铁合金冶炼几种方法

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第五篇铁合金冶炼几种方法第一章电热法冶炼电热法是铁合金生产的主要方法。在还原电炉内将电能转变成热能，用碳作还原剂，还原矿石生产铁合金。此法主要用于生产硅铁、硅钙合金、工业硅、硅铝合金、高碳锰铁、硅锰合金、高碳铬铁、硅铬合金等。第一节硅铁一、硅的主要物理化学性质（一）硅的物理性质纯硅是一种深灰色不透明的有金属光泽的晶体物质。它质硬而脆，是一种良好的半导体材料，硅的主要物理性质如下。原子量!#$%；密度（&’()*）!#*+；熔点,+,*-；沸点!%,*-；熔化热.$%!%/’)01；比热容（!.-）!$#+%/’2・)01（二）硅的化学性质硅在常温下不活泼，在高温下容易和氧、硫、氮、卤素及许多金属化合成相应的化合物。二氧化硅：二氧化硅在自然界中有两种存在形式———结晶态和无定形态，结晶态二・..・第一章电热法冶炼氧化硅主要以简单氧化物及复杂氧化物硅酸盐的形式存在于自然界。冶炼硅铁使用的硅石，就是以简单氧化物形式广泛存在的结晶态二氧化硅。根据晶型的不同。结晶态二氧化硅在自然界存在三种不同的形态：石英、鳞石英和方石英，这几种不同形态的二氧化硅又各有高温型和低温型两种变体。因而，结晶态二氧化硅实际上有六种不同的晶型，各种不同晶型的存在条件，转化情况如图!##所示。图!##二氧化硅的晶型转变在铁合金冶炼过程中，随着炉内温度逐渐升高，二氧化硅的晶型发生变化，同时晶体的体积也发生变化，当!石英转化成鳞石英时，体积明显膨胀，这是硅石在冶炼过程中发生爆裂的主要原因。硅石爆裂后颗粒变细，炉料的透气性降低，对硅铁生产不利，因此要求硅石的抗爆性好。大电炉炉口温度高，爆裂较严重，所以硅石应具有更良好的抗爆性。结晶态二氧化硅是一种坚硬、较脆、难熔的固体。二氧化硅的熔点为#$#%&，沸点’!()&，是一种稳定的氧化物，除氢氟酸外，二氧化硅不溶于其它酸。在低温下二氧化硅电阻率很高。当温度升高时，二氧化硅的电阻率急剧降低，电阻率大对冶炼硅铁有利。一氧化硅：在自然界中硅与氧普遍存在的形式是二氧化硅，但在一定条件下，例如将硅和二氧化硅混合物加热到#!))&以上，或者碳和过量的二氧化硅混合物加热到’)))&左右时，可获得气态物质*+,，*+,的挥发性很强，其蒸气压在#-()&时就可达到).#/01。*+,的高挥发性在硅石还原过程中起着十分重要的作用，它可以促进还原反应的加速进行。碳化硅：硅与碳可以形成碳化硅*+2，纯碳化硅是一种无色透明、极硬的晶体物质。・3-!・第五篇铁合金冶炼几种方法工业纯的碳化硅因含有硅、碳和二氧化硅等物质，呈黑色或黑绿两种颜色的晶体。碳化硅的活泼性小，但在高温时碳化硅能与某些氧化物或氧化性强的气体作用而分解，如!#在高温下遇到二氧化硅时，按下式反应分解：!#$%!&%’(!&$#&!#的产生和积存是硅铁电炉炉底上涨的主要原因，尤其是小电炉，由于炉内温度较低，破坏碳化硅的反应不易进行，因此有时有较多的碳化硅积存在炉底致使炉底上涨。为了防止炉底上涨，必须要保持炉膛有较高的温度。一旦发生炉底上涨，要尽快洗炉消除!#。硅化铁：硅与铁可以形成)*%!、)*+!(、)*!、)*!%等硅化物，这些是硅铁的主要组分。图+,-,%为硅—铁相图，可以看出：图+,-,%硅—铁相图（-）硅铁中的硅主要以)*%!、)*!、)*!%和!等形式存在，其中)*!较为稳定。（%）不同成分硅铁的熔点也不相同，例如，.+/硅铁为-(001，2+/硅铁为-(.01，工业硅的熔点为-.-01左右。一般出炉温度比熔点高(001左右。（(）在硅铁相图中有!相存在，成分在!相区附近的硅铁较易粉化。（.）工业硅铁的密度如图+,-,(所示。硅铁的密度随着含硅量的增加而减少。在・23+・第一章电热法冶炼工厂中常利用密度法来快速测定硅含量。密度法测定硅，校正后的误差为!。对精确度要求高时，可采用重量法，重量法误差对#$硅铁为%&’(；对)$硅铁为%&’($，对*&硅铁为&’+。图$,!,+硅铁密度与含硅量的关系含-.量，#&#$$&$$/&/$)&)$0&0$*&密度，1234+$’/!$’!$#’)$#’+)#’&&+’)/+’$!+’()+’&+(’)0(’$$（$）其他化合物在!(&&5!+&&6时，将细粉状硅在氮气氛中加热，能形成极为坚固的氮化硅（-.+7#等）。硅与钙可形成一系列硅化钙（89(-.、89-.、89-.(等）。二、硅铁发展简史、牌号和用途（一）硅铁发展史!0!&年伯齐利厄斯首先制取了硅铁。在试验中把铁屑、石英和松木炭黑放在煅工炉中冶炼，得到含硅(’(5*’+的低品位硅铁。!0)$年普尔塞尔成功地在高炉中制得含硅!&5!0的低品位硅铁。!0**年迪夏尔莫等在美国霍尔库姆罗克厂的电炉中首次制得电炉硅铁，含硅($5$&。!*&+年左右卡达尔按迪夏尔莫法在电炉中制得含硅)$的硅铁，并一直延续到现在。如今，不但能生产出各种含硅量的硅铁，而且杂质含量较低，可满足钢铁等工业发展的需要。（二）硅铁的牌号我国硅铁牌号见表$,!,!。为了节约能源，降低生产成本，外国一些厂家生产一些・00$・第五篇铁合金冶炼几种方法低品位硅铁，例如含硅!#$%的低硅铁，我国也生产低品位硅铁，如&$%硅铁和’$%硅铁。表$(!(!硅铁牌号和化学成分（)*+++—,）牌号化学成分，%-./01234156-1范围不大于78-.9/0!:$,;:#9$:!:$!:$:&:+:&:+:+78-.9/0,;:#9$::!:$:&:+:&:+:+78-.;$/0:$(/;&:+#,::$!::&::$:+:!78-.;$/0:$(*;+:#,::$!::$:$:&:+:+78-.;$/0!:(/;&:#,:!:!::&::$:+:!78-.;$/0!:(*;+:#,:!:!::$:$:&:+:+78-.;$/0!:$(/;&:#,:!:$!::&::$:+:!78-.;$/0!:$(*;+:#,:!:$!::$:$:&:+:+78-.;$/0+:(/;&:#,:+:!::&::$:+:!78-.;$/0+:(*;&:#,:+:!::&::&:+:!78-.;$/0+:(1;+:#:+::$:$:&:+:+78-.;$(/;&:#,::&::$:+:!78-.;$(*;&:#,::!::&:+:!78-.;$(1;+:#,::$:$:&:+:+78-.’$’$:#;+::’:$:&:+78-.&$&:#&;::;:$:&:+（三）硅铁的用途硅铁是铁合金工业最早和最主要的产品之一，硅铁在炼钢工业，铁合金工业、铸造工业以及其他工业部门有着广泛的用途。在炼钢工业中，用作脱氧剂和合金剂。为了获得化学成分合格的钢，保证钢的质量，・9,$・第一章电热法冶炼在炼钢的最后阶段必须脱氧。硅和氧之间的化学亲和力很大，因而硅铁是炼钢工业中不可缺少的脱氧剂。炼钢生产中，除部分沸腾钢外，几乎所有的钢种都把硅铁作为较强的脱氧剂。在钢中添加一定数量的硅，能显著的提高钢的强度、硬度和弹性，因而在冶炼结构钢（含硅!#$%&’(）、工具钢（含硅!)$%*(）、弹簧钢（含硅!#$+*(）等钢种时，必须添加一定数量的硅铁作合金剂。硅电阻率较大，导热性差，导磁性较强，因而能提高钢的导磁率，降低磁滞损耗，减少涡流损失。故在冶炼硅钢，例如冶炼电动机用低硅钢（含硅!*$+*(）和变压器用高硅钢（含硅+*%$#*(）时，也把硅铁作为合金剂使用。此外，在炼钢工业中，利用硅铁粉在高温下燃烧时放出大量热这一特点，常作为钢锭帽发热剂使用，以提高钢锭的质量和回收率。在铸铁工业中用作孕育剂和球化剂，铸铁是现代工业中一种重要的金属材料，它比钢便宜，容易熔化冶炼，具有优良的铸造性能，特别是球墨铸铁，其机械性能达到或接近钢的机械性能。在铸铁中加入一定数量的硅铁时，能阻止铁中形成碳化物，促进石墨的析出和球化，因而，在铸铁生产中，硅铁是一种重要的孕育剂（帮助析出石墨）和球化剂。在铁合金生产中用作还原剂。如生产钼铁和钒铁时用作还原剂。此外，磨细或雾化处理过的硅铁粉，在选矿工业中可作为悬浮相使用。在焊条制造业中可作为焊条的涂料等。炼钢工业、铸造工业和铁合金工业是硅铁的最大用户，它们共消耗,!(以上的硅铁。在各种不同牌号的硅铁中，目前应用最广的是&’(硅铁。在炼钢工业中，每生产一吨钢大约消耗)$’-.&’(硅铁。三、硅铁冶炼基本原理/01+的还原过程复杂，这个问题不仅是个理论问题而且对工业生产有实际指导作用，许多人对/01+的还原机理和热力学进行了大量的研究。尽管他们提出的还原机理不完全相同，但有几点是公认无疑的，即碳还原/01+时有中间产物（/02和/01）的产生，而且/02和/01的生成和分解（破坏）在/01+的还原过程中起重要作用。碳还原/01+的总反应式是：/01+3+24/03+21!!564&!&,*&7)8)*)（9:;=）实际上二氧化硅的还原反应很多，其中有主要的和次要的，我们只讨论对炉子产生重要影响的主要反应。根据最近发表的文献作者认为炉内的主要反应区可以简单地概・!,’・第五篇铁合金冶炼几种方法括为!#的生成区及!#的分解区（图$%&%’、$%&%$）。图$%&%’!()还原图$%&%$工业硅炉内的温度分布和反应区&—炉料*!(分解；)—!#生成；+—!#分解；’—!或,-!；$—!#（一）!#的生成区!#的生成温度范围在&.../)&..0。在此区域内也同时生成!。此区域内的主要反应是!(的分解和吸附并生成!#。在&1..0以前，为炉料预热和!#的生成区。!(从炉内高温区上升到低温区后与碳作用生成!#。!(（2）*)#（2）3!#（4）*#(（2）（&）!!563%7$$7)%.8$’（9:;=）!(和#(作用生成!#。・&$・第一章电热法冶炼!#$%&$’(#$(%#&（(）!!)*’+,(-.((/+01,2,!（34567）#$在低温区分解成#和#$(。(#$’#%#$(（!）!!)*’+-!.,,!%(8.20-（34567）分解出来的硅随着炉料的下降，沉积于炉底的硅液中。文献指出生产中得到的硅!.9以上是按此反应进行的。从热力学分析，上述各反应式在任何温度下都能进行。温度愈低，平衡常数愈大。在此区域内，#$通过上层炉料按不同反应变成#&、#和#$(，并沉积于炉料中。随着炉料的下沉和温度的升高，碳还原#$(生成#&的热力学条件成熟，#$(被还原生成#&。#$(%!&’#&%(&$!!)*’-.81:8+!!-201（34567）当温度超过(,..;时，进入下部高温区（#&分解区）。（二）#&分解区#&的分解区亦即#和#$的生成区，此区内的主要反应如下：(#$(（,）%#&（）’!#$（=）%&6（=）!!)*’,(-.((/+01,2,!（34567）开’(,-8;#$(（,）%(#&（）’!#（,）%(&$（=）!!)*’8!/..-+:!12,8（34567）开’(,!1;上述二式的综合式为：!#$(（,）%(#&（）’#（,）%:#$（=）%(&$（=）!!)*’,88(-!-+8(.218（34567）开’(,-:;另外，气态的#$与#&相互作用，其反应式是#$（=）%#&（）’(#（,）%&$!!)*’!.-18(+,:/2-!（34567）开’(./8;・(80・第五篇铁合金冶炼几种方法!#的分解和!$及!的生成是同时进行的。这些反应进行时需要消耗大量的热能，而且只有当温度大于%&’’(时，才能顺利进行。没有参加反应的!$离开炉料，