中低碳铬铁冶炼方法

中低碳铬铁的冶炼方法主要有两种：高碳铬铁精炼法和电硅热法。

高碳铬铁精炼法又分为用铬矿精炼高碳铬铁和用氧气精炼高碳铬铁。用铬矿精炼高碳铬铁时，精炼炉渣具有较大的粘度和较高的熔点，冶炼过程温度必须是较高的。因此，电耗高，炉衬寿命短，含碳量也不易降下来。用氧气吹炼高碳铬铁具有较大的优越性，如生产率高、成本低、回收率高等。

目前传统的生产方法还是电硅热法。电硅热法就是在电炉内造碱性炉渣的条件下，用硅铬合金中的硅还原铬矿中铬和铁的氧化物，从而制得中低碳铬铁。电硅热法冶炼中低碳铬铁，对设备和原料的要求及熔炼操作工艺基本上与电硅热法冶炼微碳铬铁相同，只是中低碳铬铁含碳量较碳铬铁高，因而可以使用固定式电炉和自焙电极，作为还原剂使用的硅铬合金的含碳量也可以相应地高一些。此外，熔炼操作也不像微碳铬铁要求得那样细致。

氧气吹炼中低碳铬铁

吹炼方式

吹氧法炼制中低碳铬铁使用的设备是转炉，故称转炉法。按供氧方式不同，吹氧可分侧吹、顶吹、底吹和顶底复吹四种。我国采用的是顶吹转炉法。

铬铁顶吹转炉的结构与炼钢转炉要求相同，炉衬用镁砖砌筑，炉体有倾动机构。竖直的氧枪有升降机构和水冷系统。

吹炼原理

吹氧法是将氧气直接吹入液态高碳铬铁中使其脱碳而制得中低碳铬铁。

高碳铬铁中的主要元素有铬、铁、硅、碳，它们都能被氧化。氧气吹炼高碳铬铁的主要任务是脱碳保铬。当氧气吹入液态高碳铬铁后，由于铬和铁和含量占合金总量的90%以上，所以首先氧化的是铬和铁，其反应是：

4/3Cr+O2=2/3Cr2O3

2Fe+O2=2FeO

然后，这些氧化物将合金中的硅氧化掉。由于铬、铁、硅的被氧化，熔池温度迅速提高，脱碳反应迅速发展，其主要反应为：

1/6Cr23O6+1/3Cr2O3=9/2Cr＋CO

而且，温度越高，越有利于脱碳反应，并能抑制铬的氧化反应，合金中的碳可以降得越低。在常压下，吹炼含碳2%的产品的终点温度为2038K，吹炼含碳1%产品的终点温度为2217K，吹炼含碳0.5%产品的终点温度为2432K。

原料

氧气顶吹炼制中低碳铬铁的原料为高碳铬铁、铬矿、石灰和硅铬合金。

对入转炉的高碳铬铁液要求温度要高，通常在1723－1873K之间。铁水含铬量要高于60%，含硅不超过1.5%，含硫量小于0.036%。铬矿是用作造渣材料的，要求铬矿中的SiO2含量要低，MgO、Al2O3含量可适当高些，其粘度不能过大。石灰也是作造渣材料，其要求与电硅热法的相同。硅铬合金用于吹炼后期还原高铬炉渣，一般可用破碎后筛下的硅铬合金粉末。

吹炼操作

吹炼操作包括装入制度、温度制度、供氧制度、造渣制度和终点控制等。

（1）装入制度。铁水装入量对吹炼过程和技术经济指标都有影响。装入量的多少主要考虑炉子的炉容比。

装入量（t）与炉子容积（V）之比即V/t称为炉容比。炉容比过小会导致严重喷溅，也不利于设备和氧枪的维护；炉容比过大，生产能力未充分发挥；各种损耗相对增加，金属回收率降低；由于装入量小使熔池变浅，炉底侵蚀加剧。因此，选择合适的炉容比是很重要的，一般以V/t在0.7－0.8较为合适。

（2）温度制度。元素氧化放热使熔池的温度随着吹炼的进行而自然升高，但放出的热量除了满足脱碳反应要求外，还有一定的富余。特别是吹炼低碳铬铁时，因铬的大量氧化，使吹炼终点的温度高于吹炼需要的温度，造成炉衬寿命大大降低。因此，吹炼低碳产品时要进行温度控制。

影响终点温度的因素是很多的，主要为铁水的成分、对入铁水的温度、炉与炉间隔时间、供氧制度、加入硅质合金量和返回料多少等。操作中必须根据不同品种的要求和炉子的特点控制好温度制度。前期不过低，后期不过高，最终使铁水温度正好达到合金脱碳所需要的温度。

（3）供氧制度。供氧强度、供氧压力、喷枪形状和位置构成供氧制度。供氧制度直接影响吹炼温度，元素氧化速度、吹炼时间、终点含碳量、喷嘴和炉衬寿命。因此，供氧制度是氧气转炉操作的中心环节。

喷中级类型与供氧制度关系密切，我国目前主要采用拉瓦尔型和三孔喷嘴。拉瓦尔型喷嘴穿透能力哟，三孔喷嘴反应面积大。

合理的供氧制度能保证得到合适的穿透深度和反应面积，提高炉龄和喷嘴寿命，缩短吹炼时间。图15－1为某厂1.2t顶吹转炉的供氧制度。

（4）造渣制度。吹炼过程中，部分铬、铁、硅氧化形成炉渣，特别是在吹炼初期，由于硅的优先氧化生成大量的SiO2，会严重侵蚀碱性炉衬，这时需加石灰、镁砂和铬矿造渣，以减少SiO2的侵蚀。造渣的另一个目的是为了调整炉渣的性质。在吹炼过程中，由于铬的大量氧化，形成高Cr2O3炉渣，这种渣熔点高、粘度大，给供氧和CO气泡的逸出造成困难，而且易产生喷溅。此时，需加渣料调整渣的性质，以改善炉况和便于出铁时还原渣中的Cr2O3。

（5）终点控制。终点控制主要是指对合金含碳量的控制。一般都根据经验判断终点的含碳量。判断的方法是：

1）观察炉口火焰和火花，当碳降到接近1%时，炉口火焰收缩，火星不炸。

2）吹炼后期炉内渣量增加，渣中Cr2O3浓度提高，高压气流搅动渣层和CO逸出渣层时发出“嘟、嘟”的响声。

3）由铁水装入量和氮气累计消耗量推算终点碳，吹炼FeCr200耗氧100－120m3/t（标态），FeCr100耗氧130－140m3/t（标态），FeCr50耗氧150－170m3/t（标态）。

4）取样看试样断口。断口出现结晶，随着含碳量的降低，结晶越明显，断口越亮。

顶吹氧气转炉的工艺流程如图15－2所示。

首先将液态高碳铬铁经扒渣称量后对入转炉，然后摇直炉体，降下已通过高压水冷却的氧枪进行吹炼。喷嘴距液面400－600mm。铁水装入量少，而铁液层薄时，氧枪位置应高些。铁水装入量多，铁液层厚时，铁液层厚时，氧枪位置应低些。

吹炼开始时铁水温度较低，硅、铬等元素首先被氧化。由于放热反应使熔池温度迅速提高，脱碳反应随即大量进行，约持续10分钟左右，脱碳速度达量高峰（见图15－3）。

 

由于冶炼初期元素大量被氧化形成SiO2含量较高的自然炉渣，因而吹炼约4分钟时要加造渣料，保护炉衬和为以后加还原剂还原氧化铬创造条件。脱碳反应生产大量的CO气体，使火焰暗红色逐渐变淡，较长而明亮。随着铬铁液中碳浓度降低，脱碳速度减慢，铬大量被氧化，炉口火焰收缩，此时应控制终点，待判断碳含量合格即停吹出铁。

出铁前，若炉渣流动性差时，可向炉内加入少量的硅铬合金进行预还原，降低渣中Cr2O3含量和炉渣碱度，增加渣的流动性。一般加入量为总加入量的5%。出铁时，要同时向镁砖砌衬的铁水包中加入硅铬合金（也有加75%硅铁的），以还原渣中铬，使终渣中Cr2O3含量控制在27%以下，CaO/SiO2为0.5左右。这样的炉渣可返回生产高碳铬铁。

在浇铸前，先调整好梅花型流槽孔，天车浇铸时要快而稳。铁锭厚度小于60mm，浇铸半小时后脱模，经破碎精整入库。

为了提高经济效益，应减少吹炼中的吹损，提高铬的回收率，延长炉衬寿命。吹损主要是元素氧化入渣、元素随烟尘逸出、渣中夹铁和机械喷溅造成的。其中元素氧化入渣损失是主要的，但又是不可避免的，只能在正常操作条件下，通过正确地控制终点不过吹来尽量减少铬的氧化损失。喷溅主要是由于炉内CO气泡在逸出过程中产生强大的推动力把渣和金属喷出炉外，因此操作中必须控制合适的装入制度、温度制度、供氧制度和造渣制度，以避免喷溅。

由于吹氧冶炼中你碳铬铁温度高，又因渣液和铁液在高压氧气流和脱碳反应产生的大量CO气体的作用下，在熔池内发生激烈的循环与搅拌，对炉墙产生强烈的冲刷，使炉墙侵蚀严重，炉龄短。为了延长炉龄，除提高耐火材料和砌筑质量外，应设法减轻高温和机械冲刷对炉衬的侵蚀。这可通过对炉墙挂渣来实现。在开吹约3分钟时，将铬矿、石灰和镁砂按一定比例加入炉内造高熔点炉渣。这样的炉渣在吹炼时由于气流的冲击作用粘在炉墙上，从而减少了高温和渣液对炉衬的直接冲刷作用。造渣料的配比(kg/t)为：铬矿60－100，石灰40－70，镁砂0－12。

电硅热法冶炼中低碳铬铁

电硅热法就是在电炉内造碱性炉渣的条件下，用硅铬合金的硅还原铬矿中铬和铁的氧化物而制得。

冶炼设备及原材料

用电硅热法冶炼中低碳铬铁是在固定式三相电弧炉内进行的，可以使用自焙电极，炉衬是用镁砖砌筑的（干砌）。炉衬寿命短是中低碳铬铁生产中的重要问题。由于冶炼温度较高（达1650℃），炉衬寿命一般较短（约45－60天）。

电炉功率一般采用2000－3500kV·A。3500kV·A固定式三相电弧炉的炉壳直径为5.2m，高2.5m，炉膛直径（底部）2.7m，炉膛深度1.3m，电极直径450mm。

冶炼中低碳铬铁的原料有铬矿、硅铬合金和石灰。铬矿应是干燥纯净的块矿和精矿粉，其Cr2O3含量越高越好，杂质（Al2O3，MgO、SiO2）含量越低越好。铬矿中磷含量不应大于0.03%。粒度小于60mm。硅铬合金应是破碎的，粒度小于30mm，不带渣子。石灰应是新烧好的，其CaO含量不少于85%。石灰中CaO越低，则杂质SiO2、Al2O3就越高，结果用来调整碱度的CaO也越多，而真正的有关CaO就越低。如果石灰中的CaO低，则有效的CaO就更低。

炉内反应

用电硅热法冶炼中低碳铬铁的主要反应如下：

2Cr2O3+3Si=4Cr＋3SiO2

2FeO+Si=2Fe+SiO2

这两个反应的基础是硅能与氧化合生成比铬和铁的氧化物更为稳定的化合物SiO2。

用硅还原铬和铁的氧化物的过程和用碳还原的过程有区别。用碳还原时生成的一氧化碳可以从反应中逸出，因而用碳还原氧化物的反应沉淀是很完全的，并能保证被还原的元素有较高的回收率。用硅还原铬和铁的氧化物时，反应生成的SiO2，聚集于炉渣中，使进一步还原发生困难。因此，如不采取措施，还原时只能将矿石中40%－50%的Cr2O3还原出来，而后还原反应就要停止进行。再增加还原剂的数量，则合金中的硅要高出规定标准造成废品，而且炉渣中的Cr2O3还是很高。为提高铬的回收率，需向炉渣中加熔剂石灰。石灰中的CaO能与化合并生成稳定的硅酸盐：CaO·SiO2、2CaO·SiO2（以2CaO·SiO2为最稳定），这样才能把渣中Cr2O3进一步还原出来。

炉渣碱度CaO/SiO2一般等于1.6－1.8。冶炼中低碳铬铁的炉渣中也含也MgO,是由铬矿和炉衬带进的，氧化镁和氧化钙的作用相同，所以炉渣碱度也可用（CaO+MgO）/SiO2来表示。冶炼中低碳铬铁（CaO+MgO）/SiO2一般等于1.8－2.0。这样就使铬矿中的Cr2O3最大限度地从矿石中还原出来。如碱度再提高就不合理了，不但不能大幅度的降低炉渣中的Cr2O3，而由于渣量增加，炉渣中铬的总量及熔化炉渣消耗的电能也增加。

炉渣与金属之比（渣铁比）为3.0－3.5。

操作工艺

中低碳铬铁生产特点是间歇式作业，各个不同冶炼期有着各种不同的电气制度。在熔化期内，还原反应在高温区已开始进行，但周围炉温较低，大部分固体料仍在熔化，故可用较高的电压，这时炉子的功率较大。炉料化完后的还原期就不要大功率了，如继续长弧高压操作，热损失增加，并恶化操作条件，有损炉料，故应采用较低的二次电压。一般熔化期用178V，精炼期电压为156V。

电硅热法冶炼中低碳铬铁所用的还原剂为硅铬合金，硅铬合金中的铬在冶炼过程中进入中低碳铬铁。

为了防止弧光侵蚀炉底和适于送电，采用留铁操作，炉底留铁量以150－200mm厚为适宜。留铁生产有如下优点：

（1）使炉渣和炉底隔开，避免炉渣对炉度侵蚀；

（2）保持炉衬有恒温，不致使炉衬由于经常下冷料形成急冷引起破坏；

（3）防止高温弧光刺破炉底。

但留铁应适当，太多或太少都不利。留铁最太多，引起翻渣和塌料，影响产品质量；留铁量太少，会使炉底遭受高温，机械冲刷及化学侵蚀，从而缩短炉衬的使用时间。

中低碳铬铁冶炼的主要环节是补炉、堵出铁口、加料和熔化、精炼等。出铁后应立即用镁砂堵出铁口，并检查炉衬的侵蚀情况。炉衬是在1650－1700℃的高温下工作的，同时受渣铁的强烈化学侵蚀及搅动时的机械冲刷，此外炉况不正常及出铁口使用不合理等，都会引起炉龄缩短。生产实践证明，采用下列方法可以延长炉龄寿命：提高筑炉质量、制定合理的操作工艺、使用合理的二次电压、稳定的掌握温度和碱度、保持均恒的留铁量、合理的使用和维持出铁口。

当发现炉墙（主要是渣线）侵蚀严重时，应及时从料批中抽出部分石灰，或用镁砖头进行补炉。补好炉衬方可引弧送电。冶炼中碳铬铁可采用快负荷操作，送电后15分钟方可满负荷操作。为促进化料，冶炼中低碳铬铁熔化期负荷要给足，以便提高炉缸温度，精炼期负荷可稍小一点。

加料有两种方法：一是混合加料，即将铬矿、石灰和硅铬合金一次混合加入炉内；再一种加料法是分批加料法，即将一炉炉料混合后，分几次加入炉内。前者是目前广泛应用的方法。其特点是送电后，将混合料一次缓慢的加到炉内，分布要微呈盆形，电极后面适当多些，大面适当少些。如果夏季雨水较多，原料潮湿，可将料先下到炉子周围进行烘烤，待干燥后，用耙子徐徐推入炉内。为加速熔化和充分利用热量，根据化料情况，可用耗子将四周的料逐渐推入炉内。为加速熔化和充分利用热量，根据化料情况，可用耙子将四周的料逐渐推入炉内高温区。从送电到炉料化完以后，这段时间叫熔化期。

精炼期是指炉内料化完后到出铁前，此阶段是还原反应，此期内应进行充分搅拌，以促进还原反应的进行。精炼期必须保持一定的精炼时间，太长会使金属增碳，并浪费电能；太短则还原反应进行的不彻底，金属回收率低。

出铁前应在三根电极的中间取样，判断含硅量，硅量低应补加硅铬进行调硅；硅高应酌情加铬矿脱硅处理。待成分合格即可出铁。判断含硅量的方法如下：

（1）试样断面呈灰白色，稍有立岔（柱状结晶），铁样较坚韧，证明金属含硅小于3%，可以出铁。

（2）试样断面呈灰黑色，立岔很多，坚韧不易打碎，说明含硅太低，应补加还原剂进行调硅。但加硅铬后，应进行搅拌，并有一定精炼期之后方可出铁。

（3）试样断面呈白色，质地较脆，易于打碎，说明含硅太高，不能出铁，应进行精炼，必要时可加入一定量的铬矿进行脱硅。待成分合格方可出铁。

出铁前应准备好钢包、渣罐、小车、锭模等，卷扬应正常运转。成分合格，立即打开出铁口停电出铁。出铁口有时难开，使用烧穿器或氧气烧开出铁口。正确使用和维持出铁口是延长炉龄寿命的关键问题之一。出铁口开的高度和堵的深度都应适当。如开的太高，铁水出不来，大量的铁水存在炉内，造成翻渣，严重的会造成漏炉事故；出铁口开的太低，会把炉内的铁水都放出来，钢包装不下，造成炉前事故，又使炉底下降，炉龄寿命显著缩短。最好是根据炉底的深度开，先出渣，后出铁水，按料批的大小炉炉都均匀的出铁。出铁口堵的深度也应适当，太深造成开眼困难，太浅出铁口外移，侵蚀出铁口两侧，使炉衬寿命变短，还易跑眼。

出铁后将渣铁在特制的渣铁分离器（即分渣模）里分离。渣铁分离后，合金浇铸在锭模里。或用铸铁机浇铸。吊往精整台冷却后除掉表面灰尘和夹渣，破碎后每块质量小于15kg，按品种牌号入指定的库号，并将化学成分和物理形态不合格的产品回炉重新熔炼。在熔炼低碳铬铁（C≤0.25）时，对增碳问题应适当注意。原材料要清洁干净不准带碳，特别是硅铬合金的含碳量要低，硅铬合金严禁带渣，因渣中含碳量较高。

配料计算

原料成分

铬矿：Cr2O345%，FeO23%，SiO25%，Al2O313%，CaO2%，MgO8%，C0.03%，P0.03%。

硅铬合金：Cr28%，Si48%，Fe23%，C0.5%，P0.02%。

石灰：FeO0.5%，SiO21%，Al2O35%，CaO80%，MgO1%，C0.03%，P0.03%。

计算条件

计算条件为：

(1)以100kg铬矿为基础进行计算。

(2)铬矿中Cr2O3有75%被还原，有25%进入炉渣(其中有15%呈Cr2O3存在，有10%呈金属粒)。

(3)硅铬合金中硅的利用率为80%(其中进入合金3%)，7%以Si和SiO的形式挥发，13%进入炉渣。铁和铬各入合金95%，入渣5%。

(4)原料中磷有50%合金，25%入渣，25%挥发。

(5)碱度CaO/SiO2=1.6-1.8。

配料

计算

A还原100kg铬矿所需要的硅量

还原Cr2O3(2Cr2O3+3Si=4Cr+3SiO2)：

45×0.85×(84÷304)=10.59(kg)

还原FeO(2FeO+Si=2Fe+SiO2):

23×0.95×(28÷114)=4.25(kg)

合计：10.59+4.25=14.84(kg)

折合成硅铬合金为：

14.84÷(0.48×0.80×0.9)=40(kg)

B由40kg硅铬合金带入金属中各元素的质量

Cr：40×0.28×0.95=10.60(kg)

Fe：40×0.23×0.95=8.40(kg)

C由100kg铬矿中带入金属各元素的质量

Cr：45×0.75×104/152=23.10(kg)

Fe：23×0.90×56/72=16.10(kg)

D生成金属的质量及成分

元素      质量/kg               合金成分/%

           Cr        10.60+23.10=33.70     57.40

           Fe        8.40+16.10=24.50      41.60

           Si        40×0.48×0.03=0.58     1.0

           合计      58.70                 100

E应加入石灰量

从铬矿中带入的SiO2量：

100×0.05=5(kg)

硅铬氧化生成的量：

40×0.48×0.90×（60÷28）=37(kg)

合计：5+37=42(kg)

渣中应有的CaO(石灰)量

42×1.6=67(kg)(碱度为1.6)：

应加入的石灰量：

67÷0.80=84(kg)

F炉料组成

铬矿：100kg；石灰：84kg；硅铬：40kg。

单位消耗

项目消耗数量

铬矿/(kg/t)1500-1600

硅铬合金/(kg/t)620-640

石灰/(kg/t)1350-1500

镁砖/(kg/t)38-40

电极糊/(kg/t)40-42

电耗/(kW·h/t)200-2200