1、碳热法生产铁合金还原剂的选择碳热法生产铁合金还原剂的选择 目录目录： 一、一、文献综述文献综述 1、碳热还原冶金 2.碳热法电炉冶炼铁合金对还原剂的基本要求： 2.1 化学成分 2.2 电阻率和反应活性 3、矿热炉的熔炼特性 3.13.1操作电阻 3.2操作电阻的变化对生产的影响 3.3操作电阻的调节方法 二、碳素还原剂的冶金性质及种类二、碳素还原剂的冶金性质及种类 1碳质还原剂的冶金性能 1.1碳质还原剂的物理性能 1.2碳质还原剂的石墨化性能 1.3电阻率 2.碳质还原剂的种类 2. 1木炭类 2. 2煤焦类 2.2.3气煤焦 2.2.4冶金焦 2.2.5低温焦 三、碳素还原剂的选择搭配生
2、产实验对比三、碳素还原剂的选择搭配生产实验对比 四、结论四、结论 一、文献综述一、文献综述 铁合金是钢铁工业的重要原料之一。 它是一种或一种以上的金属或非金属元 素与铁组成的合金。铁合金主要用作炼钢的脱氧剂和合金元素的添加剂。 铁合金几乎全部都是通过还原氧化矿石或氧化产物制得的。 碳是最重要的还 原剂，铁合金产品品种繁多，生产原料和制造方法差异甚大，涉及的反应器及单 元操作有其特殊性，由此形成不同分类的铁合金生产方法（见表 1.1） 。 表表 1.1 1.1 铁合金生产方法的分类铁合金生产方法的分类 冶炼设备 冶金原理 操作方法 产品品种 电 炉 法 碳还原法 埋弧电炉法 高碳锰铁、 锰硅合金
3、、 硅铁、 工业硅、硅钙合金、高碳铬 铁、硅铬合金、高碳镍铁、 磷铁 电弧炉法 钨铁、高碳钼铁、高碳钒铁 硅还原法 放 热 法 电弧炉-钢包冶 炼法 中、低碳锰铁及中、低、微 碳铬铁 铝 热 法 铝还原法 铝热法 （包括铝 硅或硅发热剂 与电炉并用法） 钒铁、铌铁、金属铬、 低碳钼铁、硼铁、硅锆铁、 钛铁、钨铁 其 它 电解法 电解还原法 电解金属锰、电解金属铬 转炉法 氧气吹炼 中、低碳铬铁及 中、低碳锰铁 感应炉法 熔融 钛铁、硅铝钡、硅铝钡钙 真空加热炉 法 真空固体脱碳 法 微碳铬铁、氮化铬、氮化锰 高炉法 碳还原法 高碳镍铁、高碳锰铁、镜铁 团矿法 氧化物团矿（钼、钒） 、发热型铁合
4、金、氮化铁合金（用真空 加热炉） 1 1、碳热还原冶金碳热还原冶金 碳热还原工艺是铁合金生产的主要方法。在还原电炉内将电能转变成热能， 用碳作还原剂，还原矿石生产铁合金。采用碳热还原生产方法时，氧化矿石与碳 起反应。碳还原过程，如果不考虑冶炼含碳合金时产生的炉渣，可以最一般地用 式（1.1）的化学方程式表示： ( Me O)C Me CO xyy x y （1.1） 在反应温度低时，碳还原冶炼可在高炉中进行。但在大多数情况下，由于铁 合金生产中所需还原温度很高，因此多采用矿热电炉来进行冶炼。对于电炉冶炼 过程中，大多是靠炉料的电阻热来提供还原反热所需的能量。在冶炼过程中碳质 还原剂即要还原矿石
5、中金属氧化物，同时它作为导电相又是电流的载体。因此， 碳质还原剂的导电性质对碳热还原冶金过程有着重要的影响。 按照矿石形态的转变和反应机制，碳热还原过程可以分成三种：还原在矿石 呈固态时进行，如高碳铬铁生产过程；矿石熔体和碳质还原剂之间进行的熔态还 原， 如高碳锰铁和锰硅合金、 钨铁等； 还原过程经过气相中间产物阶段， 如硅铁、 金属硅、硅钙的冶炼过程。在铁合金生产中，固体碳、溶质碳和气相 CO 都起着 还原剂的作用。 2.2.碳热法电炉冶炼铁合金对还原剂的基本要求：碳热法电炉冶炼铁合金对还原剂的基本要求： 2.12.1化学成分：化学成分： （1）固定碳要高。碳质还原剂真正起还原作用的是是固定
6、碳，固定碳越高，还 原剂用量就越少，由还原剂带入炉内的杂质就越少，因此，要求固定碳要高，一 般要求为：C82%，对于一些物理性能优良的碳质还原剂，固定碳也许低一些。 （2）灰分要低：灰分主要是Al2O3 、SiO2等难容氧化物，其中Al2O3占相当大的比 例，灰分高，料面容易烧结，影响透气性，并使渣量增加，炉渣变粘，不利于排 渣，合金中的杂质主要来自于灰分，灰分过高会严重影响铁合金产品质量，一般 要求为12%。P2O50.04% (3)挥发分不限制。碳质还原剂中的一部分以碳氢化合物形式存在，挥发分高的 碳质还原剂一般来说机械强度低，受热后易于挥发，从保证还原剂有高的固定碳 和一定机械强度这点考
7、虑，挥发分还是不宜过高，但挥发分高的还原剂电阻率通 常都较高，这一点对铁合金冶炼是非常有利的，综合考虑，所以对还原剂的挥发 分不予限制。 （4） 水分要低： 水分波动， 是造成炉况不稳的主要原因， 要求稳定在6%以下。 2.22.2电阻率和反应活性电阻率和反应活性 （1）电阻率要高，。碳质还原剂的电阻率是指碳素材料的自身电阻率和各颗粒 间的接触电阻率的和。电阻率除了与还原剂的粒度有关外，主要与还原剂的种类 和本身的结构有关。 （2）气孔率要大：气孔率大的还原剂，电阻率大，比表面积大，吸附气体的能 力强，化学活性好。 3 3、矿热炉的熔炼特性、矿热炉的熔炼特性 矿热炉电阻主要为炉料电阻（R 料
8、）与熔池电阻（R 池 ）这二部分，如图 1.1 所示。 这二部分构成了炉料的操作电阻，而操作电阻又与矿热炉炉内热能的分配 有着很大的关系 。 图图1.1 1.1 矿热炉炉内电阻示意图矿热炉炉内电阻示意图 3.13.1操作电阻操作电阻 操作电阻的含义，可用式（2.1）表示 ： U R I 相 效 极 （2.1） 式中，R操作电阻，m； U 相 效 每极有效相电压，V。即电极与熔池底部间的电压； I 极 电极电流，kA。 2）操作电阻对生产工艺的影响 （1）操作电阻并不是一成不变的，引起操作电阻波动的原因有如下几项： 炉料性能和组成的改变，特别是还原剂加入量、粒度组成、炉料电阻率的 改变； 电极消
9、耗状况或电极插入深度的变化； 三相电极功率平衡情况； 炉渣成分改变。渣中 CaO，MnO 含量过高会降低炉渣电阻，使操作电阻减 小； 反应区结构的改变。 3.23.2操作电阻的变化对生产的影响操作电阻的变化对生产的影响 如果操作电阻过高，则会造成以下的后果： a.炉料熔化过快， 熔池温度降低， 渣多而产品少， 造成炉内结瘤， 电极上抬， 料面堆高。 b.电流从电极圆周侧面流出过多，引起电极下端削成尖形，甚至在筋片处形 成大槽口，以致电极破裂。 c.两并联电阻中， 炉料电阻内流过的电流， 所占比例增大。 因此电极升降时， 电流表读数相应的变化不明显。 如果操作电阻过小，则会造成以下的后果： a.
10、炉料熔化过慢， 产品过热， 有用金属挥发损失增大， 单位电耗高， 产量少。 还会引起三根电极下面的炉底，形成三个圆坑，甚至炉底破坏。 b.电流从电极侧面流出过少，反应区的扩大非常迟缓，电极下端直径，几乎 能保持其原有直径。 c.电极微微升降，电流表读数变化太多，必须设法降低电极升降速度，才便 于调节。 3.33.3操作电阻的调节方法操作电阻的调节方法 操作电阻可以通过以下几个方法进行调节： 改变变压器的二次电压等级； 调整电极工作端的位置，改变二次电流； 调整炉料组成，还原剂配比和粒度分布； 调整炉渣渣型。 二、碳素还原剂的冶金性质及种类二、碳素还原剂的冶金性质及种类 在冶炼铁合金时，按化学性
11、质的不同，可以使用很多元素作矿石氧化物的还 原剂。然而使用碳、硅及铝在经济上是比较合算的。最广泛使用的是碳，假如熔 炼的合金需要避免增碳时，则使用较为昂贵的硅和铝。在使用碳质还原剂时，又 根据冶炼产品的种类不同而选用不同性质的碳质还原剂。 这些还原剂都具有反应 性能良好、电阻率高、对具体合金来说化学成分相宜、强度大、块度适宜、透气 性和热稳定性良好、价格不高等特点。 1 1 碳质还原剂的冶金性能碳质还原剂的冶金性能 1.11.1碳质还原剂的物理性碳质还原剂的物理性能能 碳质还原剂的质量和性能直接影响冶炼操作。 铁合金生产对碳质还原剂的物 理性能的基本要求是：反应活性好、电阻率高、不易发生石墨化
12、、粒度适宜、有 一定的强度。几种常用的碳质还原剂的主要物理性能见表 1.2。 表表2.1 2.1 几种碳质还原剂的主要物理性能几种碳质还原剂的主要物理性能 还原剂 常温电阻率 ( m) 高温电阻率 ( m) CO2反应性 () 气孔率 () 木炭 3.0 1.2 气煤焦 2.03.0 0.81.0 5070 约 50 冶金焦 1.5 0.8 3050 3040 1.21.2碳质还原剂的石墨化性能碳质还原剂的石墨化性能 石墨化性能是指在一定的高温条件下碳素材料的石墨化程度。 随着温度的升 高和在高温下停留时间的增长，碳原子排列从无序到有序，原子层间距减少，石 墨晶体长大。石墨化开始温度为 160
13、0 ，结束温度大于 2500 ，某些杂质的 存在会加快石墨化速度，在碱金属的催化作用下碳的石墨化温度可以由 1600 降低到 950 左右。石墨具有较稳定的晶型结构，它的吸附作用和反应性能很 差，而导电性很好。焦炭的电阻率（比电阻） 、反应性能等冶金性能与石墨化性 质有关。焦炭在炉膛内下降过程中会出现不同程度的石墨化，石墨化倾向大的焦 炭反应性较差。 采用 X 光衍射分析仪测定的炭原子间距可用于鉴定炭质还原剂的 石墨化程度。图 2.2 给出了温度对几种典型还原剂石墨化程度的影响。 1. 石油焦；2. 冶金焦；3. 气煤焦 图图2.2 2.2 各种常用碳质还原剂石墨化程度与温度的关系各种常用碳质
14、还原剂石墨化程度与温度的关系 气煤焦、半焦因其成焦温度低，致使其石墨化程度低。无烟煤、石油焦和冶 金焦易于发生石墨化。 而木炭在 2500 亦不能达到石墨化， 是较理想的还原剂。 将粒度为 1520 mm 的气煤焦和冶金焦分别在 1860 密闭加热 950 min，冷却后 观察两种焦炭的石墨化程度，发现冶金焦已大量石墨化，而气煤焦石墨化程度较 小。 1.31.3电阻率电阻率 电阻率是衡量碳质还原剂导电性能的指标。在冶炼铁合金过程中具有重要的意 义，它关系着炉缸的总电阻率及电炉功率在炉缸的分布情况。还原剂的电阻率是碳 素材料的自身电阻率和各颗粒间的接触电阻率的和。在高温熔炼条件下，各种碳素 材料
15、的电阻率大为下降而且趋于相近然而仍有很大的差异。在 1400时，几种常用 碳素还原剂的电阻率高低排序为半焦冶金焦石油焦木炭石墨； 影响电阻率的因素有： （1）碳素材料的性质。碳素材料的性质不同，结晶转化温度也不同。无烟煤、石 油焦和焦炭容易容易石墨化， 其石墨化过程在 2000时结束。 木炭在 2500时也不 能充分达到石墨的性质。焦炭的电阻率是炼焦用的主配煤有关。 焦炭的电阻率与煤的变质程度的关系为：变质程度差的的高挥发份的弱粘煤或 不粘煤制成的焦炭，高温电阻率大。 （2）成焦温度。炼焦温度对石墨化程度的影响很大，炼焦温度越高，石墨化的 程度也愈高，石墨晶体也愈大，电阻率越小，炼焦温度达到
16、1300时，各种碳 素还原剂的电阻率分别为：气煤焦 1100p/u.m;冶金焦 1000 p/u.m；石油焦 500 p/u.m；褐煤焦 2000 p/u.m，按照大小顺序排列为：褐煤焦气煤焦冶 金焦石油焦； （3）炼焦时间：炼焦的时间越长，石墨化的程度越高，电阻率也愈小。以气煤 焦和冶金焦为例， 当炼焦时间达到 8 小时以后， 气煤焦的电阻率为 1180 p/u.m， 冶金焦为 890 p/u.m； （4）灰分和挥发分，灰分和挥发分对电阻率也有一定的影响，一般情况下，灰 分后挥发分高的电阻率也愈大，但灰分和挥发分愈高，则固定碳愈低，因而需要 全面考虑。 （5）密度。碳素材料的电阻率与其密度成
17、直线关系，密度越小，电阻率愈大； 1.41.4碳质还原剂的化学活性碳质还原剂的化学活性 碳质还原剂的化学反应性与其气孔率、密度、比表面积有关。通常气孔率 大、密度小、比表面积大的碳质还原剂化学反应性好。常用碳质还原剂的气孔率 为：冶金焦 3540%，木炭 70-85%，焦炭比表面积在 0.36-2.8m 2范围内，气孔 平均半径 770-14300A。焦炭的反应性与炼焦用煤的组成和焦化工艺制度有关。 挥发分高的煤、含钾、钠等碱金属的煤通常具有较好的反应性。碱金属对布多尔 反应起着催化作用， 有利于提高焦炭的反应性。 焦化温度高会降低焦炭的反应性。 1.51.5焦炭粒度对电阻率的影响焦炭粒度对电
18、阻率的影响 焦炭粒度大，电阻率小；粒度小，则电阻率大。当然，焦炭粒度不可能过小， 以防影响炉料的透气性。 焦炭与粒度关系式，如式（2.1）所示： 0.56 a B （2.1） 式中，焦炭粒电阻率，mm； B焦炭名义或平均粒度，mm； a常数（a随焦炭品种而异 32,33） 。 无烟煤电阻率与其粒度的关系式如式（2.2）所示： 0.236 6920 B （2.2） 式（2.1）中符号的含义及单位与（2.2）式相同。 由（2.1） 、 （2.2）两式可知，不论a值如何，焦炭粒度增大一半，其电阻率即下 降 21；粒度减小一半，其电阻率提高近 50。可见焦炭粒度的大小，对其电 阻率的影响何等大。 2.
19、2.碳质还原剂的种类碳质还原剂的种类 我国铁合金碳素还原剂可分为三类：即木炭类、煤焦类和石油焦类，它们 在性质上差异很大，分述如下： 2. 12. 1木炭类：木炭类： 木炭主要成分是碳， 灰分很低 （10%） ， 电阻率极大， 一般大于 8000u .m，化学活性好，木材在 350-450用窑烧法和干馏制取，成本极高，对森 林资源破坏严重。 2. 22. 2煤焦类煤焦类 （1） 褐煤焦： 褐煤是煤化程度最浅的煤种， 其水分和及氧含量高， 多在 15%-30%, 褐煤属非炼焦煤，它的化学反应性极强，放在空气中易风化成小块，其热稳定性 差块煤加热后破碎严重，由于褐煤不具备粘结性和结焦性，且热稳定性
20、差，故按 我国目前的炼焦技术水平，只有型焦工艺技术可将其利用推向工业化。采用冷压 型焦工艺可制取褐煤型焦。 （2）长焰煤块焦：长焰煤是煤化程度仅高于褐煤的最年轻的煤，其挥发性性高， 热值也高，是一种很好的动力用煤和气化用煤。 长焰煤也属于非炼焦用煤， 他的粘结性弱， 不适合做常规配煤炼焦的原料。 用它作瘦化剂时只能很少量的配入，配入量过多时会使焦炭的的耐磨性降低，特 别是在强粘结性肥煤不多时，焦炭强度显著变坏，长焰煤因有较好的热稳定性， 可用其在立式炉中炼块焦。 （3）不粘结煤：是在成煤初期受相当程度氧化作用的低变质阶段到中等变质阶 段的煤，也属于非炼焦煤，可用于气化； （4）弱粘结性煤：加热
21、时胶体很少，也属于非炼焦煤，个别产地该种煤有一定 的粘结性和结焦性，可部分掺于炼焦配煤中产出冶金焦。 2.2.32.2.3气煤焦气煤焦 气煤的的变质程度比长焰煤高，热解过程中和生成较多的胶质体，但胶质体稳 定性差，气煤属于炼焦煤，因其生成的焦炭收缩大而产生很多裂缝，故多配气煤 会导致焦炭块度降低，质量适合于铁合金冶炼需求，使用较为广泛。 2.2.42.2.4冶金焦冶金焦 冶金焦是铁合金厂用的最多的一种还原剂，它通常由主焦煤（中等变质程度 煤） 、气煤、肥煤（中等变质程度煤）和瘦煤（变质程度高于焦煤）以一定比例 混配在常规炼焦炉中生产的焦炭； 由于焦炭的反应性和电阻率与所使用的煤种的 直接关系，
22、焦炭的反应性和电阻率随着煤变质程度的加深而降低，仅以气煤焦、 冶金焦和瘦煤焦经1600煅烧后在测试的电阻率为例， 气煤焦的电阻率是1208 u .m，冶金焦是 704 u.m，瘦煤焦是 531 u.m。冶金焦主要作为高炉炼铁的 原燃料，将其用于铁合金冶炼是不合适的。 2.2.52.2.5低温焦低温焦 即“半焦” ，由煤经低温干馏而得到的固体产物。挥发分约为 7%-12%，比高 温焦高，质地松脆多孔，反应性活泼，燃烧容易，但也无烟，可用作制造发生炉 煤气，水煤气、煤砖的原料，在铁合金冶炼中，由于它具有较大的电阻率，可使 电极较深、较稳的插入炉料中，且反应活性好，是碳热法很好的还原剂，缺点是 强度
23、较差，在矿热电炉熔体坩埚中形成焦炭层时影响透气性，可采取适量搭配使 用。 三、碳素还原剂的选择搭配生产实验对比三、碳素还原剂的选择搭配生产实验对比 某企业拥有10 万吨高碳锰铁、 硅锰合金冶炼产能， 拥有 12.5MVA 电炉两台， 25MVA 电炉一台，多年来使用的主要碳素还原剂成分如下， 表表3.13.1 某企业常用碳素还原剂主要指标某企业常用碳素还原剂主要指标 品种 C% 灰分% 挥发份% 气孔率% 电阻率u.m 反应活性% mm 贵州土焦 76.49% 22.78% 0.73% 72 2600 55 5-40 冶金焦 1 83.63% 14.54% 1.83% 35 747 30 5-
24、35 贞丰焦 76.03 22.72 1.2 55% 1200 50 10-25 宏远焦 76.37% 21.17% 2.46% 73% 4706.8 75 5-40 1、 贵州土焦低温焦， 使用贵州兴义地区产褐煤搭配部份肥煤在窑式炼焦炉中干馏得 到，成焦温度控制在700以下，产量较低； 2、 宏远焦同属低温焦，使用贵州兴义地区产褐煤，采用沥青为粘结剂，冷压成型后 在窑式焦化炉中干馏得到，具有电阻率大，气孔率高、还原性好的优点，缺点是 机械强度较低，破碎粉率高，产量低； 3、 冶金焦从内蒙、宁夏等地焦化厂通过焦化炉机制干馏得到，成焦温度控制在 900以上，可大量供应； 4、 贞丰焦采用贵州兴义
25、、 兴仁地区产褐煤搭配在冷压型炼焦炉中干馏得到， 控制温 度在 900以上，属于高温焦，产量高； 通过比对以上还原剂的性能， 工艺技术人员依据还原剂的选择要求， 眷顾经济性 和以及炉型大小，在 12.5MVA 电炉冶炼高碳锰铁采用多种搭配比例进行生产实践论 证，结果如下： 表表3.23.2 还原剂搭配比例还原剂搭配比例 配比 贵州土焦 冶金焦1 贞丰焦 宏远焦 合计 一 20% 20% 40% 20% 100% 二 30% 30% 30% 10% 100% 三 0% 30% 30% 40% 100% 表表3.33.3 加权平均加权平均值值 配比 C% 灰分% 挥发份% 气孔率% 电阻率u.m
26、反应活性% mm 一 77.71% 20.79% 1.5% 58 2090 52 5-40 二 78.48 20.13% 2.39% 56 1835 48 5-35 三 78.45 19.65 1.9 56.3 2467 54 10-30 表表3.43.4 主要指标对比主要指标对比 配比 矿石品位% 焦耗 t/t 综合电耗 kwh/t 冶炼回 收率% 产量 电炉炉况综述 一 30.4 0.585 4200 77 2090 炉况正常，冒火均匀 二 30.3 0.578 4180 76.2 1835 电极下插不足， 料面温度偏高 三 30.2 0.568 4050 78.6 2467 电极深插，炉
27、缸温度高 四、结论：四、结论： 通过对比以上实验数据，结合还原剂选择理论验证，对碳热法生产铁合金对还 原剂的选择根据符合以下还原剂选择理论依据。 1、选择焦炭时必须根据不同产地、不同炼焦工艺所生产的还原剂按照电阻率、 气孔率、反应活性的大小进行优先搭配，在兼顾成本的经济性的条件下，应该选 用 2-3 种还原剂，固定炭值不低于 78%为宜； 2、焦炭平均粒度对生产的反应速度和炉料电阻影响很大，控制焦炭平均粒度的 方法是根据焦炭电阻率，将不同粒度级别的焦炭搭配使用，可以使生产稳定，电 耗降低；对于 12.5MVA 电炉建议粒度为 5-30mm 为宜； 3、选择还原剂应遵循以下原则：（1）固定碳要高
28、。（2）灰分要低：（3）电阻 率要高，（4）气孔率要大： 参参 考考 文文 献献 11 铁合金生产编写组 铁合金生产北京：冶金工业出版社，1975 22 赵乃成，张启轩铁合金生产实用技术手册北京：冶金工业出版社，1998 33 戴维，舒莉铁合金冶金工程北京：冶金工业出版社，1999 44 Gericke A P. 大炉子和小炉子的技术经济评价第三届国际铁合金大会文 集，1983，5865 55 肖谦衡矿热炉操作电阻的观察和优选铁合金，1977，8（2） ：4352 66 M.A.雷斯苏著周进华，于忠译铁合金冶炼冶金工业出版社，1981 77 于忠苏联在铁合金炭质还原剂方面的实验研究铁合金，19
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