第11讲铁合金

1、11 铁 合 金11.1 概 述铁合金是由一种或一种以上的金属或非金属元素与铁组成的合金，如硅铁是硅与铁的合金；锰铁是锰与铁的合金。铁合金还包括有其它非铁质元素组成的合金，如硅钙合金是硅与钙组成的合金。另外，铁合金也包括含铁极低的锰、铬、钒及工业硅等金属合金。11.1.1铁合金的分类随着现代科学技术和冶金工艺的发展，铁合金的品种在不断扩大。铁合金的品种繁多，分类方法也多种多样，冶金行业一般按下列方法进行分类：(1) 按铁合金中的主要元素分类，如硅、锰、铬、钼、钨、钛、钒等系列铁合金。(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、电炉

2、铁合金、炉外法(金属热法)铁合金、真空固态还原法铁合金、转炉铁合金、电解法铁合金等。(4) 含有两种或两种以上合金元素的多元铁合金，主要品种有硅钙合金、硅锰合金、硅铬合金、硅钙铝合金、硅锰铝合金、硅钙钡合金、硅铝钡合金等。11.1.2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，主要用作炼钢的脱氧剂和合金剂、铸造晶核的孕育剂等。(1) 用作脱氧剂。炼钢过程中，钢液中的各种杂质主要是通过氧化的方式(加入氧化剂或吹氧)去除，所以钢液中会溶有大量的氧。氧在钢液中一般是以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和得到力学性能良好的钢材。为此，需添加一

3、些与氧亲和力比铁强、且其氧化物易于从钢液中排除进入炉渣的元素，以使钢液中的氧含量降低到允许的程度，这个过程叫做脱氧，而用于脱氧的元素或合金叫做脱氧剂。钢水中各元素与氧的结合能力的大小，即脱氧能力，从弱到强的顺序如下：铬、锰、碳、硅、钒、钛、铝、钙。因而，炼钢生产中常用的脱氧剂有硅铁、锰铁、硅锰合金、硅钙合金、铝等。(2) 用作合金剂。合金元素及含量不同的钢种具有不同的性能。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称为合金剂。常用的合金剂有硅铁、锰铁、铬铁、钨铁、钼铁、钛铁、铌铁、硼铁、镍铁等。(3) 用于铸造工业，改善铸造工艺和铸件性能。改变铸铁和铸钢

4、性能的措施之一是改变铸件的凝固条件，在浇铸前加入某些铁合金作为形核孕育剂，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。硅铁可作为生产钼铁、钒铁等其它铁合金的还原剂；硅铬合金、锰硅合金可分别作为生产中低碳铬铁、中低碳锰铁的还原剂。 (5) 用于其它工业。在有色金属和化学工业中，铁合金的使用越来越广泛，如作为有色金属的添加剂；中低碳锰铁用于电焊条的生产；铬铁用于生产铬化物和镀铬阳极材料等。11.1.3 铁合金的生产方法铁合金的生产方法很多，可按以下几个方面进行分类：a 按生产设备分类按生产设备分类主要有：(1) 高炉法。高炉法生产铁合金与高炉炼铁的工艺

5、基本相同，目前主要是生产碳素锰铁。高炉碳素锰铁生产的主要原料为锰矿、焦炭和熔剂以及助燃的空气或富氧，焦炭不但是还原剂，也是燃料。原料从炉顶装入炉内，高温空气或富氧气体经风口鼓入炉内，焦炭在风口处燃烧，获得高温及还原性气体，对矿石进行还原反应，生成的炉渣、金属积聚在炉底，通过渣口、铁口定时排除，随着炉料的熔化下降，不断加入新料，生产是连续进行的。高炉法生产铁合金，生产率高，成本低。但由于高炉炉内温度低，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的铁合金和低品位的铁合金，如碳素锰铁、低硅铁、低锰铁、富锰渣等。(2) 电炉法。电炉法是生产铁合金的主要方法。电炉法主要分为还原

6、电炉(矿热炉)法和精炼炉(电弧炉)法两种。还原电炉法是用碳作为还原剂，还原矿石生产铁合金。将混合好的炉料加入炉内，并将电极埋在炉料中，依靠电弧和电流通过炉料而产生的电阻热加热，熔化的金属和炉渣集聚在炉底，通过出铁口定时出铁和出渣，生产过程是连续进行的。精炼炉法是用硅(硅质合金)作为还原剂，生产含碳量低的铁合金。依靠电弧热和硅氧化反应热进行冶炼，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、出铁等，生产过程为间歇进行。(3) 炉外法(金属热法)。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，在筒式炉中进行。使用的原料有精矿、还原剂、熔剂、发热剂以及钢屑、铁矿

7、石等，冶炼前将炉料破碎干燥，按一定比例配料混匀后装入筒式炉内，用引火剂引火，依靠反应热完成冶炼。(4) 氧气转炉法。氧气转炉法使用的主体设备是转炉，其供氧方式有顶吹、底吹、顶底复合吹炼等。目前主要生产中、低碳铬铁和中碳锰铁，使用的原料为液态高碳铁合金、纯氧、冷却剂及造渣剂等。将液态高碳铁合金兑入转炉，高压氧气经氧枪通入转炉内进行吹炼，依靠氧化反应放出的热量脱碳，生产是间歇进行的。(5) 真空电阻炉法。生产含氮合金、含碳量极低的微碳铬铁等产品时采用真空电阻炉法，其主体设备为真空电阻炉。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，同时抽气，脱碳反应在真空固态条件下进行，生产是间

8、歇进行的。b按热量来源分类根据热量来源不同分为碳热法、电热法、电硅热法和金属热法。(1) 碳热法。碳热法其冶炼过程的热量来源主要是焦炭的燃烧热，用焦炭作还原剂还原矿石中的氧化物，生产在高炉中进行。 (2) 电热法。电热法其冶炼过程的热量来源主要是电能，使用碳质还原剂还原矿石中的氧化物，采用连续式的操作工艺，在还原电炉中进行。(3) 电硅热法。电硅热法其冶炼过程的热量来源主要是电能，其余为硅氧化放出的热量，使用硅(如硅铁或中间产品硅锰合金、硅铬合金)作还原剂还原矿石中的氧化物，生产是在精炼电炉中进行的间歇式作业。(4) 金属热法。金属热法其热量来源主要是由硅、铝等金属还原剂还原精矿中氧化物时放出

9、的热量，生产采用间歇式，在筒式熔炼炉中进行。c 按操作方法和工艺分类根据生产工艺特点不同分为熔剂法和无熔剂法、连续式和间歇式、无渣法和有渣法等冶炼方法。(1) 熔剂法。熔剂法生产铁合金是采用碳质材料、硅或其它金属作还原剂，生产时加造渣材料调节炉渣成分和性质(炉渣的酸、碱性)。(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，生产时不加造渣材料调节炉渣成分和性质。(3) 连续式冶炼法。连续式冶炼法一方面根据炉口料面下降情况，不断地向炉内加料，另一方面将炉内熔池积聚的合金和炉渣定期排除。采用埋弧还原冶炼，操作功率几乎是均衡稳定的。(4) 间歇式冶炼法。间歇式冶炼法是将炉料集中或分批加入

10、炉内，冶炼过程一般分为熔化和精炼两个时期，熔化期电极埋在炉料中，精炼完毕，排除合金和炉渣，再装入新科，进行下一炉冶炼。由于冶炼各个时段的工艺特点不同，操作功率也不同。(5) 无渣法。无渣法冶炼铁合金采用碳质还原剂、硅石或再制合金为原料，在还原电炉中连续冶炼。(6) 有渣法。有渣法冶炼铁合金是在还原电炉或精炼电炉中，选用合理的造渣制度生产铁合金，其渣铁比受冶炼品种和采用的原料条件等因素的影响。11.1.4 我国铁合金的主要标准钢铁工业是国民经济的基础工业，它对国民经济其它行业的发展起着十分重要的作用。从改革开放以来，我国钢铁工业的迅速发展大大促进了钢铁工业的标准化工作，一系列的冶金标准已经逐步完

11、善，同时制订了有关铁合金的相关标准。为了大家在工作中参考之用，现将一些主要的铁合金标准的代号和名称说明如下。a 相关基础标准gb/t 3650 铁合金验收、包装、储运、标志和质量证明书的一般规定gb/t 4010 铁合金化学分析用试样的采取和制备gb/t 7738 铁合金产品牌号表示方法gb/t 13247 铁合金产品粒度的取样和检测方法gb/t 14984 铁合金术语gb/t 18249 检查铁合金取样和制样偏差的试验方法 b 各种铁合金的标准及其适用范围gb/t 2272 硅铁本标准适用于炼钢和铸造作脱氧剂或合金元素加入剂用的硅铁。gb/t 2774 金属锰本标准适用于电硅热法生产的金属锰

12、，供冶炼高级合金钢和非铁基合金，作锰元素添加剂或脱氧剂。gb/t 3211 金属铬本标准适用于炼制高温合金、电阻合金、精密合金作铬元素添加剂用的金属铬。gb/t 3282 钛铁本标准适用于含钛矿物经还原法制得的供炼钢、铸造添加剂或电焊条涂料用的钛铁。gb/t 3648 钨铁本标准适用于炼钢和铸造中作为钨元素加入剂用的钨铁。gb/t 3649 钼铁本标准适用于炼钢中作为钼元素加入剂用的钼铁。gb/t 3795 锰铁本标准适用于炼钢、铸造作脱氧剂、脱硫剂和合金元素加入剂由电炉、高炉生产的锰铁。gb/t 4008 锰硅合金本标准适用于炼钢及铸造作合金剂、复合脱氧剂和脱硫剂，冶炼中低碳锰铁作还原剂用的

13、锰硅合金。gb/t 4009 硅铬合金本标准适用于炼钢及铸造作还原剂和合金剂、精冶铬铁时作还原剂用的硅铬合金gb/t 4137 稀土硅铁合金本标准适用于炼钢及铸造作添加剂或配制稀土中间合金的稀土硅铁合金。gb/t 4138 稀土镁硅合金本标准适用于生产球墨铸铁用的稀土镁硅铁合金。gb/t 4139 钒铁本标准适用于炼钢或合金材料中作为钒元素加入剂用的钒铁。gb/t 5682 硼铁本标准适用于炼钢、铸造和供非晶、超微晶母合金、钕铁硼合金及其它用途作硼元素加入剂用的硼铁。gb/t 5683 铬铁本标准适用于炼钢中作为铬元素加入剂用的铬铁。gb/t 5684 真空法微碳铬铁本标准适用于炼钢中作为合金

14、元素加入剂用的真空法微碳铬铁。gb/t 7737 铌铁本标准适用于以五氧化二铌及铌铁精矿为原料生产的供炼钢、铸造作添加剂和电焊条合金剂用的铌铁。gb/t 15710 硅钡合金本标准适用于炼钢、铸造作为脱氧剂、脱硫剂和铸造孕育剂的硅钡合金。yb/t 051 电解金属锰本标准适用于冶炼特殊钢及有色合金作为锰元素添加剂等用的电解金属锰。yb/t 065 硅铝合金本标准适用于炼钢作为脱氧剂、发热剂用的硅铝合金。yb/t 066 硅钡铝合金本标准适用于炼钢作脱氧剂、脱硫剂的硅钡铝合金。yb/t 067 硅钙钡铝合金本标准适用于炼钢作脱氧剂、脱硫剂的硅钙钡铝合金。yb/t 5051 硅钙合金本标准适用于炼

15、钢作复合脱氧剂、合金元素添加剂和铸铁生产中作孕育剂的硅钙合金。yb/t 5036 磷铁本标准适用于炼钢及铸造中合金元素添入剂的磷铁。yb/t 5129 氧化钼块本标准适用于炼钢和铸铁作为元素添加剂的氧化钼块。yb/t 5140 氮化铬铁本标准适用于炼钢中作为氮(铬)加入剂的氮化铬铁。3yb/t 5216 铌锰铁合金本标准适用于以含铌中贫铁矿及含铌平炉钢渣为原料，经热碳法冶炼可供炼钢和铸铁作添加剂的铌锰铁合金。c 铁合金牌号的表示方法(gb 7738) 各类铁合金产品牌号表示方法按下列格式编写： 表示主要杂质元素及其最高百分含量或组别 表示主元素(或化合物)及百分含量 表示含铁元素的铁合金产品，

16、以化学符号“fe”表示 表示铁合金产品工艺和产品特性(以汉语拼音字母表示)11.1.5铁含金生产技术的发展趋势随着钢铁工业的发展和科学技术的进步，铁合金生产品种、冶炼工艺、技术装备、节能降耗、环境保护、资源综合利用等方面都有一定的发展和进步。铁合金生产技术的发展有以下几个方面：(1) 产品结构发生变化，品种面向多元化。合理利用资源，增加产品品种，充分利用合金元素，产品向复合或多元化方向发展，是铁合金生产的发展的的重要趋势。(2) 采用精料技术。精料技术是铁合金生产增产降耗的重要环节。如采用优质组合的碳质还原剂，搭配气煤焦和烟煤，代替一部分冶金焦；采用烧结矿、球团矿、铁精矿球团、铁鳞球团等，改善

17、入炉矿石的制备技术和入炉条件，从而提高生产效率。(3) 采用高效率的大型还原电炉，提高技术装备水平。包括还原电炉的大型化、连续作业；根据冶炼品种，采用全封闭式电炉或将敞口炉改造为全封闭式电炉，新建或改建半封闭式电炉；采用新型结构的电极把持器、车式加料拨料捣炉机、开堵铁口机等。(4) 采用先进的生产工艺。采用连续法冶炼硅钙合金、一步法冶炼硅铬合金、热兑法(波伦法)生产中低碳锰铁及微碳铬铁等生产工艺，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。 (5) 应用电子计算机控制电炉冶炼过程。用计算机控制电炉生产全过程，如配料、上料及加料、电极压放、电炉功率调节、冷却水及烟气净化系统的控

18、制等，可提高电炉工作负荷和作业率，避免操作失误引起的炉况波动和设备事故。(6) 采用新技术。铁合金生产新技术包括铁合金直流还原电炉技术(含中空电极技术)、铁合金熔融还原技术、等离子炉冶炼新技术、铁合金产品的深加工及芯线技术等。11.2 硅系合金11.2.1 硅铁的牌号及用途我国电炉冶炼硅铁的主要品种有硅45、硅65、硅75、硅90，其牌号及成分见表11-1。表11-1 硅铁牌号及化学成分(gb/t 272)牌 号化 学 成 分 /% sialcamncrpsc范 围fesi90a11.587.095.01.51.50.40.20.040.020.02fesi90a1387.595.03.01.

19、50.40.20.040.020.02fesi75al0.5-a74.080.00.51.00.40.30.0350.020.01fesi75a10.5-b72.080.00.51.00.50.50.040.020.02fesi75al1.0-a74.080.01.01.00.40.30.0350.020.01fesi75a11.0-b72.080.01.01.00.50.50.040.020.02fesi75al1.5-a74.080.01.51.00.40.30.0350.020.01fesi75a11.5-b72.080.01.51.00.50.50.040.020.02fesi75al

20、2.0-a74.080.02.01.00.40.30.0350.020.01fesi75a12.0-b74.080.02.01.00.40.30.040.020.01fesi75a12.0-c72.080.02.00.50.50.040.020.02fesi75-a74.080.00.40.30.0350.020.01fesi75-b74.080.00.40.30.040.020.01fesi75-c72.080.00.50.50.040.020.022fesi6565.072.00.60.50.040.02fesi4540.047.00.70.50.040.02硅铁主要用作炼钢的脱氧剂和合金

21、添加剂。钢铁工业消耗的硅铁约占硅铁总产量的90%以上，折换成含硅75%的硅铁，每吨钢消耗硅铁35kg。在钢中添加一定量的硅，能显著提高钢的强度、硬度和弹性。在铸铁中硅能阻止碳化物形成，促进石墨的析出和球化，是一种常用的孕育剂。硅铁还是金属热(硅热)法生产铁合金重要的还原剂。11.2.2 硅及其化合物的物理化学性质纯硅呈钢灰色，有金属光泽，性硬且脆，属于非金属。硅是自然界分布较广的元素，就其含量而言，在地壳中占第二位，仅次于氧。硅的主要物理化学性质如下：原子量 28.08；密度230okg/m3；熔点1683k；沸点2953k；熔化热46.5kj/mo1；蒸发热465kj/mo1；升华热170.

22、0kj/mo1。硅在常温下很不活泼，但在高温下易与氧、硫、氮、碳及许多金属生成化合物。硅与氧生成sio2及sio两种氧化物，生成si02时放出大量的热(sio2=sio2878.39kj)。二氧化硅是一种很稳定的化合物，自然界中的硅都是以这种状态存在。二氧化硅的熔点1983k，沸点2500k。二氧化硅有几种晶体变态，各种晶体变态的特性见表2，不同晶型的二氧化硅在转化过程中，不仅晶型发生变化，而且晶体体积也发生变化，特别是从石英转化成鳞石英，体积发生明显的膨胀，这就是硅石在冶炼过程中发生爆裂的主要原因。硅和氧生成易挥发的一氧化硅(2si(l)o2(g)=2sio(g)，sio沸点1890k)，气

23、态的一氧化硅只有在温度高于1773k时才能稳定存在，在温度低于1773k时，分解成硅和二氧化硅(2sio=sisio2)。表11-2 二氧化硅各种晶体变态的特性变 态晶格形状密度/kgm-3稳定范围/k备 注-石英-石英-鳞石英-鳞石英-鳞石英-白硅石-白硅石二氧化硅玻璃三角形六角形菱形六角形六角形四角形正方形无定形26502530227022402230233022202220846846114339039043638917434434534531983自然界广泛存在常温时不存在，转变时体积增加2.4%大于390k时转变成-鳞石英常温下不存在在11431743k稳定在自然界中非常少在常温下不

24、存在在更低的温度下以过冷的状态存在一氧化硅的特点是挥发性很大，当温度为2163k时，其蒸气压力达1olkpa(latm)，这就是冶炼硅铁时造成硅气化损失的主要原因。硅与碳可生成碳化硅(sic)，碳化硅的密度为320okg/m3，其分解温度为2880k。碳化硅的主要特点是稳定、难分解、高温下比电阻小、不溶于合金，当有铁存在时，sic的稳定性下降。硅与铁能按任意比例互溶，如图11-1所示。硅与铁能生成fesi2、fesi、fa5si3、fe2si等硅化物，其中以fesi最稳定，熔点为1683k，熔化时不分解，能以fesi形式存在于液态合金中，其余的硅化物当加热时在固态即分解。fesi含si33.3

25、%，含fe 66.7%，因此含si33.3%的硅铁合金中，铁都组成fesi，此外还有自由硅原子。在fe-si系合金中有三个共晶体：含硅20%的共晶体熔点为1463k；含硅51%的共晶体熔点为1485k；含硅59%的共晶体熔点为1481k。硅铁的熔点随含硅量增加而升高，标准硅铁的熔点低于1643k，含硅 图11-1 铁-硅状态图74%80%的硅铁熔点在15931643k之间。硅铁的密度随着硅含量的增加而减小，其关系见表11-3。通常利用测定合金密度的方法来迅速确定合金中的含硅量。表11-3 硅铁含硅量与密度的关系含硅量/%2040657590密度/kgm-36400561040003270265

26、0硅与铁的合金容易产生偏析，合金锭上部的硅含量和下部的硅含量之差达20%以上。合金锭的厚度越大，冷却凝固时间越长，则偏析也越严重。因此冶炼75%硅铁浇注时，锭厚度不能大于100mm。 硅铁产品有时会粉化，这是由于含有相(在含si 53.5%56.65%之间形成，在1493k时凝固)和磷、铝、钙、砷等杂质的硅铁在潮湿的大气中存放造成的粉化，并放出有毒气体ph3、ash3。因此在实际生产中，为了预防硅铁粉化， 图11-2 硅铁中铝、磷含量对其粉化的影响不生产成分接近相的合金，并努力降低合金中铝、磷、钙、砷的含量，浇注时要加速冷却，快速凝固，减少合金锭的厚度。硅铁中铝、磷含量对其粉化的影响见图11-

27、2。 硅与氢生成si2h2、si2h6和sih4。sih4在常温下稳定，在673k以下发生分解：sih4=si2h2。在冶炼硅铁的过程中，硅吸收原料中水气分解产生的氢，75%硅铁含氢约为0.025%，45%硅铁含氢约0.0007%。硅和硫生成sis和sis2，这些化合物在高温下有一定的挥发性，因此在冶炼过程中有一部分随炉气逸出。11.2.3 硅钙合金11.2.3.1 硅钙含金的牌号及用途硅钙合金的牌号及化学成分见表11-4。表11-4 硅钙本金牌号及化学成分(yb/t 5051)牌号化学成分/%casicalpsca31si603155651.02.40.040.05ca28si6028556

28、51.02.40.040.05ca24si602455651.02.50.040.04ca20si602050601.02.50.040.04ca16si601650601.02.50.040.04硅钙合金主要用于炼钢和铸铁生产。硅钙合金是一种很好的复合脱氧剂，硅和钙与氧的亲和力都很大，生成的氧化物能结合成低熔点的复杂化合物，其颗粒大，易上浮入渣，并形成球状。硅钙合金中的钙与硫可形成稳定的化合物cas，而且cas不溶于钢水，因此硅钙合金脱氧时还有脱硫的作用。由于用硅钙合金脱氧的钢液比较纯净，在冶炼优质钢和特种合金钢时，常用硅钙合金作脱氧剂。目前硅钙合金可以代替铝进行终脱氧。在铸铁生产中，硅钙合

29、金比硅铁更能有效地改善铸铁的性能。硅钙合金不仅是一个有效的孕育剂，促进球状石墨的形成，而且还能起到脱氧、脱硫、脱氮和增硅的效果。11.2.3.1 钙及其化合物的物理化学性质钙在地壳中的含量为3.6%。纯钙是银白色的金属，有塑性。钙的主要物理化学性质：原子量：40.08； 密度：1540kg/m3；熔点：1123k；沸点：1753k；电阻率(273k) 4.0l0-6cm。钙与碳生成稳定的碳化物cac2，其熔点为2573k，密度222okg/cm3。熔渣中碳化钙含量越高，渣越黏，排渣越困难。钙与氧生成稳定的化合物cao，熔点为2860k，是一种碱性氧化物。钙与硅生成三种硅化物：ca2si、cas

30、i2、casi，其中casi最稳定。ca2si在温度低于1183k时，存在于含钙大于60%的固态平衡的合金中。casi在温度低于1518k时，可直接从含钙量为42%78%的液态溶体中结晶出来；casi在温度低于1253k时，存在于含钙量小于42%的合金中；温度低于1293k时，存在于含钙量为42%60%的固体合金中。钙与铁不形成化合物，也不互溶，但在液态时，钙与铁能分别溶解大量的硅。钙与硫生成稳定的硫化物cas。钙与磷生成磷化物：ca3p2、cap、cap5。11.3 锰系合金11.3.1 锰铁的牌号及用途锰铁是锰与铁的合金，其中还含有碳、硅、磷及少量其它元素。电炉冶炼的锰铁，根据其含碳量的不

31、同，又分为高碳锰铁(碳素锰铁)、中碳锰铁和低碳锰铁三种，其牌号及化学成分见表11-5。表11-5 电炉锰铁牌号及其化学成分(gb/t 3795)类 别牌 号 化 学 成 分mncsips不 大 于低碳锰铁femn88c0.285.092.00.21.02.00.100.300.02femn84c0.480.087.00.41.02.00.15.0.300.02femn84c0.780.087.00.71.02.00.200.300.02中碳锰铁femn82c1.078.085.01.01.52.00.200.350.03femn82c1.578.085.01.51.52.50.200.350.

32、03femn78c2.075.082.02.01.52.50.200.400.03高碳锰铁femn78c8.075.082.08.01.52.50.200.330.03femn74c7.570.077.07.52.03.00.250.380.03femn68c7.065.072.07.02.54.50.250.400.03在锰系合金中含有足够硅量的锰铁合金称为锰硅合金，其牌号及化学成分见表11-6。表11-6 锰硅合金牌号及其化学成分(gb/t 4008)牌 号化 学 成 分 /%mnsicpsfemn64si2760.067.025.028.00.50.100.150.250.04femn6

33、7si2363.070.022.025.00.70.100.150.250.04femn68si2265.072.020.023.01.2.0.100.150.250.04femn64si2360.067.020.025.01.20.100.150.250.04femn68si1865.072.017.020.01.80.100.150.250.04femn64si1860.067.017.020.01.80.100.150.250.04femn68si1665.072.014.017.02.50.100.150.250.04femn64si1660.067.014.017.02.50.200

34、.250.300.05硫为保证元素，其余均为必测元素。含有极少量的其它元素，而其余均为锰的合金称为金属锰，其牌号及化学成分见11-7。表11-7 金属锰牌号及其化学成分(gb 2774)牌 号化 学 成 分 /%mncsifepsnicual+ca+mn不小于不 大 于jmn9797.00.080.42.00.040.040.020.030.7jmn9596.50.100.52.30.050.050.020.030.7jmn95-a95.00.150.82.80.060.050.020.030.7jmn95-b95.00.150.83.00.060.050.020.030.7jmn93-a93

35、.50.201.82.80.060.050.020.030.7jmn93-b93.50.201.84.00.060.050.020.030.7在锰系合金中还有一种含硅、碳、磷量与高碳锰铁相近，而含锰量仅为20%30%，并且因其断面光亮如镜而得名的镜铁。锰是钢铁生产中不可缺少的元素之一。由于锰与氧、硫有较大的亲和力，常用锰铁作为炼钢的脱氧剂和脱硫剂。另外，锰铁还作为炼钢的合金剂加入钢中，改善钢的机械性能，增加钢的强度、硬度、延展性和耐磨性等。此外，锰铁还大量用于电焊条的生产，金属锰广泛用于生产锰青铜和铝合金。在化学工业中也得到利用。11.3.2锰及其化合物的物理化学性质11.3.2.1锰的主要物

36、理化学性质锰的相对原子量：54.93；密度：7300kg/m3；熔点：1517k；沸点2368k；熔点热7.37 kj/mo1；蒸发热225.0kj/mol。锰有四种变化形态，各种变态的晶格也不同：小于1000k稳定，立方体；由1000k到1374k稳定，立方体；由1374k到1410k稳定，面心四面体；由1410k到1517k稳定，体心立方体。转变热为：h=2240j/mol；h =2281.81j/mo1； h =1800.3j/mol。11.3.2.2 锰化合物的性质锰与氧生成一系列的氧化物：mno2、mn2o3、mn3o4和mno。锰的低价氧化物较高价氧化物稳定，加热时高价氧化物将逐级

37、分解成低价氧化物，并放出氧，在高温下只mno是稳定的。48095012000mno2 mn2o3 mn3o4 mno锰与铁在液态和固态时完全互溶，但不生成化合物，图11-3为锰铁状态图。锰与碳生成的碳化物有mn7c3，mn3c和mn23c6等，图11-4为锰碳状态图。锰与硅生成硅化物mn2si、mnsi、mn2si3，其中以mnsi最稳定，图11-5为锰硅状态图。硅化锰是较碳化锰更稳定的化合物，当锰的碳素合金中硅的含量增高时，硅会将其中的碳置换出来，生成硅化物。锰硅合金中的硅含量与碳含量之间的关系如图11-6，含硅量愈高，含碳量就愈低。锰与磷生成的磷化物有mn5p2、mnp、mnp2和mnp3

38、，其中以mn5p2最稳定。锰与氮生成的氮化物有mn4n、mn5n2和mn3n2，氮在锰中的溶解度是非常稳定的的化合物，在液态和固态的溶解度都很小。 图11-3 铁锰状态图 图11-4 锰碳状态图图3.3 金属锰 金属锰是一种以锰单质为主，其它各种成分均作为杂质加以严格限制的纯锰金属。金属锰主要用于生产高温合金、不锈钢、有色金属合金和低碳高强度钢的添加剂、脱氧剂或脱硫剂，其中绝大部分用于生产铝锰合金、不锈钢和不锈钢焊条等，铝锰合金具有良好的耐蚀性能和较高的强度，主要用于航空工业和现代建筑用装饰性材料。 金属锰的生产有以下三种方法：(1)电硅热法；(2)电解法；(3)铝热法。电硅热法生产金属锰与电

39、硅热法生产中低碳锰铁相似，它是在精炼电炉内用高硅锰硅合金中的硅还原富锰渣中的mno 生产金属锰，此法的优点是在 图115 锰硅状态图整个冶炼过程中，能够大量地去除铁、碳、硅、磷、硫等杂质，生产成本比较低，然而与电解法相比，对锰矿的品位要求比较高，获得的金属锰纯度不高，含锰94%98%，锰的总回收率为56%左右。电解法生产金属锰，是用直流电电解硫酸锰溶液而得到含锰极高的金属锰。此法可使用多种类型和品级的锰矿(包括贫锰矿)，生产出含锰高达99.9%左右的金属锰，但是该方法要消耗大量 图11-6 锰硅合金中硅量与含碳量的关系的化工原料和电能，成本高、价格昂贵，只限于炼制特种合金时用。铝热法是采用铝作

40、还原剂，利用还原氧化锰释放的化学热进行冶炼，炼制含锰高于90%的低牌号金属锰。此法的优点是生产设备和操作工艺比较简单，但生产过程中不能去除杂质，对原料要求严格，通常都选用含si02等杂质极低的富锰矿，耗铝量大，成本高，并且产量也低，所以现在很少采用这种方法生产金属锰。目前国内外普遍采用的是电硅热法和电解法，而以电硅热法的生产量最大。11.4 铬系合金11.4.1 概述铬是钢中功能最多、应用最广泛的合金化元素之一。铬具有显著改变钢的抗腐蚀能力和抗氧化能力的作用，并有助于提高耐磨性和保持高温强度。在各种不锈钢中，铬是一种必不可少的成分。据统计，不锈钢生产中用铬量约占炼钢工业总用铬量的70%以上。铬

41、消耗量占第二位的是合金结构钢，这种钢的铬含量通常低于3%。工具钢、高温合金和其它特种合金虽然含铬量很高，但生产的数量较少，所以在消耗铬的总量方面与其它用途比较少。世界主要产钢国家中，美国、日本和中国都是本国缺少铬矿资源的国家，几乎完全依靠进口。在已查明的世界铬矿储量中，南非居首位，占70%以上，是国际市场上铬矿的主要供应国。津巴布韦拥有世界铬矿总储量的1.6%，可是它的铬产量在世界上却最高。土耳其、芬兰、巴西、阿尔巴尼亚、印度、伊朗、菲律宾等是向国际市场供应铬矿的重要产地。地壳中的铬相当丰富，然而，由于种种政治、经济方面的原因造成人为的紧张，因此，铬的储备成了值得重视的问题。铬能够使钢的许多性

42、能得到改善和提高，尤其作为不锈钢等材料的合金化元素具有的独特性质，无疑将使铬的需要量不断增加。11.4.2高碳铬铁11.4.2.1高碳铬铁牌号及用途高碳铬铁牌号及化学成分见表11-8。 表11-8 高碳铬铁牌号及化学成分(gb 5683)牌 号化 学 成 分/%crcsips范 围fecr67c6.062.072.06.03.00.030.040.06fecr55c60060.052.06.03.05.00.040.060.040.06fecr67c9.562.072.09.53.00.030.040.06fecr55c100060.052.010.03.05.00.040.060.040.0

43、6高碳铬铁(含再制铬铁)主要用途有：(1) 用作含碳较高的滚珠钢、工具钢和高速钢的合金剂，提高钢的淬透性，增加钢的耐磨性和硬度；(2) 用作铸铁的添加剂，改善铸铁的耐磨性和提高硬度，同时使铸铁具有良好的耐热性；(3) 用作无渣法生产硅铬合金和中低、微碳铬铁的含铬原材料；(4) 用作电解法生产金属铬的含铬原料；(5) 用作吹氧法冶炼不锈钢的原料。11.4.2.2 铬及其化合物的物理化学性质铬的主要物理化学性质为：相对原子质量：52.1；密度： 7160kg/m3；熔点： 2148k；沸点：2938k；电阻率14.1l0-3cm。铬与碳形成cr23c6、cr7c3、cr3c2等碳化物。在有铁存在时

44、，形成(cr，fe)23c6、(cr，fe)7c3、(cr，fe)3c2等复合碳化物。铬碳状态图如图11-7。 铬与硅形成cr3si、cr5si2、crsi、crsi2等硅化物；铬与磷形成cr3p、cr2p等磷化物；铬与硫形成crs、cr7s8、cr3s4、cr2s3等硫化物。铬与氧形成cro3、cro2、cr2o3、cr3o4和cro等氧化物，其中以cr2o3最为稳定。11.4.3 硅铬合金 图11-7 铬碳状态图11.4.3.1硅铬含金牌号及用途硅铬合金的牌号及化学成分见表11-9。表11-9 硅铬合金牌号及化学成分牌号(gb 4009)牌 号化 学 成 分 /%sicrcpsfecr30

45、si40-a40.030.00.020.020.040.01fecr30si40-b40.030.00.040.020.040.06fecr30si40-c42.030.00.060.020.040.01fecr30s40-d42.030.00.100.020.040.01fecr32s3535.032.01.0.20.020.040.01硅铬合金90%以上用作电硅热法冶炼中、低、微碳铬铁的还原剂。此外，硅铬合金还作炼钢的脱氧剂与合金剂。随着氧气炼钢的发展，用硅铬合金还原钢渣中的铬和补加不足的铬量得到了日益广泛的应用。据统计，平均每吨钢消耗硅铬合金0.5kg左右。11.4.3.2 硅铬合金的性

46、质硅铬合金系铬、铁的硅化物，是含有足够硅量的铬铁。关于液态硅铬合金的结构和性质，通过对fe-cr-si三元系的研究认为，当合金中的铁含量为15%和25%时， 发现有硅化物(cr，fe)si2和(cr，fe)si。含si 50%的由 图11-8 硅铁合金中含硅量与含碳量的关系(cr，fe) si2组成；含si 40%的由(cr，fe)si2和(cr，fe)si组成；含si 30%的由(cr，fe)si和(cr，fe)3si2组成；含si 20%由(cr，fe)3si2和-固溶体组成。铬的硅化物较碳化物稳定，因此当fe-cr-si合金中的硅含量增高时，碳含量下降，见图11-8。11.4.4中低碳铬

47、铁11.4.4.1中低碳铬铁脾号及用途中低碳铬铁的牌号及化学成分如表11-10所示。中低碳铬铁用于生产中低碳结构钢、铬钢、合金结构钢。铬钢常用于制造齿轮、齿轮轴等。铬锰硅钢常用于制造高压风机的叶片、阀等。表11-10 中低碳铬铁牌号及化学成分(gb 5683)类别牌 号化 学 成 分 /%crcsips范 围低碳fecr69c0.2563.075.00.251.50.030.025fecr55c2560.052.00.252.03.00.040.060.030.05fecr69c0.563.075.00.501.50.030.025fecr55c5060.052.00.502.03.00.04

48、0.060.030.05中碳fecr69c1.063.075.01.01.50.030.025fecr55c10060.052.01.02.53.00.040.060.030.05fecr69c2.063.075.02.01.50.030.025fecr55c20060.052.02.02.53.00.040.060.030.05fecr69c4.063.075.04.01.50.030.025fecr55c40060.052.04.02.53.00.040.060.030.054.5 微碳铬铁微碳铬铁牌号及成分见表11-11所示。铬主要用于提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，使钢的表面在氧化气氛中形成一层附着性很强的氧化薄膜，随后停止氧化或减慢氧化速度。微碳铬铁主要用于生产不