鐵合金生產(chǎn)工藝

鐵合金生產(chǎn)工藝第一頁，共四十六頁。目錄一.鐵合金的定義二.鐵合金的用途三.鐵合金的分類四.鐵合金的生產(chǎn)方法五.硅鐵的定義六.硅鐵的用途七.硅鐵的冶煉原理及工藝第二頁，共四十六頁。鐵合金的定義鐵合金是由一種或兩種以上的金屬或非金屬元素與鐵元素組成的，并作為鋼鐵和鑄造業(yè)的脫氧劑、脫硫劑和合金添加劑等的合金。例如硅鐵是硅與鐵的合金；錳鐵是錳與鐵的合金；硅鈣合金是硅與鈣組成的合金。就生產(chǎn)方法與用途而言，鐵合金還包括含鐵極低的錳、鉻、釩及工業(yè)硅等合金金屬。第三頁，共四十六頁。鐵合金的用途鐵合金是鋼鐵工業(yè)和機械鑄造行業(yè)必不可少的重要原料之一。其主要用途：一是作為脫氧劑，消除鋼液中過量的氧；二是作為合金元素添加劑，改善鋼的質(zhì)量與性能。隨著我國鋼鐵工業(yè)持續(xù)、快速地發(fā)展，鋼的品種、質(zhì)量的不斷擴大和提高，對鐵合金產(chǎn)品提出了更高要求，鐵合金工業(yè)日益成為鋼鐵工業(yè)的相關(guān)技術(shù)和配套工程。第四頁，共四十六頁。鐵合金的用途（1）用作脫氧劑。煉鋼過程是用吹氧或加入氧化劑的方法使鐵水進行脫碳及去除磷、硫等有害雜質(zhì)的過程。這一過程的進行，雖然使生鐵煉成鋼，但鋼液中的[O]含量增加了。[O]在鋼液中一般以[FeO]的形式存在。如果不將殘留在鋼中多余的氧去除，就不能澆鑄成合格的鋼坯，得不到力學(xué)性能良好的鋼材。為此，需要添加一些與氧結(jié)合力比鐵更強，并且其氧化物易于從鋼液中排除進入爐渣的元素，把鋼液中的[O]去掉，這個過程叫脫氧。

用于脫氧的合金叫脫氧劑。

鋼水中各種元素對氧的結(jié)合強度，即脫氧能力，從弱到強的順序如下：鉻、錳、碳、硅、釩、鈦、硼、鋁、鋯、鈣。因而，一般煉鋼脫氧常用的是由硅、錳、鋁、鈣組成的鐵合金。第五頁，共四十六頁。鐵合金的用途（2）用作合金劑。合金鋼中因其含有不同的合金元素而具有不同的性能。鋼中合金元素的含量是通過加入鐵合金的方法來調(diào)整的。用于調(diào)整鋼中合金元素含量的鐵合金叫合金劑。常用的合金劑有硅、錳、鉻、鉬、釩、鎢、鈦、鈷、鎳、硼、鈮、鋯等鐵合金

。第六頁，共四十六頁。鐵合金的用途（3）用作鑄造晶核孕育劑。改善鑄鐵和鑄鋼的性能的措施之一是改變鑄件的凝固條件。

為了改變凝固條件，通常在澆注前加入某些鐵合金作為晶核，形成晶粒中心，使形成的石墨變得細(xì)小分散，晶粒細(xì)化，從而提高鑄件的性能。（4）用作還原劑。硅合金分別用作生產(chǎn)鉬鐵、釩鐵等其他鐵合金時的還原劑；硅鉻合金、錳硅合金分別用作中低碳錳鐵生產(chǎn)的還原劑。第七頁，共四十六頁。鐵合金產(chǎn)品的分類隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個行業(yè)對鋼材的品種、性能的要求越來越高，從而對鐵合金也

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提出了更高的要求。鐵合金的品種在不斷地擴大，鐵合金的品種繁多，分類方法也多。一般按下列方法分類：

（l）按鐵合金中主元素分類，主要有硅、錳、鉻、釩、鈦、鎢、鉬等系列鐵合金。

（2）按鐵合金中含碳量分類，有高碳、中碳、低碳、微碳、超微碳等品種。

（3）按生產(chǎn)方法分類，有高爐鐵合金，電爐鐵合金，爐外法（金屬熱法）鐵合金，真空固態(tài)還原法鐵合金，轉(zhuǎn)爐鐵合金，電解法鐵合金等。此外，還有氧化物壓塊與發(fā)熱鐵合金等特殊鐵合金。

（4）含有兩種或兩種以上合金元素的多元鐵合金，主要品種有硅鋁合金、硅鈣合金、硅鈣鋁合金、硅鈣鋇合金、錳硅鋁合金、硅鋁鋇鈣合金。第八頁，共四十六頁。鐵合金產(chǎn)品的分類硅鐵合金錳鐵合金鉻鐵合金釩鐵合金鉬鐵合金第九頁，共四十六頁。鐵合金生產(chǎn)的主要方法高爐法—利用高爐的高溫和還原氣氛使合金礦石還原生產(chǎn)鐵合金。如高碳錳鐵。電熱法—鐵合金生產(chǎn)的主要方法。用碳作還原劑，缺點是很多金屬都易與碳形成碳化物，不能生產(chǎn)低碳鐵合金。金屬熱法—利用還原反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)熱加熱合金與爐渣，使反應(yīng)自動進行。常用還原劑有鋁、硅鐵、鋁鎂合金等，生產(chǎn)極低碳合金。轉(zhuǎn)爐法——將高碳合金吹氧脫碳，生產(chǎn)中、低碳合金。第十頁，共四十六頁。高爐法高爐法所使用的主體設(shè)備為高爐。高爐法是最早采用的鐵合金生產(chǎn)方法。目前主要是生產(chǎn)高爐高碳錳鐵。高爐錳鐵生產(chǎn)主要原料為錳礦、焦炭和熔劑以及助燃的空氣或富氧。把原料從爐頂裝入爐內(nèi)，高溫空氣或富氧經(jīng)風(fēng)口鼓入爐內(nèi)，使焦炭燃燒獲得高溫及還原氣體對礦石進行還原反應(yīng)，熔化了的爐渣、金屬積聚在爐底，通過渣口、出鐵口定時出渣、出鐵。隨著爐料的熔化、反應(yīng)和排出，再不斷加入新爐料，生產(chǎn)是連續(xù)進行的。

高爐法生產(chǎn)鐵合金，具有勞動生產(chǎn)率高，成本低等優(yōu)點。但鑒于高爐爐缸溫度的局限性。以及高爐冶煉條件下金屬被碳充分飽和。因此高爐法一般只用于生產(chǎn)易還原元素鐵合金和低品位鐵合金，如高碳錳鐵、低硅鐵、低硅錳、鎳鐵及富錳渣。

第十一頁，共四十六頁。高爐法第十二頁，共四十六頁。高爐法第十三頁，共四十六頁。電爐法電爐法是生產(chǎn)鐵合金的主要方法，其產(chǎn)量約占全部鐵合金產(chǎn)量的4/5，所使用的主體設(shè)備為電爐。電爐主要分為還原電爐（礦熱爐）和精煉爐兩種：

（l）還原電爐（礦熱爐）法。還原電爐法是以碳作還原劑還原礦石生產(chǎn)鐵合金的。爐料加入爐內(nèi)并將電極插埋于爐料中，依靠電弧和電流通過爐料而產(chǎn)生的電阻電弧熱，進行理弧還原冶煉操作。熔化的金屬和熔渣集聚在爐底并通過出鐵口定時出鐵出渣，生產(chǎn)過程是連續(xù)進行的。用此方法生產(chǎn)的品種主要有硅鐵、硅鈣合金、工業(yè)硅、高碳錳鐵、硅錳合金、高碳鉻鐵、硅鉻合金等。

（2）精煉爐（電弧爐）法。精煉爐法是用硅（硅質(zhì)合金）合金產(chǎn)品的，依靠電弧熱和硅氧反應(yīng)熱進行冶煉。爐料從爐頂或爐門加入爐內(nèi)，整個冶煉過程分為引弧、加料、熔化、精煉和出鐵等五道工序，生產(chǎn)是間歇進行的。主要生產(chǎn)品種有：中、低碳錳鐵，中、低、微碳鉻鐵及釩鐵等。

第十四頁，共四十六頁。電爐法礦熱爐1-加料裝置；2-氣動裝置；3-短網(wǎng)；4-水冷系統(tǒng)；5-電極升降裝置；6-電極壓放裝置；7-液壓系統(tǒng)；8-電極把持裝置；9-爐蓋；10-電極；11-爐體第十五頁，共四十六頁。電爐法電弧爐第十六頁，共四十六頁。爐外法（金屬熱法）爐外法是用硅、鋁或鋁鎂合金作還原劑，依靠還原反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)熱來進行冶煉的，所使用的主體設(shè)備為筒式熔爐。

使用的原料有精礦、還原劑、熔劑、發(fā)熱劑以及鋼屑、鐵礦石等。生產(chǎn)的主要品種有鉬鐵、鈦鐵、硼鐵、鈮鐵、鎢鐵、高釩鐵及金屬鉻等。第十七頁，共四十六頁。爐外法（金屬熱法）第十八頁，共四十六頁。氧氣轉(zhuǎn)爐法

氧氣轉(zhuǎn)爐法使用的主體設(shè)備為轉(zhuǎn)爐，按其供氧方式，有頂、底、側(cè)吹和頂?shù)讖?fù)合吹煉法。使用的原料是液態(tài)高碳鐵合金、純氧、冷卻劑及造渣材料等。將液態(tài)高碳鐵合金對入轉(zhuǎn)爐，高壓氧氣經(jīng)氧槍通入爐內(nèi)吹煉，依靠氧化反應(yīng)放出的熱量脫碳，生產(chǎn)是間歇進行的。生產(chǎn)的主要品種有中低碳鉻鐵、中低碳錳鐵等。第十九頁，共四十六頁。氧氣轉(zhuǎn)爐法

第二十頁，共四十六頁。氧氣轉(zhuǎn)爐法

第二十一頁，共四十六頁。硅鐵的定義硅鐵就是鐵和硅組成的鐵合金。硅鐵是以蘭炭、鋼屑、石英（或硅石）為原料，用電爐冶煉制成的硅鐵合金。根據(jù)硅含量的不同，我國市場上存在45%、65%、75%和90%多個品級，其中最常用的是75硅鐵，含硅量越高，其熔點越高，75#硅鐵的熔點為1300℃。第二十二頁，共四十六頁。純硅呈鋼灰色，有金屬光澤的晶體物質(zhì)，質(zhì)硬而脆，屬于非金屬。硅的原子量28.08，密度2300kg/m3，熔點1683K；鐵具有銀白色金屬光澤，有良好的延展性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性、密度為7.86kg/cm3，熔點1435K。硅與鐵能按任意比例互溶，可以生成FeSi2、FeSi、Fe5Si3、Fe2Si等硅化物，其中以FeSi最穩(wěn)定，熔點為1683K，融化時不分解，能以FeSi新式存在與液態(tài)合金中，其余的硅化物當(dāng)加熱時在固態(tài)即分解。硅鐵是鐵和硅組成的鐵合金。硅鐵的熔點隨含硅量增加而升高，標(biāo)準(zhǔn)硅鐵的熔點低于1634K。硅與鐵的合金容易產(chǎn)生偏析，合金錠上部和下部的含硅量之差達(dá)20%以上。合金錠厚度越大，冷卻時間越長，則偏析也越嚴(yán)重。因此，通常要求硅鐵錠的洗鑄厚度不能大于100mm。硅鐵合金的物理性質(zhì)第二十三頁，共四十六頁。硅鐵的用途（1)在煉鋼工業(yè)中用作脫氧劑和合金劑。為了獲得化學(xué)成分合格的鋼和保證鋼的質(zhì)量，在煉鋼的最后階段必須進行脫氧，硅和氧之間的化學(xué)親和力很大，因而硅鐵是煉鋼較強的脫氧劑用于沉淀和擴散脫氧。在鋼中添加一定數(shù)量的硅，能顯著的提高鋼的強度、硬度和彈性，因而在冶煉結(jié)構(gòu)鋼（含硅％)、工具鋼(含Si0.3-1.8%)、彈簧鋼(含％)和變壓器用硅鋼（含硅2.81-4.8%)時，也把硅鐵作為合金劑使用。此外，在煉鋼工業(yè)中，利用硅鐵粉在高溫下烯燒能放出大量熱這一特點，常作為鋼錠帽發(fā)熱劑使用以提高鋼錠的質(zhì)量和回收率。

(2)在鑄鐵工業(yè)中用作孕育劑和球化劑。鑄鐵是現(xiàn)代工業(yè)中一種重要的金屬材料，它比鋼便宜，容易熔化冶煉，具有優(yōu)良的鑄造性能和比鋼好得多的抗震能力。特別是球墨鑄鐵，其機械性能達(dá)到或接近鋼的機械性能。在鑄鐵中加入一定量的硅鐵能阻止鐵中形成碳化物、促進石墨的析出和球化，因而在球墨鑄鐵生產(chǎn)中，硅鐵是一種重要的孕育劑（幫助析出石墨）和球化劑。第二十四頁，共四十六頁。硅鐵的用途(3)鐵合金生產(chǎn)中用作還原劑。不僅硅與氧之間化學(xué)親和力很大，而且高硅硅鐵的含碳量很低。因此高硅硅鐵（或硅質(zhì)合金）是鐵合金工業(yè)中生產(chǎn)低碳鐵合金時比較常用的一種還原劑。

(4)在其他方面的用途。在焊條制造業(yè)中可作為焊條的涂料。高硅硅鐵在化學(xué)工業(yè)中可用于制造硅酮等產(chǎn)品。在這些用途中，煉鋼工業(yè)、鑄造工業(yè)和鐵合金工業(yè)是硅鐵的最大用戶。它們共消耗約90%以上的硅鐵。在各種不同牌號的硅鐵中，目前應(yīng)用最廣的是75%硅鐵。在煉鋼工業(yè)中，每生產(chǎn)1t鋼大約消耗3-5kg75%硅鐵。第二十五頁，共四十六頁。硅鐵的產(chǎn)業(yè)分布由于硅鐵的冶煉是一個高耗能的過程，西方國家近年來在電力資源緊張和硅石資源匱乏的情況下，而且硅鐵生產(chǎn)污染大、處于產(chǎn)業(yè)鏈條的底層而產(chǎn)品附加值低，硅鐵生產(chǎn)正逐漸轉(zhuǎn)移到中國，目前中國已成為世界硅鐵的主要生產(chǎn)地和世界硅鐵的主要供應(yīng)地。國內(nèi)主要產(chǎn)區(qū)為西北（甘肅、青海、寧夏）、內(nèi)蒙、西南（四川、貴州），其中寧夏產(chǎn)能為全國第二，占全國總產(chǎn)能的25%左右，僅次于內(nèi)蒙。第二十六頁，共四十六頁。硅鐵冶煉原料冶煉硅鐵的主要原料是硅石、碳質(zhì)還原劑和鋼屑。在硅鐵的冶煉過程中，電力消耗成本占總成本的近70%，小型電爐生產(chǎn)1t硅鐵耗電約10000kWh，大型電爐生產(chǎn)1t硅鐵耗電約8500kWh。另外，1t硅鐵需耗1.8~1.9t硅石、1~1.1t焦炭以及0.32~0.33t鋼屑。第二十七頁，共四十六頁。硅石硅石中SiO2含量要求大于98%。硅石中雜質(zhì)含量要低。硅石中雜質(zhì)主要指AI2O3、MgO、CaO、P2O5、這些雜質(zhì)都是成渣物質(zhì)，不利于硅鐵生產(chǎn)的順行。因此，為確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)順行，要求硅石中AI2O3含量必須小于0.5%，MgO和CaO含量之和小于1%。硅石表面不得有泥土等雜志，入爐前盡量經(jīng)過水洗。硅石要有良好的抗爆性能。硅石在升溫過程中，因晶體型轉(zhuǎn)變大及失水，可能出現(xiàn)碎裂，將嚴(yán)重惡化料面的透氣性。硅石入爐時要有一定的粒度。硅石粒度過小，會含有較多雜質(zhì)，也會嚴(yán)重影響面料的透氣性；硅石粒度過大，易造成爐料分層，延緩爐料的溶化和還原反應(yīng)速度。一般要求12500kv.A礦熱爐中入爐硅石粒度為80-120mm。第二十八頁，共四十六頁。蘭炭蘭炭利用陜西榆林神府煤田盛產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)侏羅精煤塊燒制而成的，作為一種新型的炭素材料，以其固定炭高、比電阻高、化學(xué)活性高、含灰份低、鋁低、硫低、磷低的特性，已逐步取代冶金焦而廣泛運用于電石、鐵合金、硅鐵、碳化硅等產(chǎn)品的生產(chǎn)，成為一種不可替代的炭素材料。蘭炭可代替焦炭（冶金焦）而廣泛用于化工、冶煉、造氣等行業(yè)。質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：固定碳>82%,揮發(fā)分<4%，灰分<6%，硫<0.3%，水分<10%,粒度：15-25mm，最大不超過30mm。第二十九頁，共四十六頁。鋼屑（1）化學(xué)成份含鐵量不低于97％

（2）應(yīng)是普通碳素鋼銷，不得混有合金鋼屑，有色金屬屑和生鐵屑等（3）生銹嚴(yán)重的鋼屑不得使用

（4）鋼銷的卷曲長度不大于100mm

（5）要純凈，不得混有泥土等雜質(zhì)第三十頁，共四十六頁。硅鐵冶煉方法硅鐵是在開口式或半封閉式（即矮煙罩）的還原爐內(nèi)采用連續(xù)作業(yè)法進行冶煉的。硅石、蘭炭、鐵屑經(jīng)過精整篩選后，按照一定的配比進入計量倉，通過皮帶機振動篩進入混合料倉，硅石、蘭炭、鐵屑均按照工藝配比，不斷投入到硅鐵爐內(nèi)憑借電弧熱和電阻熱在1800-2200℃的高溫反應(yīng)下生成硅鐵。形成的硅鐵液體經(jīng)過3小時左右，將出鐵口燒開流入臺包內(nèi)，再選擇進行二次澆鑄、精裝、包裝。

在冶煉過程中，從爐頂或爐旁加入原材料，三根電極插在爐料中，要求深而穩(wěn)，實現(xiàn)埋弧操作，依靠電弧和電流通過爐與爐料產(chǎn)生的電阻進行加熱；混勻的爐料隨料面的下沉而小批量的加入爐內(nèi)，從爐下方的通過出鐵和出渣口定時出鐵放渣。第三十一頁，共四十六頁。硅鐵冶煉原理碳與二氧化硅的反應(yīng)式為：SiO2+2C=Si+2CO當(dāng)有鐵存在時，鐵與還原出的硅反應(yīng)，生產(chǎn)硅鐵：Si+Fe=FeSi冶煉時的總反應(yīng)式為：SiO2+2C+nFe=FenSi+2CO第三十二頁，共四十六頁。第三十三頁，共四十六頁。布袋除塵料倉加密硅微粉發(fā)往用戶產(chǎn)品檢驗入庫鐵質(zhì)材料蘭炭硅石出鐵礦熱爐熔煉預(yù)除塵和風(fēng)機加工包裝第三十四頁，共四十六頁。原料工段硅鐵的冶煉原料包括硅石、蘭炭、鐵屑，原料工段主要是將上述原料進行精整篩選進入配料系統(tǒng)的過程。硅石經(jīng)水洗精整、篩選后進入硅石料倉，計量后進入計量倉，隨后在倉底使用振動篩篩選，通過皮帶機進入混合料倉，篩下的粉末進入粉末倉；蘭炭過篩后進入蘭炭料倉，計量后進入計量倉，隨后在倉底使用振動篩篩選，通過皮帶機進入混合料倉，篩下的粉末進入粉末倉；鋼屑精整后選送至鋼屑料倉，先通過計量進入計量倉，然后振動過篩，進入皮帶機。硅石、蘭炭、鋼屑均按照工藝配置的合格料比，后經(jīng)過料斗及皮帶機上料至爐頂混合料倉，不斷投加到電極四周，補充到硅鐵爐內(nèi)。電極糊破碎后裝入電極糊下料筒加入到電極筒內(nèi)，在硅鐵中焙燒成電極參與冶煉。原料工段主要耗能為電力。第三十五頁，共四十六頁。熔煉工段熔煉工段主要包括硅鐵的冶煉、出爐、澆鑄過程。硅鐵爐冶煉熱源由35KV高壓電源經(jīng)電爐變壓器變壓，由短網(wǎng)、銅瓦傳遞給電極做功，形成1800-2200℃的高溫，將硅石、蘭炭、鋼屑冶煉熔化，根據(jù)爐況定時出爐，出爐完畢后將鐵水澆注在錠模上進行冷卻。硅鐵冶煉中的煙氣采用布袋除塵后，將煙氣中的二氧化硅進行加密回收，最后袋裝外運。熔煉工段主要耗能為電力和蘭炭。第三十六頁，共四十六頁。成品包裝工段成品包裝工段主要包括硅鐵成品的破碎、包裝、檢測、入庫等過程。出爐后澆鑄后的硅鐵運至冷破車間進行冷卻、破碎，再根據(jù)客戶的要求進行包裝、計量，或者進行二次澆鑄精煉，成品檢測后進入倉庫。成品包裝工段主要耗能為電力。第三十七頁，共四十六頁。工藝能源消耗情況硅鐵生產(chǎn)整個工藝過程消耗的能源主要是電力和蘭炭。其中電力用于整個工藝流程中原料的處理、硅鐵的冶煉以及包裝中，主要供硅鐵冶煉系統(tǒng)以及除塵和空氣壓縮站的主要生產(chǎn)系統(tǒng)使用。蘭炭作為碳質(zhì)還原劑，供硅鐵冶煉系統(tǒng)使用。第三十八頁，共四十六頁。主要設(shè)備礦熱爐余熱鍋爐第三十九頁，共四十六頁。主要設(shè)備旋風(fēng)除塵器布袋除塵器第四十頁，共四十六頁。硅鐵生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(1)礦熱爐大型化：世界上最大硅鐵冶煉礦熱爐已達(dá)105MVA，為半封閉型，目前國際上生產(chǎn)硅鐵的標(biāo)準(zhǔn)爐型均在30000KVA或以上。(2)爐體旋轉(zhuǎn)礦熱爐：由挪威埃肯公司建成，這種電爐可使?fàn)t灶松動并便于移向爐心；防止料面結(jié)殼；克服爐氣逸出不均勻和刺火等不正常爐礦。這種電爐為封閉電爐，自1979年發(fā)明以來，迄今僅有三臺在運行，規(guī)模較小(8500kW~9000kW)，并未大面積推廣。(3)生產(chǎn)過程實現(xiàn)計算機控制：采用計算機管理和控制可以降耗5