浅谈高碳铬铁各种成分的影响因素及控制_论文

1、浅谈高碳铬铁各种成分的影响因素及控制摘 要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、合金添加剂、还原剂等的合金。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。本篇文章就当今社会高碳铬铁中碳、硅、硫和铬回收率方面进行了简要论述。主要从高碳铬铁中各种成分反应的机理和常见成分控制进行阐述，揭示了各种成分的控制方法和效果。关键词： 高碳铬铁； 成分控制； 铬回收率- 13 -目录1.前言- 1 -2.冶炼原理- 1 -2.1电炉熔池结构-

2、 1 -2.2铬的碳化物生成机理- 2 -2.3影响合金含碳量的因素- 3 -2.3.1铬矿- 3 -2.3.2合金的含硅量- 3 -2.3.3渣型- 4 -2.3.4冶炼操作- 5 -3.高碳铬铁冶炼中的硅行为浅析- 5 -3.1高碳铬铁冶炼过程中合金含硅量的变化规律：- 5 -3.2高碳铬铁冶炼过程中合金含硅量变化的影响因素：- 5 -4.高碳铬铁合金降硫途径探讨- 6 -4.1硫的来源及存在状态- 6 -4.2降低高碳铬铁合金中硫含量主要有一下几种途径- 6 -4.3原因分析- 7 -5.高碳铬铁冶炼中铬元素的流向分析及提高铬回收率的途径探讨- 7 -5.1有关计算式- 7 -5.2铬元

3、素的流向分析- 8 -5.3提高铬元素回收率的途径- 8 -6.结论- 10 -后记- 11 -参考文献- 12 -1. 前言我国国家标准规定高碳铬铁合金的含碳量为4一10% 。实际上 ,用户对高碳铬铁含碳量的要比上述范围更狭窄的情况已日趋增多 ,还有通过合金含碳量的控制来改善其破碎性能等一些特殊的要求。因此 ,在高碳铬铁冶炼过程中如何控制合金含碳量已成为一个重要的技术课题。对于高碳铬铁冶炼过程中各种铬的碳化物的生成机理及合金含碳量的影响因素已有不少人作过探讨,但研究尚有待进一步深化 。我们参阅了有关研究资料 ,并根据我们对高碳铬铁生产实践的认识,对高碳铬铁冶炼过程中合金含碳的变化规律及其影响

4、因素进行了粗浅的分析,同时提出了控制该产品含碳量的一些原则意见。对于高碳铬铁冶炼过程中各种铬的硅化物的生成机理及合金含硅量的影响因素已有不少人进行了探讨,但研究尚有待进一步深化。我们参阅了有关的研究资料 ,并根据我们对高碳铬铁生产实践的认识 ,对高碳铬铁冶炼过程中合金含硅量的变化规律及影响因素进行了粗浅的分析,同时提出了控制该产品含硅量的一些意见。降低高碳铬铁含硫量是生产高碳铬铁的重要课题。在冶炼过程中,硫的分配情况是50一60%进人炉渣 ,20一30%挥发 ,8一15%左右进人合金。如何降低进入合金中的硫是铁合金工作者一直关注的问题影响合金硫含量的因素很多,如焦炭的含硫量,合金中的碳、硅含量

5、,炉渣碱度及炉温等对合金的脱硫都有影响。铬元素能使钢、合金和某些金属材料具有特殊的物理化学性质,可改善材料的性能,它作为重要的合金元索之一己被广泛重视和使用。铬元素是从铬矿中的Cr2O3被还原得到的。我国是世界上铬矿资源缺乏的国家之一,使用的铬矿多数为进口矿。因此,在铁合金冶炼中铬矿的合理使用已被关注,提高铬元素的回收率有着重要意义,每提高一个百分点其效益都是很可观的。2. 冶炼原理2.1电炉熔池结构图1高碳铬铁电炉熔池结构2.2铬的碳化物生成机理在矿热炉中，用焦炭作还原剂对铬矿进行还原时，三氧化二铬的碳热还原反应及标准自由能的变化如下：2/3Cr2O3269C=49Cr3C22CO(1)=4

6、78233.8349.03T(J)T开=110023Cr2O3187C=421Cr7C32CO(2)=482288.4343.14T(J)T开=113023Cr2O35423C=469Cr23C62CO(3)=494368.6341.72T(J)T开=1175随着炉料的下降和炉温的升高，Cr3C2与Cr2O3反应生成Cr7C3：5(Cr2O3)27Cr3C2=13Cr7C315CO(4)=3863480231.32T(J)T开=138523Cr2O3145Cr3C2=43Cr65Cr7C32CO(5)=543609309.45T(J)T开=1484实际生产中，有时因入炉的矿物结构不同而造成难熔

7、、难还原；或因入炉矿石块度过大，来不及还原而落到炉渣下层形成残矿层，其与温度高达1700的熔融铁液或下落的合金液滴接触发生激烈的脱碳反应：3Cr7C3(Cr2O3)=Cr23C63CO(6)=621148328.13T(J)T开=1620Cr23C62(Cr2O3)=27Cr6CO(7)=682594344.22T(J)T开=1710上述反应所生成的铬碳化物及其理论含碳量见表2。碳化物Cr23C6Cr7C3Cr3C2含碳量5.689.0113.34表2铬的碳化物理论含碳量()2.3影响合金含碳量的因素2.3.1铬矿铬矿物理化学特性的差异直接影响到其在炉内的反应活性。不同的铬矿在相同的温度条件下

8、，其Cr2O3的还原速度相差很大。一般铬矿中Cr2O3的开始还原温度为1100；而在1400时，不同铬矿Cr2O3还原反应速度基本相近；在1200以下对几种铬矿的实际测试表明，不同铬矿Cr2O3的还原反应速度相差较大。因此，若铬矿的化学成分和矿物结构能保证Cr2O3在1200以下有较高的还原程度，则会优先生成含碳较高的Cr3C2和Cr7C3的。从而使合金有较高的含碳量；对于还原程度较低的铬矿，当温度高于1200后则会在生成Cr3C2和Cr7C3的同时，还有一定数量的Cr23C6生成，从而降低了合金的含碳量。当铬矿的结构致密，结晶粗大而块度又较大时，铬的复合氧化物既难分解又难还原，在冶炼过程中只

9、有进入高温电弧区方能进行急剧反应，从而使Cr23C6和Cr的比例增加，同时已生成的铬的碳化物与渣中Cr2O3反应精炼脱碳继续降低合金含碳量2。因此，根据产品含量的要求，以及不同铬矿的性质，合理地选择和使用铬矿是很重要的。藏矿是铝铬铁矿，属于密斑晶矿(又称硬铬尖晶石)，难熔、还原性差，适合于冶炼低碳产品，所以我们这次试验生产的FeCr67C6.0产品全部采用藏矿。通过三次试验证明：铬矿的粒度在2080mm之间效果最好。2.3.2合金的含硅量在高碳铬铁冶炼过程中，当熔炼温度达到1200左右时，硅开始被还原(SiO22C=Si2CO)，还原出来的Si进一步与铬的碳化物反应，生成稳定的硅化铬(Cr7C

10、37Si=7CrSi3C，Cr7C310Si=7CrSi3SiC)3。生产实践表明：当使用能生产出含碳量大于8的铬矿时，随着合金含碳量的升高其含硅量相应下降或趋于不变2。在使用难还原矿生产FeCr67C6.0牌号铬铁时，由于在合金的上面形成一个“残矿层”，在1700以上的高温下，当熔融的合金滴穿过该残矿层时，便发生激烈的脱碳反应。此时，脱碳反应远比硅的还原反应激烈，并且伴随着脱碳反应的同时发生脱硅反应(3CrSi2Cr2O3=7Cr3SiO2)4，使生成合金的含碳量相对稳定，且硅含量的提高对其影响不大，因此用难还原矿生产FeCr67C6.0牌号铬铁时，不能靠合金增硅来达到降碳目的。2.3.3渣

11、型我公司生产高碳铬铁的渣型及本次试验的渣型见表6。表6高碳铬铁渣型矿种配比(kg)矿石成分()含金含碳()炉渣成分()MgO/Al2O3Cr2O3FeOMgOSiO2Al2O3Cr2O3SiO2MgOAl2O3阿矿70039.68.9521.3213.446.54810242835384215172.242.80*藏矿70048.0610.4119.006.718.665.347.241.443.782931323419211.521.79伊朗矿55046.717.2919.297.237.2979132832384216201.902.63阿精矿15047.7114.1817.747.577

12、.93伊朗矿55046.717.2919.297.237.296.5814273135817201.752.23印精矿15054.3517.1310.141.9910.06从表6的数据可以看出，渣中的MgO/Al2O3的比值越大，合金含碳则越高；反之，合金含碳则降低。在第三次试验中生产出的含C6.0的产品比例最高仅为69，由此看出，试验中所采用的渣型还存在一定问题，同表7的渣型对比，试验所用的渣型中Al2O3的数值很低，MgO/Al2O3的比值相对较高以至于难以持续稳定的生产出含C6.0的产品。因此，通过生产实践笔者认为，生产C6.0的产品时使用含氧化铝高的铬矿或原料中适当配入含氧化铝高的残渣

13、，可收到较好的效果。2.3.4冶炼操作生产C6.0的高碳铬铁时，出铁温度至关重要。为了不产生高碳碳化物，一般出铁温度在1700。为此，一方面我们在通过调整炉料中SiO2或Al2O3的含量来控制温度，同时由原来班出四炉改为班出三炉，以延长精炼时间提高炉温，并减少原料中焦炭的配入量，以利于电极深插；另一方面使用高电压(3级158V)来提高炉温，使合金脱碳反应顺利进行。 3. 高碳铬铁冶炼中的硅行为浅析3.1高碳铬铁冶炼过程中合金含硅量的变化规律：在高碳铬铁冶炼过程中，其合金含硅量实际上只带表两次出铁间隔中积聚在炉缸下部铁水的平均含硅量，而冶炼过程中炉内不同区域的金属含硅量并不相同。 合金含硅升高区

14、域：从散料层开始到熔融层和残焦层交界处为止，随着金属颗粒向炉缸深处下沉，合金含硅量不断上升。 合金含硅下降区域：从熔融层和残焦交界层开始到出铁口为止 合金含硅不稳区域：指炉底积铁层，对于同一电炉在一定时间范围内，该层铁水含硅量基本稳定，但由于矿种的不同，随时间的变化和积铁层厚度的变化，其含硅量有所变化，固称之为含硅不稳定区域。3.2高碳铬铁冶炼过程中合金含硅量变化的影响因素：高碳铬铁冶炼过程中合金中的硅来源于矿石中的SiO2和溶剂硅石，其具体反应如下：1/2SiO2+C=1/2Si+CO SiO2+C=SiO+COSiO+C=Si+CO以上各反应在炉内不同区域的反应程度有所不同，SiO2的还原

15、在残焦层和熔渣区进行较快，当熔融的合金液滴在高温下通过熔渣区下部的矿石层时，发生脱硅反应。残矿层区域是脱硅反应区，通过该区合金含硅量有所下降。 硅石配入量对合金含硅量的影响:（随料批中硅石的配入量增加，合金含硅量先增大，后减小，我们习惯把增大的区域叫做A区，减小的区域叫做B区）在A区，随硅石配入量的增加合金含硅上升，说明反应物浓度不够，也就是SiO2活度小，虽然温度达到要求，但反应物受限。在B区，随硅石配入量增加，炉渣熔点降低，炉温下降，这样随硅石配入量的增加合金含硅下降，该区域炉温成了反应的限制性环节。在实际冶炼过程中，首先要确定峰值时硅石的配入量，峰值的确定一般在理论焦炭配入量不变的情况下

16、，变动硅石配入量来确定。实际经验表明，硅石配入量确定在B区内，并为峰值配入量的120%130%范围内，这样只要调整焦炭这一单变量即可控制合金含硅量，如果确定在A区，则合金含硅波动较大，炉前，路上操作十分困难，技术指标很不理想。 焦炭配入量对合金含硅量的影响：焦炭作为高碳铬铁冶炼的还原剂，一般随料批中焦炭配入量的增加，合金含硅量上升，因为焦炭配入量增加有利于提高炉温和SiO2与C的反应，还原出来的硅量增加，一部分取代合金中的碳。反之焦炭用量不足，则合金含硅量下降。在实际冶炼操作中此规律适应于B区。当溶剂硅石量不足时，随焦炭配入量增加，合金含硅量达到一定数值后将不再增高。 铬矿特性对合金含硅量的影

17、响：铬矿对合金含硅量的影响主要是矿中氧化物的含量。MgO,CaO碱性氧化物都有降低合金含硅量的作用。原因是碱性氧化物都能与SiO2形成硅酸盐化合物，降低了渣中SiO2活度，使合金含硅量受到一定限制。在使用MgO及碱性氧化物含量较高的铬矿时，硅石配入量要适当增加，以增加SiO2活度使合金含硅量得以保证。铬矿中Al2O3对合金含硅量有升高的作用，原因是Al2O3含量高，晶粒大，属于难还原的铝铬铁矿，Al2O3的增加使炉渣和炉料的导电性变差，电极深插，有利于SiO2的还原。此时可以配部分白灰溶剂，增加其炉渣导电性，对合金含硅有很大的抑制作用，另外还可以增加炉渣的流动性。 合金含碳量对合金含硅量的影响

18、：在铬矿确定的条件下，高碳铬铁冶炼过程中炉内各区域大致呈现硅低则碳高，碳高则硅低的规律。表明合金含硅量受含碳量的影响。4. 高碳铬铁合金降硫途径探讨4.1硫的来源及存在状态高碳铬铁中的硫来自于原料，其中焦炭和铬矿带入硫占绝大部分，焦炭中的硫以硫化物（FeS,CaS）或有机硫的形式存在，在实际生产过程中，原料中的硫有8%15%进入合金，20%30%挥发，60%70%进入渣中，进入合金的硫将与铬生成一系列硫化物如：CrS, Cr2S3等。CrS在1565时熔化而不分解，低于800时分解生成Cr15S6.由于硫化物的熔点低于铬铁的熔点，所以这些硫化物分布于铬铁的表面上。4.2降低高碳铬铁合金中硫含量

19、主要有一下几种途径（1）提高炉温，以提高化学反应的平衡常数（2）降低渣中的cr2o3含量，生产过程中维持较高熔点操作Cr2o3含量的高低反应了有用元素的还原程度，较低的cr2o3含量意味着炉内各项反应进行的较为彻底，还原剂焦炭过剩。在实际操作中，适当控制炉渣熔点，避免过低熔点操作，保证还原剂用量充足，对脱硫效果较为有利。但炉渣熔点不宜过高，否则炉渣粘稠，渣铁过热，导致炉况恶化。（3）提高炉渣碱度，即增加渣中cao的含量，降低渣的粘度，增加炉渣的电导率，二者的增加都能够改善炉内反应的动力学条件，保证炉内功率分布均匀，扩大坩埚，但同时也出现了电极消耗过快，炉墙挂渣减少，热量损失等不利因素。（4）提

20、高合金中c与si的百分含量，选用合适的铬矿与控制合适的炉渣熔点（5）有时在铁水包中加入石灰等脱硫剂也有一定的效果。（6）加石灰之后，降低了熔渣的熔点，最终导致合金增碳，同时也降低了铬回收率4.3原因分析（1）石灰在成渣过程中与渣中Mgo，AL2O3形成钙铝黄长石，其熔点在1500左右，降低了还原温度，使渣中cr2o3浓度增加，从而导致合金增碳。（2）由于石灰量的增加，使渣中cac2量增加，从而导致合金增碳。（3）caoMgoSiO2AL2O3四元渣系的脱硫能力远大于MgOSiO2AL2O3三元渣系，加石灰之后，能降低熔体的粘度及提高熔体电导率。（4）冶炼高碳铬铁采用四元渣时，渣中CaO含量不宜

21、控制过高，否则会引起负效应。对于一定的熔渣，其电导率与粘度成反比，因此加石灰后，在使炉渣粘度降低的同时，能提高炉渣的电导率。5. 高碳铬铁冶炼中铬元素的流向分析及提高铬回收率的途径探讨5.1有关计算式为了能较清晰地对高碳格铁冶炼过程中铬元素的流向进行分析,笔者推导出几个能够进行定量计算的公式。在高碳铬铁生产中以铬元素的不同流向的状态及途径为特征,可划分为机械损失的铬、成品铁中铬、渣中Cr2O3:带走的铬和合金形式损失的铬四个部分。在高碳铬铁的投入产出过程中,铬元素有如下平衡:入炉铬矿中的铬量=成品合金中的铬量+机械损失的铬量+以合金形式损失的铬量+渣中C r 2O3带走的铬量，即H+q+V+u

22、=15.2铬元素的流向分析5.3提高铬元素回收率的途径有了前面的流向分析,再研究提高H的途径,就显得容 易方便了,提高H的途径应是降低q、u、V 三部分。下面就 降低这三项的途径及可行性进行一下探讨。（1） 降低q根据前面分析,q可使H 降低3一5个百分点;如前所述 ,对于一定的配料程序及炉子来讲,q的变化不会很大,但这并不意味着q 不可降低。减少配料路径和程序,增加除尘回收设施,加强原料管理 ,可使q下降。增加除尘设施使q降低1一2个百分点是可能的 (测算除尘设施回收的原料占消耗的1一2 % ),此举不仅有长远的经济效益,而且具有减少污染的社会效益。（2） 降低u根据对u的分析,降低u也就是

23、提高 h。前面己经分析了影响h的因素,下面有针对性地提出一些提高h的途径。铬矿粒度根据文献,不同容量电炉与入炉铬矿块度之间有如图2的关系。图二高碳铬铁电炉容量与入炉铬矿块度的关系图中虚线与上限线间块度的铬矿量应占总量的50% 以上 ,下限线以下的碎矿量应少于20%。查此图可知,9000kVA炉子的铬矿块度中50一85 m m的应占50%时以上,< 10mm的应少于20% ,这种合理的铬矿块度,可使炉内还原速度与熔化 速度匹配,料面透气性好,从而使h提高。从表2的数据中可以看到,精矿配入量 户增加,h明显降低。从配料比来看,精矿配入量不超过1/3是较合适的。铬矿成分由前述分析,选用高品位及

24、MgO/Al2O3合适的铬矿可使h提高。从目前冶炼中多矿搭配使用上看，合理配比仍很重要。根据所产合金Cr含量，铬矿配比中使Cr2O3/FeO尽量高和2.6>MgO/Al2O3>1.70为好。合适的渣型高碳铬铁炉渣成分可在较宽的可调范围内满足冶炼的要求,因为在实际生产中除使用一些特殊性能的格矿外,很少因调渣不当而出现技术失误。但目前铬矿种类变化频繁,以上提到的铬矿合理配比是应注意的一个方面,同时炉渣的熔化温度、粘度、导 电性能等的调整手段也应同步 ,才能稳定高碳铬铁的冶炼过程和获得最佳的经济效 益。在理论指导下,并针对实际情况,掌握合理的调渣经验,才能得到合适的渣型,使h提高。通过以

25、上分析,注意影响h的兰大环节 ,使h达到9 6 %是不成 间题的,这样可 使·,降低 1.5一2 个百分点。(3)降低V由铬的流向分析可知,v 是造成 h 偏低的主要因素,这部分损失也是最可惜的,如果 回收 回来基本上是成品铁,其效益也最大。降低v 也就是 回收渣中铁。回收这部分铁的途径很多,如回炉重熔、强磁选、重液法、跳汰法等工艺。但由于诸多原因,未被普遍采用,现在采用的还是部分富渣回炉, 这种 途径虽能使铬元素损失有所 减少,但受具体操作及设备条件的限制,效 果 难 以 保证 。目前回收炉渣 中铁最为有效和易行的方法是跳汰重力分选法,它具 有 设 备 简单、操作维护容易、能耗少、

26、适应性强等长处,而且分离效率高、生产能力大。据 某 厂 介绍,现 在年处理渣量 达三万 余 吨,月 产 量稳定在1 2 0 一1 4 0 吨左右,平均回 收 率 可 达7 2.4 9 % ,回收的铁中铬含量为 5 8 一6 0 % ,可直接用于硅铬合金生产 。而且处理后的尾渣也可多方利用,综合效益极佳。若某厂高碳铬铁炉也采用此法,即使回收率为70 % ,则也可使V 提 高4一5 个百分点。当然,加大富渣回炉力度亦 可收到相 当的效果。综合以上可知,我厂1993年307#炉铬的回收率为82.7 %。通过对铬元素的流向分析,如果针对一些环节来取相应的措施,使q + u+V 降低 6 一 9 个百分

27、点是可能的,这样可使铬回收率达90%以上 。6. 结论藏矿具备熔炼FeCr67C6.0产品的条件，矿石粒度在2080mm之间较为合适。用高电压提高炉温，正常工作电压为3级158V。原料中焦炭配入量在150165kg/批之间较合适。用难熔矿冶炼FeCr67C6.0牌号铬铁时不能靠合金增硅来达到降碳目的。本次试验的渣型为：1.443.78Cr2O3；2931SiO2；3234MgO；1921Al2O3不是很理想，有待进一步探讨。延长精炼时间，为脱碳反应创造条件，由正常班出四炉改为班出三炉。在高碳铬铁冶炼过程中,炉内各熔炼区的合金含硅量具有一定的变化规律。实际生产过程中,由于铬矿与炉渣性能的变化及外来因素的影响,都会使合金含硅量有较大波动,但我们通过以下几方面的措施,可使合金含硅量得到很好控制确定好熔剂硅石的配入量,在铬矿种类确定后,根据理论计算和实际摸索,将硅石确定在本文图 区的最佳范围内料批中硅石配入量