铁合金生产工艺课件.ppt

铁合金生产工艺,目录,一. 铁合金的定义二.铁合金的用途三.铁合金的分类四.铁合金的生产方法五.硅铁的定义六.硅铁的用途七.硅铁的冶炼原理及工艺,铁合金的定义,铁合金是由一种或两种以上的金属或非金属元素与铁元素组成的，并作为钢铁和铸造业的脱氧剂、脱硫剂和合金添加剂等的合金。例如硅铁是硅与铁的合金；锰铁是锰与铁的合金；硅钙合金是硅与钙组成的合金。就生产方法与用途而言，铁合金还包括含铁极低的锰、铬、钒及工业硅等合金金属。,铁合金的用途,铁合金是钢铁工业和机械铸造行业必不可少的重要原料之一。其主要用途：一是作为脱氧剂，消除钢液中过量的氧；二是作为合金元素添加剂，改善钢的质量与性能。随着我国钢铁工业持续、快速地发展，钢的品种、质量的不断扩大和提高，对铁合金产品提出了更高要求，铁合金工业日益成为钢铁工业的相关技术和配套工程。,铁合金的用途,（1）用作脱氧剂。炼钢过程是用吹氧或加入氧化剂的方法使铁水进行脱碳及去除磷、硫等有害杂质的过程。这一过程的进行，虽然使生铁炼成钢，但钢液中的O含量增加了。O在钢液中一般以FeO的形式存在。如果不将残留在钢中多余的氧去除，就不能浇铸成合格的钢坯，得不到力学性能良好的钢材。为此，需要添加一些与氧结合力比铁更强，并且其氧化物易于从钢液中排除进入炉渣的元素，把钢液中的O去掉，这个过程叫脱氧。用于脱氧的合金叫脱氧剂。钢水中各种元素对氧的结合强度，即脱氧能力，从弱到强的顺序如下：铬、锰、碳、硅、钒、钛、硼、铝、锆、钙。因而，一般炼钢脱氧常用的是由硅、锰、铝、钙组成的铁合金。,铁合金的用途,（2）用作合金剂。合金钢中因其含有不同的合金元素而具有不同的性能。钢中合金元素的含量是通过加入铁合金的方法来调整的。用于调整钢中合金元素含量的铁合金叫合金剂。常用的合金剂有硅、锰、铬、钼、钒、钨、钛、钴、镍、硼、铌、锆等铁合金。,铁合金的用途,（3）用作铸造晶核孕育剂。改善铸铁和铸钢的性能的措施之一是改变铸件的凝固条件。为了改变凝固条件，通常在浇注前加入某些铁合金作为晶核，形成晶粒中心，使形成的石墨变得细小分散，晶粒细化，从而提高铸件的性能。（4）用作还原剂。硅合金分别用作生产钼铁、钒铁等其他铁合金时的还原剂；硅铬合金、锰硅合金分别用作中低碳锰铁生产的还原剂。,铁合金产品的分类,随着现代科学技术的发展，各个行业对钢材的品种、性能的要求越来越高，从而对铁合金也8提出了更高的要求。铁合金的品种在不断地扩大，铁合金的品种繁多，分类方法也多。一般按下列方法分类：（l）按铁合金中主元素分类，主要有硅、锰、铬、钒、钛、钨、钼等系列铁合金。（2）按铁合金中含碳量分类，有高碳、中碳、低碳、微碳、超微碳等品种。（3）按生产方法分类，有高炉铁合金，电炉铁合金，炉外法（金属热法）铁合金，真空固态还原法铁合金，转炉铁合金，电解法铁合金等。此外，还有氧化物压块与发热铁合金等特殊铁合金。（4）含有两种或两种以上合金元素的多元铁合金，主要品种有硅铝合金、硅钙合金、硅钙铝合金、硅钙钡合金、锰硅铝合金、硅铝钡钙合金。,铁合金产品的分类,硅铁合金,锰铁合金,铬铁合金,钒铁合金,钼铁合金,铁合金生产的主要方法,高炉法利用高炉的高温和还原气氛使合金矿石还原生产铁合金。如高碳锰铁。电热法铁合金生产的主要方法。用碳作还原剂，缺点是很多金属都易与碳形成碳化物，不能生产低碳铁合金。金属热法利用还原反应产生的化学热加热合金与炉渣，使反应自动进行。常用还原剂有铝、硅铁、铝镁合金等，生产极低碳合金。转炉法将高碳合金吹氧脱碳，生产中、低碳合金。,高炉法,高炉法所使用的主体设备为高炉。高炉法是最早采用的铁合金生产方法。目前主要是生产高炉高碳锰铁。高炉锰铁生产主要原料为锰矿、焦炭和熔剂以及助燃的空气或富氧。把原料从炉顶装入炉内，高温空气或富氧经风口鼓入炉内，使焦炭燃烧获得高温及还原气体对矿石进行还原反应，熔化了的炉渣、金属积聚在炉底，通过渣口、出铁口定时出渣、出铁。随着炉料的熔化、反应和排出，再不断加入新炉料，生产是连续进行的。 高炉法生产铁合金，具有劳动生产率高，成本低等优点。但鉴于高炉炉缸温度的局限性。以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铁合金和低品位铁合金，如高碳锰铁、低硅铁、低硅锰、镍铁及富锰渣。,高炉法,高炉法,电炉法,电炉法是生产铁合金的主要方法，其产量约占全部铁合金产量的4/5，所使用的主体设备为电炉。电炉主要分为还原电炉（矿热炉）和精炼炉两种：（l）还原电炉（矿热炉）法。还原电炉法是以碳作还原剂还原矿石生产铁合金的。炉料加入炉内并将电极插埋于炉料中，依靠电弧和电流通过炉料而产生的电阻电弧热，进行理弧还原冶炼操作。熔化的金属和熔渣集聚在炉底并通过出铁口定时出铁出渣，生产过程是连续进行的。用此方法生产的品种主要有硅铁、硅钙合金、工业硅、高碳锰铁、硅锰合金、高碳铬铁、硅铬合金等。（2）精炼炉（电弧炉）法。精炼炉法是用硅（硅质合金）合金产品的，依靠电弧热和硅氧反应热进行冶炼。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、精炼和出铁等五道工序，生产是间歇进行的。主要生产品种有：中、低碳锰铁，中、低、微碳铬铁及钒铁等。,电炉法,矿热炉,1-加料装置；2-气动装置；3-短网；4-水冷系统；5-电极升降装置；6-电极压放装置；7-液压系统；8-电极把持装置；9-炉盖；10-电极；11-炉体,电炉法,电弧炉,炉外法（金属热法）,炉外法是用硅、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的，所使用的主体设备为筒式熔炉。 使用的原料有精矿、还原剂、熔剂、发热剂以及钢屑、铁矿石等。 生产的主要品种有钼铁、钛铁、硼铁、铌铁、钨铁、高钒铁及金属铬等。,炉外法（金属热法）,氧气转炉法,氧气转炉法使用的主体设备为转炉，按其供氧方式，有顶、底、侧吹和顶底复合吹炼法。使用的原料是液态高碳铁合金、纯氧、冷却剂及造渣材料等。将液态高碳铁合金对入转炉，高压氧气经氧枪通入炉内吹炼，依靠氧化反应放出的热量脱碳，生产是间歇进行的。生产的主要品种有中低碳铬铁、中低碳锰铁等。,氧气转炉法,氧气转炉法,硅铁的定义,硅铁就是铁和硅组成的铁合金。 硅铁是以兰炭、钢屑、石英（或硅石）为原料，用电炉冶炼制成的硅铁合金。根据硅含量的不同，我国市场上存在45%、65%、75%和90%多个品级，其中最常用的是75硅铁，含硅量越高，其熔点越高，75#硅铁的熔点为1300。,纯硅呈钢灰色，有金属光泽的晶体物质，质硬而脆，属于非金属。硅的原子量28.08，密度2300kg/m3，熔点1683K；铁具有银白色金属光泽，有良好的延展性、导电、导热性、密度为7.86kg/cm3，熔点1435K。硅与铁能按任意比例互溶，可以生成FeSi2、FeSi、Fe5Si3、Fe2Si等硅化物，其中以FeSi最稳定，熔点为1683K，融化时不分解，能以FeSi新式存在与液态合金中，其余的硅化物当加热时在固态即分解。硅铁是铁和硅组成的铁合金。硅铁的熔点随含硅量增加而升高，标准硅铁的熔点低于1634K。硅与铁的合金容易产生偏析，合金锭上部和下部的含硅量之差达20%以上。合金锭厚度越大，冷却时间越长，则偏析也越严重。因此，通常要求硅铁锭的洗铸厚度不能大于100mm。,硅铁合金的物理性质,硅铁的用途,（1)在炼钢工业中用作脱氧剂和合金剂。为了获得化学成分合格的钢和保证钢的质量，在炼钢的最后阶段必须进行脱氧，硅和氧之间的化学亲和力很大，因而硅铁是炼钢较强的脱氧剂用于沉淀和扩散脱氧。在钢中添加一定数量的硅，能显著的提高钢的强度、硬度和弹性，因而在冶炼结构钢（含硅0.4-1.75)、工具钢(含Si0.3-1.8%)、弹簧钢(含Si0.4-2.8)和变压器用硅钢（含硅2.81-4.8%)时，也把硅铁作为合金剂使用。 此外，在炼钢工业中，利用硅铁粉在高温下烯烧能放出大量热这一特点，常作为钢锭帽发热剂使用以提高钢锭的质量和回收率。 (2)在铸铁工业中用作孕育剂和球化剂。铸铁是现代工业中一种重要的金属材料，它比钢便宜，容易熔化冶炼，具有优良的铸造性能和比钢好得多的抗震能力。特别是球墨铸铁，其机械性能达到或接近钢的机械性能。在铸铁中加入一定量的硅铁能阻止铁中形成碳化物、促进石墨的析出和球化，因而在球墨铸铁生产中，硅铁是一种重要的孕育剂（帮助析出石墨）和球化剂。,硅铁的用途,(3)铁合金生产中用作还原剂。不仅硅与氧之间化学亲和力很大，而且高硅硅铁的含碳量很低。因此高硅硅铁（或硅质合金）是铁合金工业中生产低碳铁合金时比较常用的一种还原剂。 (4)在其他方面的用途。在焊条制造业中可作为焊条的涂料。高硅硅铁在化学工业中可用于制造硅酮等产品。 在这些用途中，炼钢工业、铸造工业和铁合金工业是硅铁的最大用户。它们共消耗约90%以上的硅铁。在各种不同牌号的硅铁中，目前应用最广的是75%硅铁。在炼钢工业中，每生产1t钢大约消耗3-5kg75%硅铁。,硅铁的产业分布,由于硅铁的冶炼是一个高耗能的过程，西方国家近年来在电力资源紧张和硅石资源匮乏的情况下，而且硅铁生产污染大、处于产业链条的底层而产品附加值低，硅铁生产正逐渐转移到中国，目前中国已成为世界硅铁的主要生产地和世界硅铁的主要供应地。 国内主要产区为西北（甘肃、青海、宁夏）、内蒙、西南（四川、贵州），其中宁夏产能为全国第二，占全国总产能的25%左右，仅次于内蒙。,硅铁冶炼原料,冶炼硅铁的主要原料是硅石、碳质还原剂和钢屑。 在硅铁的冶炼过程中，电力消耗成本占总成本的近70%，小型电炉生产1t硅铁耗电约10000kWh，大型电炉生产1t硅铁耗电约8500kWh。另外，1t硅铁需耗1.81.9t硅石、11.1t焦炭以及0.320.33t钢屑。,硅石,硅石中SiO2含量要求大于98%。硅石中杂质含量要低。硅石中杂质主要指AI2O3、MgO、CaO、P2O5、这些杂质都是成渣物质，不利于硅铁生产的顺行。因此，为确保产品质量和生产顺行，要求硅石中AI2O3含量必须小于0.5%，MgO和CaO含量之和小于1%。硅石表面不得有泥土等杂志，入炉前尽量经过水洗。硅石要有良好的抗爆性能。硅石在升温过程中，因晶体型转变大及失水，可能出现碎裂，将严重恶化料面的透气性 。硅石入炉时要有一定的粒度。硅石粒度过小，会含有较多杂质，也会严重影响面料的透气性；硅石粒度过大，易造成炉料分层，延缓炉料的溶化和还原反应速度。一般要求12500kv.A矿热炉中入炉硅石粒度为80-120mm。,兰炭,兰炭利用陕西榆林神府煤田盛产的优质侏罗精煤块烧制而成的，作为一种新型的炭素材料，以其固定炭高、比电阻高、化学活性高、含灰份低、铝低、硫低、磷低的特性，已 逐步取代冶金焦而广泛运用于电石、铁合金、硅铁、碳化硅等产品的生产，成为一种不可替代的炭素材料。 兰炭可代替焦炭（冶金焦）而广泛用于化工、冶炼、造气等行业。质量标准：固定碳82%,挥发分4%，灰分6%，硫0.3%，水分10%,粒度：15-25mm，最大不超过30mm。,钢屑,（1）化学成份含铁量不低于97（2）应是普通碳素钢销，不得混有合金钢屑，有色金属屑和生铁屑等（3）生锈严重的钢屑不得使用（4）钢销的卷曲长度不大于100mm（5）要纯净，不得混有泥土等杂质,硅铁冶炼方法,硅铁是在开口式或半封闭式（即矮烟罩）的还原炉内采用连续作业法进行冶炼的。 硅石、兰炭、铁屑经过精整筛选后，按照一定的配比进入计量仓，通过皮带机振动筛进入混合料仓，硅石、兰炭、铁屑均按照工艺配比，不断投入到硅铁炉内凭借电弧热和电阻热在1800-2200的高温反应下生成硅铁。形成的硅铁液体经过3小时左右，将出铁口烧开流入台包内，再选择进行二次浇铸、精装、包装。 在冶炼过程中，从炉顶或炉旁加入原材料，三根电极插在炉料中，要求深而稳，实现埋弧操作，依靠电弧和电流通过炉与炉料产生的电阻进行加热；混匀的炉料随料面的下沉而小批量的加入炉内，从炉下方的通过出铁和出渣口定时出铁放渣。,硅铁冶炼原理,碳与二氧化硅的反应式为：SiO2 + 2C = Si + 2CO 当有铁存在时，铁与还原出的硅反应，生产硅铁：Si + Fe = FeSi冶炼时的总反应式为：SiO2 + 2C + nFe = FenSi + 2CO,布袋除尘料仓,加密,硅微粉,发往用户,产品检验,入库,铁质材料,兰炭,硅石,出铁,矿热炉熔炼,预除尘和风机,加工包装,原料工段,硅铁的冶炼原料包括硅石、兰炭、铁屑，原料工段主要是将上述原料进行精整筛选进入配料系统的过程。硅石经水洗精整、筛选后进入硅石料仓，计量后进入计量仓，随后在仓底使用振动筛筛选，通过皮带机进入混合料仓，筛下的粉末进入粉末仓；兰炭过筛后进入兰炭料仓，计量后进入计量仓，随后在仓底使用振动筛筛选，通过皮带机进入混合料仓，筛下的粉末进入粉末仓；钢屑精整后选送至钢屑料仓，先通过计量进入计量仓，然后振动过筛，进入皮带机。硅石、兰炭、钢屑均按照工艺配置的合格料比，后经过料斗及皮带机上料至炉顶混合料仓，不断投加到电极四周，补充到硅铁炉内。电极糊破碎后装入电极糊下料筒加入到电极筒内，在硅铁中焙烧成电极参与冶炼。原料工段主要耗能为电力。,熔炼工段,熔炼工段主要包括硅铁的冶炼、出炉、浇铸过程。硅铁炉冶炼热源由35KV高压电源经电炉变压器变压，由短网、铜瓦传递给电极做功，形成1800-2200的高温，将硅石、兰炭、钢屑冶炼熔化，根据炉况定时出炉，出炉完毕后将铁水浇注在锭模上进行冷却。硅铁冶炼中的烟气采用布袋除尘后，将烟气中的二氧化硅进行加密回收，最后袋装外运。熔炼工段主要耗能为电力和兰炭。,成品包装工段,成品包装工段主要包括硅铁成品的破碎、包装、检测、入库等过程。出炉后浇铸后的硅铁运至冷破车间进行冷却、破碎，再根据客户的要求进行包装、计量，或者进行二次浇铸精炼，成品检测后进入仓库。成品包装工段主要耗能为电力。,工艺能源消耗情况,硅铁生产整个工艺过程消耗的能源主要是电力和兰炭。其中电力用于整个工艺流程中原料的处理、硅铁的冶炼以及包装中，主要供硅铁冶炼系统以及除尘和空气压缩站的主要生产系统使用。兰炭作为碳质还原剂，供硅铁冶炼系统使用。,主要设备,矿热炉,余热锅炉,主要设备,旋风除尘器,布袋除尘器,硅铁生产技术的发展趋势,(1)矿热炉大型化：世界上最大硅铁冶炼矿热炉已达105MVA，为半封闭型，目前国际上生产硅铁的标准炉型均在30000KVA或以上。(2)炉体旋转矿热炉：由挪威埃肯公司建成，这种电炉可使炉灶松动并便于移向炉心；防止料面结壳；克服炉气逸出不均匀和刺火等不正常炉矿。这种电炉为封闭电炉，自1979年发明以来，迄今仅有三台在运行，规模较小(8500kW9000kW)，并未大面积推广。(3)生产过程实现计算机控制：采用计算机管理和控制可以降耗510%；提高配料准确度，增大平均负荷，提高电炉作业率和生产率；电炉运行平稳，产品质量提高。(4)用直流电代替交流电冶炼：可提高电炉容量，降低电损耗。,硅铁冶炼时电炉产生的废气,硅铁炉产生的烟气中主要包括N2、H2、CO、O2、SO2以及粉尘等，主要来源于：（1）电炉熔池在高温下，还原剂碳与氧发生反应生成的CO和CO2；（2）熔池内碱性金属炉料在高温下气化、熔融金属被氧化或直接蒸发进入废气（随后冷却变成固态粒子）；（3）未被完全燃烧的焦炭末、矿粉等被气化和蒸发的金属或热气带出熔池进入废气；（4）在烟囱抽力的作用下，从烟罩敞口处进入的空气。,硅铁冶炼时电炉产生的废气回收,余热回收,在硅铁整个工艺的总热量支出中，烟气带走的显热占20%左右，冷却水带走的热量占了1%左右，炉口损失热占1020%，另外硅铁产品浇铸成型后温度大约为1000 ，因此烟气和硅铁产品余热回收利用潜力最大，而冷却水主要用于厂内供热。,节能措施,(1)利用硅铁产品的余热进行进行发电，从而达到提高能效的目的；(2)利用烟气的余热进行发电，烟气温度在900左右，有较大的利用价值，用于发电以达到提高能效的目的;(3)节能可采用电-煤双热源技术，采用这一技术可节电10%(所谓“电-煤双热源”是指在冶炼时，通过空心电极向冶炼炉内喷射煤粉，煤粉燃烧供热)；采取精料入炉；对设备进行节能改造(对炉体、炉衬、烟罩等进行改造，以增加电炉的保温性能和作业率，降低能耗) 。,谢谢！,