鉻是生產不銹鋼的重要原料，那么高碳鉻鐵的冶煉工藝與原理是什么呢？
無錫不銹鋼板、無錫不銹鋼管廠家無錫漢能不銹鋼2020年10月21日訊 鉻鐵是生產不銹鋼的最重要的原料，主要應用于生產不銹鋼、滾珠軸承鋼、工具鋼、滲氮鋼、熱強鋼、調質鋼、滲碳鋼和耐氫鋼，這是由于鉻在不銹鋼中的起決定作用，決定不銹鋼性屬的元素只有一種，這就是鉻，每種不銹鋼都一定含有一定數量的鉻。
高碳鉻鐵的冶煉工藝與原理
一、礦熱爐：
高碳鉻鐵的生產方法有電爐法、豎爐（高爐）法、等離子法和熔融還原法。豎爐法現在只生產低鉻合金（Cr<30％），較高鉻含量（例如Cr>60％）的豎爐法生產工藝尚處在研究階段；后兩種方法是正在探索中的新興工藝；因此，絕大多數的商品高碳鉻鐵和再制鉻鐵均采用電爐（礦熱爐）法生產。電爐冶煉具有以下特點：
（1）電爐使用電這種最清潔的能源。其他能源如煤、焦炭、原油、天然氣等都不可避免地將伴生的雜質元素帶入冶金過程。只有采用電爐才能生產最清潔的合金。
（2）電是唯一能獲得任意高溫條件的能源。
（3）電爐容易實現還原、精煉、氮化等各種冶金反應要求的氧分壓、氮分壓等熱力學條件。
1.1主要技術參數：
根據生產的品種和年產量，首先確定爐用變壓器的額定容量，選擇變壓器的類型（三相或三臺單相）、工作電壓和工作電流。然后確定電爐的幾何參數，包括電極直徑，電極極心圓直徑（或電極中心距），爐膛直徑，爐膛深度，護殼直徑，爐完高度等。所有這些參數，通常采用經驗公式計算，并參照國內外生產實踐進行選定。部分冶煉高碳鉻鐵的還原電爐主要技術參數列于表1。
表1部分還原電爐主要技術參數
變壓器容量/KVA使用電壓/V電極直徑/mm極心圓直徑/mm爐膛直徑/mm爐膛深度/mm
270093.5500115028001700
8000138870225065002700
9000148.59002300-250045002100
1250015810002300-250049002100
12500120-168?19級10202600±5060002300
250002201300330077002500
1.2組成結構：
埋弧式還原電爐由爐體、供電系統、電極系統、煙罩（或爐蓋）、加料系統、檢測和控制系統、水冷卻系統等組成。
二、工藝流程：
2.1原料的選取：
冶煉高碳烙鐵的原料有鉻礦、焦炭和硅石。其中焦炭以及硅石作為還原劑。
（1）鉻礦：
世界鉻鐵礦礦床主要分布在東非大裂谷礦帶、歐亞界山烏拉爾礦帶、阿爾卑斯—喜馬拉雅礦帶和環太平洋礦帶。近南北向褶皺帶中的鉻鐵礦資源量，占世界總量的90％以上。其中南非、哈薩克斯坦和津巴布韋占世界已探明鉻鐵礦總儲量的85％以上，占儲量基礎的90％以上，僅南非就占去了約3/4的儲量基礎。
①選礦原則：由于鉻是用途最多的金屬，而且在“戰略金屬”中列第一位。當今世界擁有鉻礦資源的國家或資源缺乏的國家，都在加緊鉻礦石選礦的研究，其選別方法有：
1）重選：如跳汰、搖床、螺旋溜槽、重介質旋流器等。
2）磁電選：包括高強場磁選、高壓電選。
3）浮選和絮凝浮選。
4）聯合選：如重選—電選。
5）化學選礦：處理極細粒難選貧鉻礦。
在上述鉻礦選礦方法中，生產上主要采用重選方法，常采用搖床和跳汰選別。有時重選精礦用弱滋選或強磁選再選，進一步提高鉻精礦石的品位和鉻鐵比。
②鉻礦搭配原則：在高碳鉻鐵的實際生產中往往需要選擇合適的礦種搭配以及搭配比例。鉻礦搭配的原則主要有:
1）合適的鉻鐵比（Cr2o3/∑FeO）。一般來說，冶煉含鉻量大于50％的合金要求入爐綜合礦的Cr2o3/∑FeO比值大于2.0；而冶煉含鉻量大于60％的合金要求此比值大于2.6。
2）合適的MgO/Al2o3比值。它不但影響熔渣的導電性能和還原性能，而且影響合金的含碳盤。在實際生產中，使用MgO/Al2o3，比值偏低的鉻礦需配足量的焦炭，以增加焦炭層的厚度，一方面是為了保證爐底不易損壞，另一方面也是為了增加未還原礦核在焦炭層的滯留時間。減少渣中跑鉻。
3）合適的塊度搭配。單獨使用粉礦時，易造成粉礦燒結，使料面透氣性變差，嚴重破壞了冶煉氣氛；使用塊度大的鉻礦易增加精煉層厚度，造成合金含碳量偏低。
4）合適的熔化性能。單純使用易熔鉻礦會造成成渣過早，使熔化速度快于還原速度，易造成渣中跑鉻高現象;單純使用難熔鉻礦會增厚精煉層，出現大量未還原礦核以及合金含碳量偏低等現象，給正常冶煉帶來了很大的困難。合理搭配鉻礦使熔渣有合理的熔點，對改善經濟指標非常重要。
（2）還原劑：
在合金生產中，使用最為普遍的是最便宜的一種還原劑-冶金焦“碎塊”（高爐用焦經篩選后的篩下焦）。由于煉焦用煤的質量及焦化廠生產焦炭的條件不同，碎焦塊的質量也各異．但是它們有一個共同的缺點，就是電阻不高，反應性能欠佳，灰分和硫、磷的含量較高，同時水分含量也較高，而且還不穩定。
焦炭中含有的硫主要是有機琉及大量的硫化物，還有少量的硫酸鹽和極少量以碳中固溶體狀態存在的元素硫。焦炭的磷含量也各不相同。焦塊具有海綿狀組織，并有大量的裂紋，其氣孔率波動于35％-55％范圍內，焦炭的視密度為0.8-1t/m3。
焦炭的性質依其塊度不同而變化，如表2所示。
表2焦炭性質隨塊度變化情況
塊度/mm25--5013--256--136
含量/％揮發分2.02.54.06.0
灰分6.06.58.010.0
固定碳92.091.088.084.0
塊度為25-40mm的焦塊的電阻比焦粒（10-25mm）低10％-15％。生產鐵合金用焦炭在破碎時產生的粉末量應盡量少，這一點是非常重要的，而且灰分成分應盡可能有利于所煉的鐵合金品種。
2.2原料的處理：
2.2.1原料的質量要求：
A原料的品位和純潔度：冶煉要求原料盡可能高的品位。純潔度高的原料可以取得高產、優質、低消耗的效果
B原料中的有害雜質：原料中的雜質以硫磷最為有害，因為它們進入鉻鐵合金后，最終將影響鋼和鋼材的質量。
C原料的粒度：原料粒度是否合適對冶煉進程是有很大的影響。原料粒度過大會造成不易熔化，還原因難，導電性增加，使渣量增大，爐況惡化，冶煉的各項技術經濟指標變壞。但如原料粒度過小，粉末多，則會使爐料的透氣性不好，電極周圍壓力大，造成刺火。而且粉末料易熔化，會使上層爐科燒結而懸料，導致塌料，其結果是電極不穩，刺火塌料頻繁，未還原料直接進入坩堝，同樣會使技術經濟指標變壞。因此對礦熱爐的原料粒度應有嚴格的要求。
鉻礦中Cr2o3＞40％，Cr2o3/ΣFeO＞2.5，s＜0.05％，P＜0.07％，MgO和Al2o3含量不能過高；粒度10—70mm，如系難熔礦，粒度應適當小些。
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％，Al2o3＜1．o％，熱穩定性能好，不帶泥土，粒度20一80mm。
2.2.2原料的干燥：
A原料的干燥也很重要，特別是焦炭更需干燥。因為使用濕焦有以下幾方面缺點：
（1）焦炭孔隙度大，故吸水性很強。焦炭中水分的波動，首先影響到爐料中固定炭配比的準確性，其次水分的蒸發也消耗熱量。特別當塌料時，濕料直接進入坩堝區，吸收大量的熱，使耗電量增加。上述因素直接影響爐況的穩定性，造成操作困難，產量下降，單位電耗增加。
（2）濕焦破碎后，其粉末常把篩孔堵塞或使篩孔變小，結果焦末篩不下來，使焦炭中粉末增多。
（3）濕焦炭裝入到閉爐，易使料管堵塞產生懸料，當料崩塌時，會帶入空氣，爐內壓力迅速增高，有可能產生爆炸事故。
干燥焦炭可用轉簡干燥機。轉筒干燥機的直徑為1.5m；長12m，通入轉筒的熱風溫度為200℃，這種干燥機每小時每立方米容積能蒸發水分24kg。
2.2.3破碎與篩分：
由于入護的原料有一定的粒度規格，而使用直接從礦山開采遠來的礦石往往不能滿足這個要求，因此必須先進行破碎篩分達到所規定的粒度才能入爐使用。
目前，破碎鉻礦和硅石的設備大多使用顎式破碎機。礦石在不動顎板和可動顎板之間進行破碎．偏心軸旋轉時，通過連桿與推扳使可動顎板作前后往復運動，達到壓礦排礦的目的。
礦熱護要求焦炭的粒度比礦石小。對冶煉要求小粒度的原料或焦炭可采用對輥破碎機破碎。對輥破碎機由鑄鐵機架和一組互相對滾的水平軸組成，對輥的輥面是乎的，也可以有一條寬為15-20mm，深4-5mm的小槽。對輥為硬面鑄鐵件，其質量好壞影響其使用壽命，質量好的對輥一般使用3個月。對輥破碎機的碎礦比一般為3-4。
2.2.4原料的輸送與稱量：
原料破碎后，再篩分，經過稱量配料，送到爐頂料倉，通過料管加入爐或送至加料平臺。
上料（即原料的輸送）設備與稱量必須簡單可靠，目前采用的上料方式有以下兩種：
一種是用皮帶運輸機將料達到料倉，然后按配料比在配料車（又稱作稱量車）將料配好卸人爐頂料倉。配料車上裝有可開式料斗和稱料用的彈簧秤，配料車掛在電葫蘆上。電葫蘆沿著爐子周圍的單軌運行，配料工借電鈕裝置開動料倉的給料機，依次將爐料按要求配比稱好，送至一定的料倉。
另一種上料方式是用上料小車沿斜橋將爐科送到爐頂平臺。上料小車在原料倉，用杠桿式秤配料，配好的爐料卸入上料小車，然后用卷揚機從斜橋把爐料運到爐頂平臺上，再用小車把料推到爐頂料倉。在用手工加料的小電爐上，配好的爐料直接送到加科平臺上。配料時，稱量的準確度要求達到5kg。
爐料的混合是靠下料和倒運時進行的。所以在稱量時，應當把密度較小的料配在底部，以便下料時達到混合均勻的目的。
2.2.5原料的預處理：
為降低高碳鉻鐵生產設備的造價，各廠都趨向使用大型還原封閉電爐，這些電爐必須使用硬塊鉻鐵礦。由于硬塊鉻鐵礦供應困難，這就迫使各廠使用價廉的碎鉻鐵礦和粉礦，但這類礦必須經過預處理才能人爐。因此鉻礦粉的預處理是鉻鐵生產廠的重要環節：
造球工藝：鉻礦資源中塊礦只占總量的20％，其余80％是粉礦。有相當一部分鉻礦居于易碎礦石，在開采和貯存過程中極易碎裂成細小的顆粒。即使強度高的塊礦在加工過程也產生大量的細粉。粉礦直接入爐不僅會造成大量有用元素隨爐渣和爐氣流失，還會直接威脅電爐的運行安全。此外，生產過程產生的大量粉塵也需要造塊處理。目前球團和造塊工藝已經成為鉻鐵生產工藝流程的重要組成部分，主要球團生產工藝有冷壓塊（又稱冷固結球團）、熱壓塊、蒸汽養生球團、碳酸化球團、燒結球團、預還原球團等。常用造球設備有壓塊機、圓筒造球機、因盤造球機等。
焙燒工藝過程：原料礦石中通常含有大量的高價氧化物、化合水、碳酸鹽和硫化物。焙燒是在適當溫度和氣氛條件下，使礦石發生脫水、分解、氧化、還原過程，改善入爐礦石的物理性質和化學組成。
燒結工藝：燒結是利用礦石出現熔化或礦石與焙劑之間的固—固反應產生液相來潤濕和粘結礦石顆粒，冷卻后形成多孔的具有足夠強度的燒結礦的工藝過程。燒結過程是物質表面能降低的過程。粉礦具有較高的分散度，其比表面積大于相同質量的塊礦。燒結后的礦物表面積減少，體系的自由能ΔG降低。這是—個自發進行的過程。
2.3高碳鉻鐵的冶煉
2.3.1冶煉基本原理
電爐法冶煉高碳鉻鐵的基本原理是在電弧加熱的高溫區用碳還原鉻礦中鉻和鐵的氧化物．稱為電碳熱法。埋弧還原電爐是電爐的一種，在鉻鐵生產中用于對礦石等爐料進行還原熔煉。其持點是正常熔煉過程中電弧始終埋在爐料之中。
按爐口形式分為高煙罩敞口式、矮煙罩敞口式（將高煙罩降低后，短網由煙罩上部引入的一種改進型）、半封閉式和封閉式4種（見下圖3）。前兩種為早期使用的形式，日趨淘汰。目前廣泛采用的是半封閉式和封閉式。
其中半封閉式還原電爐應用最廣，這種電爐（特別是中、小型的）便于觀察和調整爐況，可適應不同原料條件，有利于改煉品種。電爐煙罩多為矮煙罩演變而成的半封閉罩，通常在其側部設置若干個可調節啟閉度的爐門，以便既可在需要加料、搗爐操作時開啟，又可按要求控制進風量，調節爐氣溫度，實現煙氣除塵甚至余熱利用。封閉式還原電爐，亦即帶爐蓋的密閉電爐，爐內產生的煤氣由導管引出，再經凈化處理后可回收利用。為便于操作檢修，并保證安全運行，封閉電爐爐蓋上設置若干個帶蓋的窺視、檢修和防爆孔。這類電爐操作和控制技術要求較高。圖2所示則為全封閉式還原電爐冶煉車間剖面圖，主要由配料站、主廠房及輔助設施等組成。
