变压器类型（三相或三台单相）、工作电压和工作电流。然后确定电炉几何参数，包含电极直径，电极极心圆直径（或电极中心距），炉膛直径，炉膛深度，护壳直径，炉完高度等。全部这些参数，通常采取经验公式计算，并参考中国外生产实践进行选定。部分冶炼高碳铬铁还原电炉关键技术参数列于表1。
· 表1 部分还原电炉关键技术参数
变压器容量/KVA
使用电压/V
电极直径/mm
极心圆直径/mm
炉膛直径/mm
炉膛深度/mm
2700
93.5
500
1150
2800
1700
8000
138
870
2250
6500
2700
9000
148.5
900
2300-2500
4500
2100
12500
158
1000
2300-2500
4900
2100
12500
120-168? 19级
1020
2600±50
6000
2300
25000
220
1300
3300
7700
2500

· 1.2组成结构
· 埋弧式还原电炉由炉体、供电系统、电极系统、烟罩（或炉盖）、加料系统、检测和控制系统、水冷却系统等组成。
· 二、工艺步骤
· 2.1原料选择
· 冶炼高碳烙铁原料有铬矿、焦炭和硅石。其中焦炭和硅石作为还原剂。
· （1）铬矿
· 世界铬铁矿矿床关键分布在东非大裂谷矿带、欧亚界山乌拉尔矿带、阿尔卑斯—喜马拉雅矿带和环太平洋矿带。近南北向褶皱带中铬铁矿资源量，占世界总量90％以上。其中南非、哈萨克斯坦和津巴布韦占世界已探明铬铁矿总储量85％以上，占储量基础90％以上，仅南非就占去了约3/4储量基础。
· ①选矿标准：因为铬是用途最多金属，而且在“战略金属”中列第一位。当今世界拥有铬矿资源国家或资源缺乏国家，全部在加紧铬矿石选矿研究，其选别方法有：
· 1）重选：如跳汰、摇床、螺旋溜槽、重介质旋流器等。
· 2）磁电选：包含高强场磁选、高压电选。
· 3）浮选和絮凝浮选。
· 4）联合选：如重选—电选。
· 5）化学选矿：处理极细粒难选贫铬矿。
· 在上述铬矿选矿方法中，生产上关键采取重选方法，常采取摇床和跳汰选别。有时重选精矿用弱滋选或强磁选再选，深入提升铬精矿石品位和铬铁比。
· ②铬矿搭配标准：在高碳铬铁实际生产中往往需要选择适宜矿种搭配和搭配百分比。铬矿搭配标准关键有:
· 1）适宜铬铁比（ Cr2o3/∑FeO）。通常来说，冶炼含铬量大于50％合金要求入炉综合矿 Cr2o3/∑FeO比值大于2.0；而冶炼含铬量大于60％合金要求此比值大于2.6。
· 2）适宜MgO/Al2o3 比值。它不仅影响熔渣导电性能和还原性能，而且影响合金含碳盘。在实际生产中，使用MgO/Al2o3 ，比值偏低铬矿需配足量焦炭，以增加焦炭层厚度，首先是为了确保炉底不易损坏，其次也是为了增加未还原矿核在焦炭层滞留时间。降低渣中跑铬。
· 3）适宜块度搭配。单独使用粉矿时，易造成粉矿烧结，使料面透气性变差，严重破坏了冶炼气氛；使用块度大铬矿易增加精炼层厚度，造成合金含碳量偏低。
· 4）适宜熔化性能。单纯使用易熔铬矿会造成成渣过早，使熔化速度快于还原速度，易造成渣中跑铬高现象;单纯使用难熔铬矿会增厚精炼层，出现大量未还原矿核和合金含碳量偏低等现象，给正常冶炼带来了很大困难。合理搭配铬矿使熔渣有合理熔点，对改善经济指标很关键。
· （2）还原剂
· 在合金生产中，使用最为普遍是最廉价一个还原剂-冶金焦“碎块”（高炉用焦经筛选后筛下焦）。因为炼焦用煤质量及焦化厂生产焦炭条件不一样，碎焦块质量也各异．不过它们有一个共同缺点，就是电阻不高，反应性能欠佳，灰分和硫、磷含量较高，同时水分含量也较高，而且还不稳定。
· 焦炭中含有硫关键是有机琉及大量硫化物，还有少许硫酸盐和极少许以碳中固溶体状态存在元素硫。焦炭磷含量也各不相同。焦块含有海绵状组织，并有大量裂纹，其气孔率波动于35％-55％范围内，焦炭视密度为0.8-1t/m3。
· 焦炭性质依其块度不一样而改变，如表2所表示。
· 表2 焦炭性质随块度改变情况
块度/mm
25--50
13--25
6--13
6
含量/％
挥发分
2.0
2.5
4.0
6.0
灰分
6.0
6.5
8.0
10.0
固定碳
92.0
91.0
88.0
84.0
· 块度为25-40mm焦块电阻比焦粒（10-25mm）低10％-15％。生产铁合金用焦炭在破碎时产生粉末量应尽可能少，这一点是很关键，而且灰分成份应尽可能有利于所炼铁合金品种。
· 2.2原料处理
· 2.2.1 原料质量要求：
· A 原料品位和纯洁度：冶炼要求原料尽可能高品位。纯洁度高原料能够取得高产、优质、低消耗效果
· B 原料中有害杂质：原料中杂质以硫磷最为有害，因为它们进入铬铁合金后，最终将影响钢和钢材质量。
· C 原料粒度：原料粒度是否适宜对冶炼进程是有很大影响。原料粒度过大会造成不易熔化，还原因难，导电性增加，使渣量增大，炉况恶化，冶炼各项技术经济指标变坏。但如原料粒度过小，粉末多，则会使炉料透气性不好，电极周围压力大，造成刺火。而且粉末料易熔化，会使上层炉科烧结而悬料，造成塌料，其结果是电极不稳，刺火塌料频繁，未还原料直接进入坩埚，一样会使技术经济指标变坏。所以对矿热炉原料粒度应有严格要求。
· 铬矿中Cr2o3 ＞40％， Cr2o3/ΣFeO＞2.5，s＜0.05％，P＜0.07％，MgO和 Al2o3 含量不能过高；粒度10—70mm，如系难熔矿，粒度应合适小些。
· 焦炭要求含固定炭大于84％，灰分小于15％，S＜0．6％，粒度3—20mm。
· 硅石要求含SiO97％，Al2o3 ＜1．o％，热稳定性能好，不带泥土，粒度20一80mm。
· 2.2.2原料干燥：
· A 原料干燥也很关键，尤其是焦炭更需干燥。因为使用湿焦有以下几方面缺点：
· （1）焦炭孔隙度大，故吸水性很强。焦炭中水分波动，首先影响到炉料中固定炭配比正确性，其次水分蒸发也消耗热量。尤其当塌料时，湿料直接进入坩埚区，吸收大量热，使耗电量增加。上述原因直接影响炉况稳定性，造成操作困难，产量下降，单位电耗增加。
· （2）湿焦破碎后，其粉末常把筛孔堵塞或使筛孔变小，结果焦末筛不下来，使焦炭中粉末增多。
· （3）湿焦炭装入到闭炉，易使料管堵塞产生悬料，当料坍毁时，会带入空气，炉内压力快速增高，有可能产生爆炸事故。
· 干燥焦炭可用转简干燥机。转筒干燥机直径为1.5m；长12m，通入转筒热风温度为200℃，这种干燥机每小时每立方米容积能蒸发水分24kg。
· 2.2.3破碎和筛分：
· 因为入护原料有一定粒度规格，而使用直接从矿山开采远来矿石往往不能满足这个要求，所以必需优异行破碎筛分达成所要求粒度才能入炉使用。
· 现在，破碎铬矿和硅石设备大多使用颚式破碎机。矿石在不动颚板和可动颚板之间进行破碎．偏心轴旋转时，经过连杆和推扳使可动颚板作前后往复运动，达成压矿排矿目标。
· 矿热护要求焦炭粒度比矿石小。对冶炼要求小粒度原料或焦炭可采取对辊破碎机破碎。对辊破碎机由铸铁机架和一组相互对滚水平轴组成，对辊辊面是乎，也能够有一条宽为15-20mm，深4-5mm小槽。对辊为硬面铸铁件，其质量好坏影响其使用寿命，质量好对辊通常使用3个月。对辊破碎机碎矿比通常为3-4。
· 2.2.4原料输送和称量：
· 原料破碎后，再筛分，经过称量配料，送到炉顶料仓，经过料管加入炉或送至加料平台。
· 上料（即原料输送）设备和称量必需简单可靠，现在采取上料方法有以下两种：
· 一个是用皮带运输机将料达成料仓，然后按配料比在配料车（又称作称量车）将料配好卸人炉顶料仓。配料车上装有可开式料斗和称料用弹簧秤，配料车挂在电葫芦上。电葫芦沿着炉子周围单轨运行，配料工借电钮装置开动料仓给料机，依次将炉料按要求配比称好，送至一定料仓。
· 另一个上料方法是用上料小车沿斜桥将炉科送到炉顶平台。上料小车在原料仓，用杠杆式秤配料，配好炉料卸入上料小车，然后用卷扬机从斜桥把炉料运到炉顶平台上，再用小车把料推到炉顶料仓。在用手工加料小电炉上，配好炉料直接送到加科平台上。配料时，称量正确度要求达成5kg。
· 炉料混合是靠下料和倒运时进行。所以在称量时，应该把密度较小料配在底部，方便下料时达成混合均匀目标。
· 2.2.5原料预处理
· 为降低高碳铬铁生产设备造价，各厂全部趋向使用大型还原封闭电炉，这些电炉必需使用硬块铬铁矿。因为硬块铬铁矿供给困难，这就迫使各厂使用价廉碎铬铁矿和粉矿，但这类矿必需经过预处理才能人炉。所以铬矿粉预处理是铬铁生产厂关键步骤：
· 造球工艺：铬矿资源中块矿只占总量20％，其它80％是粉矿。有相当一部分铬矿居于易碎矿石，在开采和贮存过程中极易碎裂成细小颗粒。即使强度高块矿在加工过程也产生大量细粉。粉矿直接入炉不仅会造成大量有用元素随炉渣和炉气流失，还会直接威胁电炉运行安全。另外，生产过程产生大量粉尘也需要造块处理。现在球团和造块工艺已经成为铬铁生产工艺步骤关键组成部分，关键球团生产工艺有冷压块（又称冷固结球团）、热压块、蒸汽养生球团、碳酸化球团、烧结球团、预还原球团等。常见造球设备有压块机、圆筒造球机、因盘造球机等。
· 焙烧工艺过程：原料矿石中通常含有大量高价氧化物、化合水、碳酸盐和硫化物。焙烧是在合适温度和气氛条件下，使矿石发生脱水、分解、氧化、还原过程，改善入炉矿石物理性质和化学组成。
· 烧结工艺：烧结是利用矿石出现熔化或矿石和焙剂之间固—固反应产生液相来润湿和粘结矿石颗粒，冷却后形成多孔含有足够强度烧结矿工艺过程。烧结过程是物质表面能降低过程。粉矿含有较高分散度，其比表面积大于相同质量块矿。烧结后矿物表面积降低，体系自由能ΔG降低。这是—个自发进行过程。
2.3 高碳铬铁冶炼
2.3.1冶炼基础原理
电炉法冶炼高碳铬铁基础原理是在电弧加热高温区用碳还原铬矿中铬和铁氧化物．称为电碳热法。埋弧还原电炉是电炉一个，在铬铁生产中用于对矿石等炉料进行还原熔炼。其持点是正常熔炼过程中电弧一直埋在炉料之中。
按炉口形式分为高烟罩敞口式、矮烟罩敞口式（将高烟罩降低后，短网由烟罩上部引入一个改善型）、半封闭式和封闭式4种（见下图3）。前两种为早期使用形式，日趋淘汰。现在广泛采取是半封闭式和封闭式。
·
·
· 其中半封闭式还原电炉应用最广，这种电炉（尤其是中、小型）便于观察和调整炉况，可适应不一样原料条件，有利于改炼品种。电炉烟罩多为矮烟罩演变而成半封闭罩，通常在其侧部设置若干个可调整启闭度炉门，方便既可在需要加料、捣炉操作时开启，又可按要求控制进风量，调整炉气温度，实现烟气除尘甚至余热利用。封闭式还原电炉，亦即带炉盖密闭电炉，炉内产生煤气由导管引出，再经净化处理后可回收利用。为便于操作检修，并确保安全运行，封闭电炉炉盖上设置若干个带盖窥视、检修和防爆孔。这类电炉操作和控制技术要求较高。图2所表示则为全封闭式还原电炉冶炼车间剖面图，关键由配料站、主厂房及辅助设施等组成。
· 2.3.2 冶炼操作
· 电炉法冶炼高碳铬铁基础原理是在电弧加热高温区用碳还原铬矿中铬和铁氧化物．称为电碳热法。埋弧还原电炉是电炉一个，在铬铁生产中用于对矿石等炉料进行还原熔炼。其持点是正常熔炼过程中电弧一直埋在炉料之中。

· 冶炼操作工艺：电炉熔剂法生产高碳铬铁采取连续式操作方法。原料按焦炭、硅石、铬矿次序进行配料，以利混合均匀。敞口炉经过给料槽把料加到电极周围，料面呈大锥体。封闭炉由下料管直接把料加入炉内。不管是敞口炉还是封闭炉，均应伴随炉内炉料下沉而立即补充新料，以保持一定料面高度。
· 电炉内所发生化学反应生产高碳铬铁关键过程是：碳还原氧化铬生成Cr3C2开始温度为1385K，生成Cr7C3反应开始温度1453K，而还原生成铬反应开始温度为1520 K，所以在碳还原铬矿时得到是铬碳化物，而不是金属铬。所以，只能得到含碳较高高碳铬铁。而且铬铁中含碳量高低取决于反应温度。生成含碳量高碳化物比生成含碳量低碳化物更轻易。实际生产中，炉料在加热过程中先有部分铬矿和焦炭反应生成Cr3C2，伴随炉料温度升高．大部分铬矿和焦炭反应生成Cr7C3，温度深入升高，三氧化二铬对合金起精炼脱碳作用。
· 氧化铁还原反应开始温度比三氧化二铬还原反应开始温度低，所以铬矿中氧化铁在较低温度下就充足地被还原出来，并和碳化铬互溶，组成复合碳化物，降低了合金熔点。同时，因为铬和铁相互溶解，使还原反应更易进行。