第11讲铁合金Word文件下载.docx
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铬铁用于生产铬化物和镀铬阳极材料等。
11.1.3铁合金的生产方法
铁合金的生产方法很多，可按以下几个方面进行分类：
A按生产设备分类
按生产设备分类主要有：
（1）高炉法。
高炉法生产铁合金与高炉炼铁的工艺基本相同，目前主要是生产碳素锰铁。
高炉碳素锰铁生产的主要原料为锰矿、焦炭和熔剂以及助燃的空气或富氧，焦炭不但是还原剂，也是燃料。
原料从炉顶装入炉内，高温空气或富氧气体经风口鼓入炉内，焦炭在风口处燃烧，获得高温及还原性气体，对矿石进行还原反应，生成的炉渣、金属积聚在炉底，通过渣口、铁口定时排除，随着炉料的熔化下降，不断加入新料，生产是连续进行的。
高炉法生产铁合金，生产率高，成本低。
但由于高炉炉内温度低，及高炉冶炼条件下金属被碳充分饱和，因此高炉法一般只用于生产易还原元素的铁合金和低品位的铁合金，如碳素锰铁、低硅铁、低锰铁、富锰渣等。
（2）电炉法。
电炉法是生产铁合金的主要方法。
电炉法主要分为还原电炉（矿热炉）法和精炼炉（电弧炉）法两种。
还原电炉法是用碳作为还原剂，还原矿石生产铁合金。
将混合好的炉料加入炉内，并将电极埋在炉料中，依靠电弧和电流通过炉料而产生的电阻热加热，熔化的金属和炉渣集聚在炉底，通过出铁口定时出铁和出渣，生产过程是连续进行的。
精炼炉法是用硅（硅质合金）作为还原剂，生产含碳量低的铁合金。
依靠电弧热和硅氧化反应热进行冶炼，炉料从炉顶或炉门加入炉内，整个冶炼过程分为引弧、加料、熔化、精炼、出铁等，生产过程为间歇进行。
（3）炉外法（金属热法）。
用硅、铝或铝镁合金作还原剂，依靠还原反应产生的化学热来进行冶炼，在筒式炉中进行。
使用的原料有精矿、还原剂、熔剂、发热剂以及钢屑、铁矿石等，冶炼前将炉料破碎干燥，按一定比例配料混匀后装入筒式炉内，用引火剂引火，依靠反应热完成冶炼。
（4）氧气转炉法。
氧气转炉法使用的主体设备是转炉，其供氧方式有顶吹、底吹、顶底复合吹炼等。
目前主要生产中、低碳铬铁和中碳锰铁，使用的原料为液态高碳铁合金、纯氧、冷却剂及造渣剂等。
将液态高碳铁合金兑入转炉，高压氧气经氧枪通入转炉内进行吹炼，依靠氧化反应放出的热量脱碳，生产是间歇进行的。
（5）真空电阻炉法。
生产含氮合金、含碳量极低的微碳铬铁等产品时采用真空电阻炉法，其主体设备为真空电阻炉。
冶炼时将压制成形的块料装入炉内，依靠电流通过电极时的电阻热加热，同时抽气，脱碳反应在真空固态条件下进行，生产是间歇进行的。
B按热量来源分类
根据热量来源不同分为碳热法、电热法、电硅热法和金属热法。
（1）碳热法。
碳热法其冶炼过程的热量来源主要是焦炭的燃烧热，用焦炭作还原剂还原矿石中的氧化物，生产在高炉中进行。
（2）电热法。
电热法其冶炼过程的热量来源主要是电能，使用碳质还原剂还原矿石中的氧化物，采用连续式的操作工艺，在还原电炉中进行。
（3）电硅热法。
电硅热法其冶炼过程的热量来源主要是电能，其余为硅氧化放出的热量，使用硅（如硅铁或中间产品硅锰合金、硅铬合金）作还原剂还原矿石中的氧化物，生产是在精炼电炉中进行的间歇式作业。
（4）金属热法。
金属热法其热量来源主要是由硅、铝等金属还原剂还原精矿中氧化物时放出的热量，生产采用间歇式，在筒式熔炼炉中进行。
C按操作方法和工艺分类
根据生产工艺特点不同分为熔剂法和无熔剂法、连续式和间歇式、无渣法和有渣法等冶炼方法。
（1）熔剂法。
熔剂法生产铁合金是采用碳质材料、硅或其它金属作还原剂，生产时加造渣材料调节炉渣成分和性质（炉渣的酸、碱性）。
（2）无熔剂法。
无熔剂法生产铁合金一般多用碳质材料作还原剂，生产时不加造渣材料调节炉渣成分和性质。
（3）连续式冶炼法。
连续式冶炼法一方面根据炉口料面下降情况，不断地向炉内加料，另一方面将炉内熔池积聚的合金和炉渣定期排除。
采用埋弧还原冶炼，操作功率几乎是均衡稳定的。
（4）间歇式冶炼法。
间歇式冶炼法是将炉料集中或分批加入炉内，冶炼过程一般分为熔化和精炼两个时期，熔化期电极埋在炉料中，精炼完毕，排除合金和炉渣，再装入新科，进行下一炉冶炼。
由于冶炼各个时段的工艺特点不同，操作功率也不同。
（5）无渣法。
无渣法冶炼铁合金采用碳质还原剂、硅石或再制合金为原料，在还原电炉中连续冶炼。
（6）有渣法。
有渣法冶炼铁合金是在还原电炉或精炼电炉中，选用合理的造渣制度生产铁合金，其渣铁比受冶炼品种和采用的原料条件等因素的影响。
11.1.4我国铁合金的主要标准
钢铁工业是国民经济的基础工业，它对国民经济其它行业的发展起着十分重要的作用。
从改革开放以来，我国钢铁工业的迅速发展大大促进了钢铁工业的标准化工作，一系列的冶金标准已经逐步完善，同时制订了有关铁合金的相关标准。
为了大家在工作中参考之用，现将一些主要的铁合金标准的代号和名称说明如下。
A相关基础标准
GB/T3650铁合金验收、包装、储运、标志和质量证明书的一般规定
GB/T4010铁合金化学分析用试样的采取和制备
GB/T7738铁合金产品牌号表示方法
GB/T13247铁合金产品粒度的取样和检测方法
GB/T14984铁合金术语
GB/T18249检查铁合金取样和制样偏差的试验方法
B各种铁合金的标准及其适用范围
GB/T2272硅铁——本标准适用于炼钢和铸造作脱氧剂或合金元素加入剂用的硅铁。
GB/T2774金属锰——本标准适用于电硅热法生产的金属锰，供冶炼高级合金钢和非铁基合金，作锰元素添加剂或脱氧剂。
GB/T3211金属铬——本标准适用于炼制高温合金、电阻合金、精密合金作铬元素添加剂用的金属铬。
GB/T3282钛铁——本标准适用于含钛矿物经还原法制得的供炼钢、铸造添加剂或电焊条涂料用的钛铁。
GB/T3648钨铁——本标准适用于炼钢和铸造中作为钨元素加入剂用的钨铁。
GB/T3649钼铁——本标准适用于炼钢中作为钼元素加入剂用的钼铁。
GB/T3795锰铁——本标准适用于炼钢、铸造作脱氧剂、脱硫剂和合金元素加入剂由电炉、高炉生产的锰铁。
GB/T4008锰硅合金——本标准适用于炼钢及铸造作合金剂、复合脱氧剂和脱硫剂，冶炼中低碳锰铁作还原剂用的锰硅合金。
GB/T4009硅铬合金——本标准适用于炼钢及铸造作还原剂和合金剂、精冶铬铁时作还原剂用的硅铬合金
GB/T4137稀土硅铁合金——本标准适用于炼钢及铸造作添加剂或配制稀土中间合金的稀土硅铁合金。
GB/T4138稀土镁硅合金——本标准适用于生产球墨铸铁用的稀土镁硅铁合金。
GB/T4139钒铁——本标准适用于炼钢或合金材料中作为钒元素加入剂用的钒铁。
GB/T5682硼铁——本标准适用于炼钢、铸造和供非晶、超微晶母合金、钕铁硼合金及其它用途作硼元素加入剂用的硼铁。
GB/T5683铬铁——本标准适用于炼钢中作为铬元素加入剂用的铬铁。
GB/T5684真空法微碳铬铁——本标准适用于炼钢中作为合金元素加入剂用的真空法微碳铬铁。
GB/T7737铌铁——本标准适用于以五氧化二铌及铌铁精矿为原料生产的供炼钢、铸造作添加剂和电焊条合金剂用的铌铁。
GB/T15710硅钡合金——本标准适用于炼钢、铸造作为脱氧剂、脱硫剂和铸造孕育剂的硅钡合金。
YB/T051电解金属锰——本标准适用于冶炼特殊钢及有色合金作为锰元素添加剂等用的电解金属锰。
YB/T065硅铝合金——本标准适用于炼钢作为脱氧剂、发热剂用的硅铝合金。
YB/T066硅钡铝合金——本标准适用于炼钢作脱氧剂、脱硫剂的硅钡铝合金。
YB/T067硅钙钡铝合金——本标准适用于炼钢作脱氧剂、脱硫剂的硅钙钡铝合金。
YB/T5051硅钙合金——本标准适用于炼钢作复合脱氧剂、合金元素添加剂和铸铁生产中作孕育剂的硅钙合金。
YB/T5036磷铁——本标准适用于炼钢及铸造中合金元素添入剂的磷铁。
YB/T5129氧化钼块——本标准适用于炼钢和铸铁作为元素添加剂的氧化钼块。
YB/T5140氮化铬铁——本标准适用于炼钢中作为氮（铬）加入剂的氮化铬铁。
3YB/T5216铌锰铁合金——本标准适用于以含铌中贫铁矿及含铌平炉钢渣为原料，经热碳法冶炼可供炼钢和铸铁作添加剂的铌锰铁合金。
C铁合金牌号的表示方法（GB7738）
各类铁合金产品牌号表示方法按下列格式编写：
×
×
表示主要杂质元素及其最高百分含量或组别
表示主元素（或化合物）及百分含量
表示含铁元素的铁合金产品，以化学符号“Fe”表示
表示铁合金产品工艺和产品特性（以汉语拼音字母表示）
11.1.5铁含金生产技术的发展趋势
随着钢铁工业的发展和科学技术的进步，铁合金生产品种、冶炼工艺、技术装备、节能降耗、环境保护、资源综合利用等方面都有一定的发展和进步。
铁合金生产技术的发展有以下几个方面：
（1）产品结构发生变化，品种面向多元化。
合理利用资源，增加产品品种，充分利用合金元素，产品向复合或多元化方向发展，是铁合金生产的发展的的重要趋势。
（2）采用精料技术。
精料技术是铁合金生产增产降耗的重要环节。
如采用优质组合的碳质还原剂，搭配气煤焦和烟煤，代替一部分冶金焦；
采用烧结矿、球团矿、铁精矿球团、铁鳞球团等，改善入炉矿石的制备技术和入炉条件，从而提高生产效率。
（3）采用高效率的大型还原电炉，提高技术装备水平。
包括还原电炉的大型化、连续作业；
根据冶炼品种，采用全封闭式电炉或将敞口炉改造为全封闭式电炉，新建或改建半封闭式电炉；
采用新型结构的电极把持器、车式加料拨料捣炉机、开堵铁口机等。
（4）采用先进的生产工艺。
采用连续法冶炼硅钙合金、一步法冶炼硅铬合金、热兑法（波伦法）生产中低碳锰铁及微碳铬铁等生产工艺，缩短工艺流程，降低能耗，提高生产效率，进而降低生产消耗和成本。
（5）应用电子计算机控制电炉冶炼过程。
用计算机控制电炉生产全过程，如配料、上料及加料、电极压放、电炉功率调节、冷却水及烟气净化系统的控制等，可提高电炉工作负荷和作业率，避免操作失误引起的炉况波动和设备事故。
（6）采用新技术。
铁合金生产新技术包括铁合金直流还原电炉技术（含中空电极技术）、铁合金熔融还原技术、等离子炉冶炼新技术、铁合金产品的深加工及芯线技术等。
11.2硅系合金
11.2.1硅铁的牌号及用途
我国电炉冶炼硅铁的主要品种有硅45、硅65、硅75、硅90，其牌号及成分见表11-1。
表11-1硅铁牌号及化学成分（GB/T272）
牌号
化学成分/%
Si
Al
Ca
Mn
Cr
P
S
C
范围
≤
FeSi90A11.5
87.0～95.0
1.5
0.4
0.2
0.04
0.02
FeSi90A13
87.5～95.0
3.0
FeSi75Al0.5-A
74.0～80.0
0.5
1.0
0.3
0.035
0.01
FeSi75A10.5-B
72.0～80.0
FeSi75Al1.0-A
FeSi75A11.0-B
FeSi75Al1.5-A
FeSi75A11.5-B
FeSi75Al2.0-A
2.0
FeSi75A12.0-B
FeSi75A12.0-C
FeSi75-A
FeSi75-B
FeSi75-C
2FeSi65
65.0～72.0
0.6
FeSi45
40.0～47.0
0.7
硅铁主要用作炼钢的脱氧剂和合金添加剂。
钢铁工业消耗的硅铁约占硅铁总产量的90%以上，折换成含硅75%的硅铁，每吨钢消耗硅铁3～5kg。
在钢中添加一定量的硅，能显著提高钢的强度、硬度和弹性。
在铸铁中硅能阻止碳化物形成，促进石墨的析出和球化，是一种常用的孕育剂。
硅铁还是金属热（硅热）法生产铁合金重要的还原剂。
11.2.2硅及其化合物的物理化学性质
纯硅呈钢灰色，有金属光泽，性硬且脆，属于非金属。
硅是自然界分布较广的元素，就其含量而言，在地壳中占第二位，仅次于氧。
硅的主要物理化学性质如下：
原子量28.08；
密度230Okg/m3；
熔点1683K；
沸点2953K；
熔化热46.5kJ/mo1；
蒸发热465kJ/mo1；
升华热170.0kJ/mo1。
硅在常温下很不活泼，但在高温下易与氧、硫、氮、碳及许多金属生成化合物。
硅与氧生成SiO2及SiO两种氧化物，生成Si02时放出大量的热（Si＋O2=SiO2＋878.39kJ）。
二氧化硅是一种很稳定的化合物，自然界中的硅都是以这种状态存在。
二氧化硅的熔点1983K，沸点2500K。
二氧化硅有几种晶体变态，各种晶体变态的特性见表2，不同晶型的二氧化硅在转化过程中，不仅晶型发生变化，而且晶体体积也发生变化，特别是从β石英转化成鳞石英，体积发生明显的膨胀，这就是硅石在冶炼过程中发生爆裂的主要原因。
硅和氧生成易挥发的一氧化硅（2Si（l）＋O2（g）=2SiO（g），SiO沸点1890K），气态的一氧化硅只有在温度高于1773K时才能稳定存在，在温度低于1773K时，分解成硅和二氧化硅（2SiO=Si＋SiO2）。
表11-2二氧化硅各种晶体变态的特性
变态
晶格形状
密度/kg·
m-3
稳定范围/K
备注
α-石英
β-石英
α-鳞石英
β-鳞石英
γ-鳞石英
α-白硅石
β-白硅石
二氧化硅玻璃
三角形
六角形
菱形
六角形
六角形
四角形
正方形
无定形
2650
2530
2270
2240
2230
2330
2220
2220
＜846
846～1143
＜390
390～436
389～1743
443～453
＞453
1983
自然界广泛存在
常温时不存在，转变时体积增加2.4%
大于390K时转变成α-鳞石英
常温下不存在
在1143～1743K稳定
在自然界中非常少
在常温下不存在
在更低的温度下以过冷的状态存在
一氧化硅的特点是挥发性很大，当温度为2163K时，其蒸气压力达1OlkPa（latm），这就是冶炼硅铁时造成硅气化损失的主要原因。
硅与碳可生成碳化硅（SiC），碳化硅的密度为320Okg/m3，其分解温度为2880K。
碳化硅的主要特点是稳定、难分解、高温下比电阻小、不溶于合金，当有铁存在时，SiC的稳定性下降。
硅与铁能按任意比例互溶，如图11-1所示。
硅与铁能生成FeSi2、FeSi、Fa5Si3、Fe2Si等硅化物，其中以FeSi最稳定，熔点为1683K，熔化时不分解，能以FeSi形式存在于液态合金中，其余的硅化物当加热时在固态即分解。
FeSi含Si＞33.3%，含Fe66.7%，因此含Si＞33.3%的硅铁合金中，铁都组成FeSi，此外还有自由硅原子。
在Fe-Si系合金中有三个共晶体：
含硅20%的共晶体熔点为1463K；
含硅51%的共晶体熔点为1485K；
含硅59%的共晶体熔点为1481K。
硅铁的熔点随含硅量增加而升高，标准硅铁的熔点低于1643K，含硅图11-1铁-硅状态图
74%～80%的硅铁熔点在1593～1643K之间。
硅铁的密度随着硅含量的增加而减小，其关系见表11-3。
通常利用测定合金密度的方法来迅速确定合金中的含硅量。
表11-3硅铁含硅量与密度的关系
含硅量/%
20
40
65
75
90
密度/kg·
m-3
6400
5610
4000
3270
2650
硅与铁的合金容易产生偏析，合金锭上部的硅含量和下部的硅含量之差达20%以上。
合金锭的厚度越大，冷却凝固时间越长，则偏析也越严重。
因此冶炼75%硅铁浇注时，锭厚度不能大于100mm。
硅铁产品有时会粉化，这是由于含有ξ相（在含Si53.5%～56.65%之间形成，在1493K时凝固）和磷、铝、钙、砷等杂质的硅铁在潮湿的大气中存放造成的粉化，并放出有毒气体PH3、AsH3。
因此在实际生产中，为了预防硅铁粉化，图11-2硅铁中铝、磷含量对其粉化的影响
不生产成分接近ξ相的合金，并努力降低合金中铝、磷、钙、砷的含量，浇注时要加速冷却，快速凝固，减少合金锭的厚度。
硅铁中铝、磷含量对其粉化的影响见图11-2。
硅与氢生成Si2H2、Si2H6和SiH4。
SiH4在常温下稳定，在673K以下发生分解：
SiH4=Si＋2H2。
在冶炼硅铁的过程中，硅吸收原料中水气分解产生的氢，75%硅铁含氢约为0.025%，45%硅铁含氢约0.0007%。
硅和硫生成SiS和SiS2，这些化合物在高温下有一定的挥发性，因此在冶炼过程中有一部分随炉气逸出。
11.2.3硅钙合金
11.2.3.1硅钙含金的牌号及用途
硅钙合金的牌号及化学成分见表11-4。
表11-4硅钙本金牌号及化学成分（YB/T5051）
牌号
化学成分/%
≥
Ca31Si60
31
55～65
2.4
0.05
Ca28Si60
28
Ca24Si60
24
2.5
Ca20Si60
50～60
Ca16Si60
16
硅钙合金主要用于炼钢和铸铁生产。
硅钙合金是一种很好的复合脱氧剂，硅和钙与氧的亲和力都很大，生成的氧化物能结合成低熔点的复杂化合物，其颗粒大，易上浮入渣，并形成球状。
硅钙合金中的钙与硫可形成稳定的化合物CaS，而且CaS不溶于钢水，因此硅钙合金脱氧时还有脱硫的作用。
由于用硅钙合金脱氧的钢液比较纯净，在冶炼优质钢和特种合金钢时，常用硅钙合金作脱氧剂。
目前硅钙合金可以代替铝进行终脱氧。
在铸铁生产中，硅钙合金比硅铁更能有效地改善铸铁的性能。
硅钙合金不仅是一个有效的孕育剂，促进球状石墨的形成，而且还能起到脱氧、脱硫、脱氮和增硅的效果。
11.2.3.1钙及其化合物的物理化学性质
钙在地壳中的含量为3.6%。
纯钙是银白色的金属，有塑性。
钙的主要物理化学性质：
原子量：
40.08；
密度：
1540kg/m3；
熔点：
1123K；
沸点：
1753K；
电阻率（273K）4.0×
l0-6Ω·
cm。
钙与碳生成稳定的碳化物CaC2，其熔点为2573K，密度222Okg/cm3。
熔渣中碳化钙含量越
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