铬铁_炼钢的重要合金添加剂

铬铁

炼钢的重要合金添加剂

铬铁，是铬和铁组成的铁合金。是炼钢的重要合金添加剂。铬铁按不同含碳量分为高碳铬铁（含碳为4~8%）、中碳铬铁（含碳为0.5~4%）、低碳铬铁（含碳0.15~0.50%）、微碳铬铁（含碳为0.06%）、超微碳铬铁（含碳小于0.03%），还有硅铬合金、氮化铬铁等。

定义

以铬和铁为主要成分的铁合金。是钢铁工业用的主要合金剂之一，除了主成分铬与铁外还含有碳、硅、硫、磷等杂质。铬铁含铬55%～75%，按含碳量分为高碳(4%～10%C)、中碳(0.5%～4%C)、低碳(>0.15%～0.5%C)和微碳(≤0.15%C)铬铁。高碳铬铁又称碳素铬铁，中、低、微碳铬铁又称精炼铬铁。一种用低铬铁比的铬矿生产的高碳铬铁，含Cr 50%～55%称为炉料级铬铁，还有含N2%～10%的含氮铬铁作为氮合金剂使用，又称氮化铬铁。

分类

铬铁按不同含碳量分为高碳铬铁包括装料级铬铁(C≦10%)、中碳铬铁（C≦4.0%）、低碳铬铁（C≦0.5%）、微碳铬铁（C≦0.15%）等。常用的还有硅铬合金、氮化铬铁等。铬铁主要用作炼钢的合金添加剂，过去都在炼钢的精炼后期加入。冶炼不锈钢等低碳钢种，必须使用低、微碳铬铁，因而精炼铬铁生产一度得到较大规模的发展。由于炼钢工艺的改进，用AOD法（见炉外精炼）等生产不锈钢等钢种时，用碳素铬铁（主要是装料级铬铁）装炉，因而只需在后期加低、微碳铬铁调整成分，所以铬铁生产重点是炼制碳素铬铁。

简史

1821年贝尔蒂尔(P.Berthier)在坩埚内加热木炭、氧化铬与氧化铁的混合物生产铬铁。这种方法一直使用到1857年弗雷迈(E.C.Fremy)用塔斯马尼亚(Tasmania)铁铬矿，在高炉内冶炼，得到含7%～8% Cr的塔斯马尼亚生铁。1870～1880年间，高炉生产的铬铁含30%～40%Cr，10%～20%C。穆瓦桑(H.Moissan)对电炉冶炼铁合金做了许多工作，并于1893年发表了在电炉内还原铬矿生产含67%～71%Cr，4%～6%C高碳铬铁的报道。用电炉取代高炉冶炼高碳铬铁是一个重大进步。1886年奥德斯杰纳(E.G.Odelstjerna)描述了瑞典用电炉生产含70%Cr高碳铬铁的情况。

贝克特(F.M.Becket)及其合作者从1906年至1940年间，开展硅还原铬矿生产低碳铬铁的工艺。在500kW单相双电极电炉(炉产量400kg)至12000kW三相电炉(炉产量10t)内试验和生产，以满足生产不锈钢的需要。1920年左右瑞典特乐尔赫坦铁合金厂制订了三步法生产低碳铬铁工艺。即电硅热法，亦称瑞典法。1939年波伦(R.Perrin)获得了用液态硅铬铁合金与铬矿—石灰熔体反应，生产低碳铬铁专利。通称波伦法，也称热兑法。这一方法经过不断改进，已成为生产低碳铬铁的主要方法。1949年埃拉斯姆斯(H.Erasmus)取得了真空固态脱碳法生产C 0.01%的低碳铬铁的专利。在美国联合碳化物公司马里塔(Ma-rietta)厂生产名为辛普雷克斯低碳(低硫)铬铁(Sim-plex Ferrochrome)。

碳素铬铁

用还原电炉冶炼，采用焦炭作还原剂，硅石或铝土矿作熔剂。炉渣成分一般为SiO227～33%，MgO30～34%， Al2O326～30%，Cr2O3<9.0%。由于形成碳化铬，产品含碳4～9%。现代冶炼铬铁的还原电炉容量为10000～48000千伏安，一般采用封闭固定式，冶炼电耗3000～4000千瓦·时/吨。冶炼硅铬合金的电炉与铬铁还原电炉相似，冶炼方法有一步法和二步法两种。一步法用铬铁矿、硅石、焦炭配加熔剂冶炼。二步法采用碳素铬铁、硅石、焦炭作原料进行无渣法冶炼，冶炼过程大体与硅铁生产相仿。冶炼电耗每吨3000～4000千瓦·时左右。

用途

铬加入钢中能显著改善钢的抗氧化性，增加钢的抗腐蚀能力。在许多具有特殊物理化学性能的钢中都含有铬。钢中的铬是用铬铁添加的。高碳铬铁用作滚珠钢(0.5%～1.45%Cr)、工具钢、模具钢(5%～12%Cr)和高速钢(3.8%～4.4%Cr)的合金剂，可提高钢的淬透性，增加钢的耐磨性和硬度。铸铁中加入铬可提高硬度，改善耐磨性，含铬0.5%～1.0%便可改善其机械性能。高碳铬铁和炉料级铬铁大量用作冶炼不锈钢(AOD或VOD法)的炉料，降低生产成本。中、低碳铬铁用于生产中、低碳结构钢、渗碳钢，制造齿轮、高压鼓风机叶片、阀板等。微碳铬铁用于生产不锈钢、耐酸钢、耐热钢和电热合金等。

铬资源

铬在地壳中的丰度为0.035%，但生成的铬矿石含铬高。地球上近南北向褶皱带中的铬铁矿资源量，占世界总量的95%以上，其中纵贯非洲东部的前寒武纪褶皱带的铬资源量，占世界总量的94%。乌拉尔华力西褶皱带占2%左右，阿尔卑斯褶皱带约占世界总量的2%。中国铬矿成矿地质条件不理想，尚未在寒武纪地质区中发现南北向铬铁矿带。西藏—云南的铬铁矿床属阿尔卑斯期褶皱带;新疆—甘肃、青海—内蒙古的铬铁矿床在海西期近东西向的褶皱带中;它们都不具备生成特大矿床的条件。具有工业价值的主要含铬矿物是铬尖晶石，常被误称为铬铁矿。最有用的铬尖晶石矿物有3种：镁铬铁矿(Mg，Fe)Cr2O4、硬铬尖晶石(Mg，Fe)(Cr，Al)2O4和铝铬铁矿Fe(Cr，Al)2O4。

铬矿最大的使用者为铁合金工业，约占铬矿石总产量的80%左右。在铬矿市场上称冶金级铬矿。优质冶金级铬矿要求Cr2O3>48%，S<0.1%，P<0.1%，Cr2O3：FeO>3，用以生产含Cr>70%的铬铁。由于富铬矿日益减少，铬铁比低的矿石相对增多。它们只能用来冶炼炉料级铬铁。

提炼方法

中、低、微碳铬铁一般以硅铬合金、铬铁矿和石灰为原料，用1500～6000千伏安电炉精炼脱硅，采用高碱度炉渣操作(CaO/SiO2为1.6～1.8)。低、微碳铬铁还大规模地采用热兑法进行生产。生产时用两台电炉，一炉冶炼硅铬合金，一炉熔化由铬矿和石灰组成的熔渣。精炼反应分两个阶段在两个盛桶内进行：①熔渣炉的熔渣注入第一盛桶后，把另一盛桶中已经初步脱硅的硅铬合金兑入，由于熔渣氧化剂过剩量很大，脱硅充分，可获得含硅低于0.8%、含碳低达 0.02%的微碳铬铁。②第一盛桶内反应后的熔渣(含Cr2O3约15%)移至第二个盛桶后，把硅铬电炉炼就的硅铬合金（含硅45%）热兑入渣内，反应后得到初步脱硅的硅铬合金(含硅约25%)，兑入第一盛桶进一步脱硅，熔渣含Cr2O3低于2～3%可抛弃。

吹氧法精炼中、低碳铬铁，用液态碳素铬铁做原料，吹炼时向熔池中加入少量石灰、萤石造渣，出铁前加硅铬合金或硅铁以回收渣中的铬。微碳铬铁的吹炼则在一定真空度下才有可能。

真空固态脱碳法精炼，用磨细的高碳铬铁为原料，其中磨细的高碳铬铁的一部分经氧化焙烧作氧化剂，配加水玻璃或其他粘合剂，压成团块，经低温干燥后，在车底式真空炉内，于真空度0.5～10毫米汞柱、温度1300～1400℃下加热还原35～50小时，可得到含碳低于0.03%甚至低于0.01%的微碳铬铁。

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铬

铬是有光泽的灰色金属，密度7.2，熔点1857℃，沸点2672℃，有延展性，但含氧、氢、碳和氮等杂质时变得硬而脆。铬的化学性质不活泼，常温下对氧和水汽都是稳定的，铬在高于600℃时开始和氧发生反应，但当表面天生氧化膜以后，反应便缓慢，当加热到1200℃时，氧化膜被破坏，反应重新变快。高温下，铬与氮、碳、硫发生反应。铬在常温下就能和氟作用。铬能溶于盐酸、硫酸和高氯酸，遇硝酸后钝化，不再与酸反应。铬能与镁、钛、钨、锆、钒、镍、钽、钇形成合金。铬及其合金具有强抗腐蚀能力。

铬铁矿

在自然界中已发现的含铬矿物约有50余种，分别属于氧化物类、铬酸盐类和硅酸盐类。此外还有少数氢氧化物、碘酸盐、氮化物和硫化物。其中氮化铬和硫化铬矿物只见于陨石中。具有产业价值的铬矿物都属于铬尖晶石类矿物，它们的化学通式为（Mg、Fe2+）（Cr、Al、Fe3+）2O4或（Mg、Fe2+）O（Cr、Al、Fe3+）2O3，其Cr2O3含量为18%～62%。

常见的铬矿物有：

(1)铬铁矿，化学成分为（Mg、Fe）Cr2O4，介于亚铁铬铁矿（FeCr2O4，含FeO 32.09%、Cr2O3 67.91%）与镁铬铁矿（MgCr2O4，含Mg 20.96%、Cr2O3 79.04%）之间，通常有人将亚铁铬铁矿和镁铬铁矿也都称为铬铁矿。铬铁矿为等轴晶系，晶体呈细小的八面体，通常呈粒状和致密块状集合体，颜色为玄色，条痕呈褐色，半金属光泽，硬度5.5，密度4.2～4.8，具弱磁性。铬铁矿是岩浆成因矿物，产于超基性岩中，当含矿岩石遭受风化破坏后，铬铁矿常转进砂矿中。铬铁矿是炼铬的最主要的矿物原料，富含铁的劣质矿石可作高级耐火材料。

(2)富铬类晶石，又称铬铁尖晶石或铝铬铁矿，化学成分为Fe（Cr，Al）2O4，含Cr2O3 32%～38%。

(3)硬铬尖晶石，化学成分为（Mg、Fe）（Cr、Al）2O4，含Cr2O3 32%～50%。富铬类晶石和硬铬尖晶石的形态、物理性质、成因、产状及用途与铬铁矿相同。产业生产金属铬的方法有铝还原法、硅还原法、碳还原法和电解法。

铬铁矿的用途

铬是重要的战略物资之一。具有质硬、耐磨、耐高温、抗腐蚀等特性。其铬铁矿的用途有：

（1）在冶金工业中?铬铁矿主要用来生产铬铁合金和金属铬。 a铬铁合金作为钢的添加料生产多种高强度、抗腐蚀、耐磨、耐高温、耐氧化的特种钢?如不锈钢、耐酸钢、耐热钢、滚珠轴承钢、弹簧钢、工具钢等 b金属铬主要用于与钴、镍、钨等元素冶炼特种合金。这些特种钢和特种合金是航空、宇航、汽车、造船以及国防工业生产枪炮、导弹、火箭、舰艇等不可缺少的材料。

（2）在耐火材料中?铬铁矿用来制造铬砖、铬镁砖和其他特殊耐火材料。

（3）在化学工业主要用来生产重铬酸钠?进而制取其他铬化合物?用于颜料、纺织、电镀、制革等工业?还可制作催化剂和触媒剂等。故而?铬铁矿的销售渠道亦有三种?即?冶金行业、耐火材料行业和化学工业。下面由铬铁矿在冶金工业的用途介绍铬铁和铬盐的用途和冶炼工艺

铬是重要的战略物资之一，由于它具有质硬、耐磨、耐高温、抗腐蚀等特性，在冶金产业、耐火材料和化学产业中得到了广泛的应用。