高碳铬铁的冶炼工艺与原理

高碳铬铁的冶炼工艺与原理 , 一、矿热炉 , 高碳铬铁的生产有电炉法、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 (例如 Cr>60,)的竖炉法生产工艺尚处在研究阶段 ;后两种方法是 正在探索中的新兴工艺 ;因此，绝大多数的商品高碳铬铁和再制铬铁均采用电炉 (矿热炉)法生产。 电 炉冶炼具有以下特点: , (1)电炉使用电这种最清洁的能源。其他能源如煤、焦炭、原油、天然气等都不可避免地将伴生 的杂质元素带入冶金过程。只有采用电炉才能生产最清洁的合金。 , (2)电是唯一能获得任意高温条件的能源。 , (3)电炉容易实现还原、精炼、氮化等各种冶金反应要求的氧分压、氮分压等热力学条件。 , 1.1主要技术参数 , 根据生产的品种和年产量，首先确定炉用变压器的额定容量，选择变压器的类型(三相或三台单 相)、工作电压和工作电流。然后确定电炉的几何参数，包括电极直径，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。所有这些参数，通常采用经验公式计算，并参照国内外生 产实践进行选定。部分冶炼高碳铬铁的还原电炉主要技术参数列于表1。 , 表1 部分还原电炉主要技术参数 , 变压器容量电极直径极心圆直径炉膛直径炉膛深度使用电压/V /KVA /mm/mm /mm/mm 270093.5 5001150 2800 1700 8000 138 870 22506500 2700 9000 148.5900 2300-2500 4500 2100 12500 1581000 2300-2500 4900 2100 120-168? 1912500 1020 2600?50 6000 2300 级 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 , 2.1原料的选取 , 冶炼高碳烙铁的原料有铬矿、焦炭和硅石。其中焦炭以及硅石作为还原剂。 , (1)铬矿 , 世界铬铁矿矿床主要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。近南北向褶皱带中的铬铁矿资源量，占世界总量的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的85,以上，占储量基础的90,以上，仅南非就占去了约3/4的储量基 础。 , ?选矿原则:由于铬是用途最多的金属，而且在“战略金属”中列第一位。当今世界拥有铬矿资源的国家或资源缺乏的国家，都在加紧铬矿石选矿的研究，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:包括高强场磁选、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，生产上主要采用重选方法，常采用摇床和跳汰选别。有时重选精矿用弱滋选或强磁选再选，进一步提高铬精矿石的品位和铬铁比。 , ?铬矿搭配原则:在高碳铬铁的实际生产中往往需要选择合适的矿种搭配以及搭配比例。铬矿搭配的原则主要有: , 1)合适的铬铁比( Cro/?FeO)。一般来说，冶炼含铬量大于50,的合金要求入炉综合矿的 23 Cro/?FeO比值大于2.0;而冶炼含铬量大于60,的合金要求此比值大于2.6。 23 , 2)合适的MgO/Alo 比值。它不但影响熔渣的导电性能和还原性能，而且影响合金的含碳盘。23 在实际生产中，使用MgO/Alo ，比值偏低的铬矿需配足量的焦炭，以增加焦炭层的厚度，一方面是为了23 保证炉底不易损坏，另一方面也是为了增加未还原矿核在焦炭层的滞留时间。减少渣中跑铬。 , 3)合适的块度搭配。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;使用块度大的铬矿易增加精炼层厚度，造成合金含碳量偏低。 , 4)合适的熔化性能。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以及合金含碳量偏低等现象，给正常冶炼带来了很大的困难。合理搭配铬矿使熔渣有合理的熔点，对改善经济指标非常重要。 , (2)还原剂 , 在合金生产中，使用最为普遍的是最便宜的一种还原剂-冶金焦“碎块”(高炉用焦经筛选后的筛下焦)。由于炼焦用煤的质量及焦化厂生产焦炭的条件不同，碎焦块的质量也各异(但是它们有一个共同的缺点，就是电阻不高，反应性能欠佳，灰分和硫、磷的含量较高，同时水分含量也较高，而且还不稳定。 , 焦炭中含有的硫主要是有机琉及大量的硫化物，还有少量的硫酸盐和极少量以碳中固溶体状态存在的元素硫。焦炭的磷含量也各不相同。焦块具有海绵状组织，并有大量的裂纹，其气孔率波动于35,-55, 3范围内，焦炭的视密度为0.8-1t/m。 , 焦炭的性质依其块度不同而变化，如表2所示。 , 表2 焦炭性质随块度变化情况 , 13--25 6--13 6 25--50块度/mm 2.0 2.5 4.0 6.0 挥发分 6.0 6.5 8.0 10.0含量/, 灰分 92.091.0 88.0 84.0 固定碳 , 块度为25-40mm的焦块的电阻比焦粒(10-25mm)低10,-15,。生产铁合金用焦炭在破碎时产生的粉末量应尽量少，这一点是非常重要的，而且灰分成分应尽可能有利于所炼的铁合金品种。 , 2.2原料的处理 , 2.2.1 原料的质量要求: , A 原料的品位和纯洁度:冶炼要求原料尽可能高的品位。纯洁度高的原料可以取得高产、优质、低消耗的效果 , B 原料中的有害杂质:原料中的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的质量。 , C 原料的粒度:原料粒度是否合适对冶炼进程是有很大的影响。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，冶炼的各项技术经济指标变坏。但如原料粒度过小，粉末多，则会使炉料的透气性不好，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，导致塌料，其结果是电极不稳，刺火塌料频繁，未还原料直接进入坩埚，同样会使技术经济指标变坏。因此对矿热炉的原料粒度应有严格的要求。 , 铬矿中Cro ,40,， Cro/ΣFeO,2.5，s,0.05,，P,0.07,，MgO和 Alo 含量不能过232323高;粒度10—70mm，如系难熔矿，粒度应适当小些。 , 焦炭要求含固定炭不小于84,，灰分小于15,，S,0(6,，粒度3—20mm。 , 硅石要求含SiO97,，Alo ,1(o,，热稳定性能好，不带泥土，粒度20一80mm。 23 , 2.2.2原料的干燥: , A 原料的干燥也很重要，特别是焦炭更需干燥。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。焦炭中水分的波动，首先影响到炉料中固定炭配比的准确性，其次水分的蒸发也消耗热量。特别当塌料时，湿料直接进入坩埚区，吸收大量的热，使耗电量增加。上述因素直接影响炉况的稳定性，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，当料崩塌时，会带入空气，炉内压力迅速增高，有可能产生爆炸事故。 , 干燥焦炭可用转简干燥机。转筒干燥机的直径为1.5m;长12m，通入转筒的热风温度为200?，这种干燥机每小时每立方米容积能蒸发水分24kg。 , 2.2.3破碎与筛分: , 由于入护的原料有一定的粒度规格，而使用直接从矿山开采远来的矿石往往不能满足这个要求，因此必须先进行破碎筛分达到所的粒度才能入炉使用。 , 目前，破碎铬矿和硅石的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，通过连杆与推扳使可动颚板作前后往复运动，达到压矿排矿的目的。 , 矿热护要求焦炭的粒度比矿石小。对冶炼要求小粒度的原料或焦炭可采用对辊破碎机破碎。对辊破碎机由铸铁机架和一组互相对滚的水平轴组成，对辊的辊面是乎的，也可以有一条宽为15-20mm，深4-5mm的小槽。对辊为硬面铸铁件，其质量好坏影响其使用寿命，质量好的对辊一般使用3个月。对辊破碎机的碎矿比一般为3-4。 , 2.2.4原料的输送与称量: , 原料破碎后，再筛分，经过称量配料，送到炉顶料仓，通过料管加入炉或送至加料平台。 , 上料(即原料的输送)设备与称量必须简单可靠，目前采用的上料方式有以下两种: , 一种是用皮带运输机将料达到料仓，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的弹簧秤，配料车挂在电葫芦上。电葫芦沿着炉子周围的单轨运行，配料工借电钮装置开动料仓的给料机，依次将炉料按要求配比称好，送至一定的料仓。 , 另一种上料方式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，配好的炉料卸入上料小车，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。在用手工加料的小电炉上，配好的炉料直接送到加科平台上。配料时，称量的准确度要求达到5kg。 , 炉料的混合是靠下料和倒运时进行的。所以在称量时，应当把密度较小的料配在底部，以便下料时达到混合均匀的目的。 , 2.2.5原料的预处理 , 为降低高碳铬铁生产设备的造价，各厂都趋向使用大型还原封闭电炉，这些电炉必须使用硬块铬铁矿。由于硬块铬铁矿供应困难，这就迫使各厂使用价廉的碎铬铁矿和粉矿，但这类矿必须经过预处理才能人炉。因此铬矿粉的预处理是铬铁生产厂的重要环节: , 造球工艺:铬矿资源中块矿只占总量的20,，其余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的颗粒。即使强度高的块矿在加工过程也产生大量的细粉。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，还会直接威胁电炉的运行安全。此外，生产过程产生的大量粉尘也需要造块处理。目前球团和造块工艺已经成为铬铁生产工艺流程的重要组成部分，主要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。常用造球设备有压块机、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的高价氧化物、化合水、碳酸盐和硫化物。焙烧是在适当温度和气氛条件下，使矿石发生脱水、分解、氧化、还原过程，改善入炉矿石的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与焙剂之间的固—固反应产生液相来润湿和粘结矿石颗粒，冷却后形成多孔的具有足够强度的烧结矿的工艺过程。烧结过程是物质表面能降低的过程。粉矿具有较高的分散度，其比表面积大于相同质量的块矿。烧结后的矿物表面积减少，体系的自由能ΔG降低。这是—个自发进行的过程。 , 2.3 高碳铬铁的冶炼 , 2.3.1冶炼基本原理 , 电炉法冶炼高碳铬铁的基本原理是在电弧加热的高温区用碳还原铬矿中铬和铁的氧化物(称为电碳热法。埋弧还原电炉是电炉的一种，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始终埋在炉料之中。 , 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的一种改进型)、半封闭式和封闭式4种(见下图3)。前两种为早期使用的形式，日趋淘汰。目前广泛采用的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(特别是中、小型的)便于观察和调整炉况，可适应 不同原料条件，有利于改炼品种。电炉烟罩多为矮烟罩演变而成的半封闭罩，通常在其侧部设置若干个可 调节启闭度的炉门，以便既可在需要加料、捣炉操作时开启，又可按要求控制进风量，调节炉气温度，实 现烟气除尘甚至余热利用。封闭式还原电炉，亦即带炉盖的密闭电炉，炉内产生的煤气由导管引出，再经 净化处理后可回收利用。为便于操作检修，并保证安全运行，封闭电炉炉盖上设置若干个带盖的窥视、检 修和防爆孔。这类电炉操作和控制技术要求较高。图2所示则为全封闭式还原电炉冶炼车间剖面图，主要 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的基本原理是在电弧加热的高温区用碳还原铬矿中铬和铁的氧化物(称为电碳热法。埋弧还原电炉是电炉的一种，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始终埋在炉料之中。 , , 冶炼操作工艺:电炉熔剂法生产高碳铬铁采用连续式操作方法。原料按焦炭、硅石、铬矿顺序进行配料，以利混合均匀。敞口炉通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。无论是敞口炉还是封闭炉，均应随着炉内炉料的下沉而及时补充新料，以保持一定的料面高度。 , 电炉内所发生化学反应生产高碳铬铁的主要过程是:碳还原氧化铬生成Cr3C2的开始温度为1385K，生成Cr7C3的反应开始温度1453K，而还原生成铬的反应开始温度为1520 K，因而在碳还原铬矿时得到的是铬的碳化物，而不是金属铬。因此，只能得到含碳较高的高碳铬铁。而且铬铁中含碳量的高低取决于反应温度。生成含碳量高的碳化物比生成含碳量低的碳化物更容易。实际生产中，炉料在加热过程中先有部分铬矿与焦炭反应生成Cr3C2，随着炉料温度升高(大部分铬矿与焦炭反应生成Cr7C3，温度进一步升高，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，因而铬矿中的氧化铁在较低的温度下就充分地被还原出来，并与碳化铬互溶，组成复合碳化物，降低了合金的熔点。同时，由于铬与铁互相溶解，使还原反应更易进行。