矽鉻合金

《矽鉻合金》是中鋼集團吉林鐵合金股份有限公司和冶金工業信息標準研究院起草的文案，2008年8月5日發布，2009年4月1日正式實施，由中國鋼鐵工業協會主管。

基本介紹

• 中文名：矽鉻合金
• 外文名：Chromium silicon
• 領域：冶金
• 發現者：貝克特
• 主要成分：矽、鉻、鐵
• 作用：脫氧劑(代替矽鐵)和鉻添加劑

簡介

由矽、鉻、鐵為主成分的鐵合金。又稱矽鉻鐵合金。它主要用作電矽熱法生產中、低、微碳鐵的中間合金。煉鋼中用作脫氧劑(代替矽鐵)和鉻添加劑。一般含Cr>30%，Si>35%，餘量為鐵和少量雜質。根據含碳量分類，如含碳≤0.06%，≤0.10%，≤1.0%等。

含鉻量不小於30.0%，且含矽量不小於35.0%的鐵、鉻和矽 的合金。其生產工藝分為兩種：一步法(通常稱“有渣法”或“礦石法”)和兩步法 (通常稱“無渣法”)。一步法冶煉所用原料有矽石、鉻礦、焦炭。兩步法冶煉所用 原料有矽石、碳素鉻鐵、鋼屑。兩種冶煉方法，都採用焦炭做還原劑。

合金中矽的來源主要是矽石中的SiO₂，鉻的來源分別為鉻礦和碳素鉻鐵。均在鐵合金 礦熱爐中進行冶煉而製得。主要用於生產中低碳鉻鐵、微碳鉻鐵的還原劑和煉 鋼的中間合金劑。按矽鉻合金含Si、Cr、C高低可分為多種不同牌號的矽鉻合 金。其合金系組成相為，Si>50%由(Fe·Cr)Si₂組成，含Si>40%由(Fe·Cr) Si₂和(Fe·Cr)Si組成，含Si>30%由(Fe·Cr)Si和(Fe·Cr)Si組成，Si< 19%時(Fe·Cr)₃C和(Fe·Cr)₂₃C₆占大多數。

由於矽鉻合金相組成決定了爐外降碳效果，所以在工業生產中，矽鉻合金中的含Si量一般控制大於40%。出 爐的矽鉻合金含C一般在0.2—0.8%很難直接使用，必需經過爐外降碳處理，合金含C量可降至0.02%以下，依據用戶要求煉製不同牌號的矽鉻合金。 此外，還有將矽鐵加入液態的高碳鉻鐵中，生產出矽鉻合金。

簡史

貝克特(F.M.Becket)及其合作者自1906年起至1940年開發矽還原鉻礦石生產低碳鉻鐵的工藝。最早是用50%～75%Si的矽鐵和矽作還原劑。用矽鐵作還原劑，因鐵高不能生產Cr>70%的低碳鉻鐵。而工業矽價格貴。用鉻礦石先冶煉出矽鉻鐵合金，再與鉻礦石反應得到低碳鉻鐵的方法是經濟的。鉻鐵含Cr>70%，要求鉻礦中Cr：Fe為3：1。1925年貝克特在其專利中公布了矽鉻鐵合金含碳量與含矽量的關係圖。中國吉林鐵合金廠是於1957年開始生產矽鉻鐵合金的。

性質

鉻與矽在高溫下生成兩種穩定的化合物為CrSi與CrSi₂。因為鉻的矽化物比它的碳化物穩定，所以當有矽存在時，部分碳將被矽取代，生成碳矽複合鉻化物，直至生成矽化物。巴甫洛夫(Ю.А.Павлов)研究了Cr：Fe=1的Cr-Si-Fe-C系鑄造合金的相結構。

當合金中Si<20%時，基本上由一個相(Cr，Fe)₃(C，Si)₂組成。可以認為是Cr₃C₂中部分Cr為Fe取代，部分C由Si取代的結果。當矽含量增加至>20%～29%時即形成新的複合相(Cr，Fe)(Si，C)。過剩的Cr與Fe組成金屬間化合物FeCr，即σ相。含Si 29%～34%之間增加了新相(Cr，Fe)Si。當Si超過34%，鉻、鐵與矽形成矽化物。由於含矽量增多而出現CrSi₂與SiC相。鉻與矽間的親和力比鐵與矽的大，所以先生成CrSi₂。但是CrSi₂與FeSi₂的結晶構造不同，相互間不能形成固溶體。含Si 44%～51%時，Cr與Si生成CrSi₂，部分FeSi與Si生成FeSi₂。當Si 51%～60%時，合金由Cr-Si₂、FeSi₂、SiC與Si組成。從上述結果可以看出含矽高的鉻矽鐵合金是由鉻和鐵的矽化物、SiC及Si組成，即碳是以SiC相存在。工業生產的矽鉻鐵合金的結構分析與此基本吻合。碳以不溶解於液相矽鉻鐵的SiC相存在。

生產工藝

用鉻礦石生產矽鉻鐵合金的工藝有兩種：一步法和二步法。

一步法是將鉻礦石、矽石、焦炭等在埋弧還原電爐內直接煉成矽鉻鐵合金。所以也稱直接法或有渣法。這種方法因渣量大，鉻損失於渣中較多。MgO、Al₂O₃、CaO被部分還原和揮發，使生產能耗增大，故又發展了二步法，即首先將鉻礦和焦炭以及部分矽石作熔劑，在埋弧還原電爐內煉成高碳鉻鐵，並粒化或破碎成粒狀;再將高碳鉻鐵粒與矽石、焦炭在另一座埋弧還原電爐內煉成矽鉻鐵合金。因產品含碳較高，需要在爐外作降碳處理，才能得到碳合格的矽鉻鐵合金。因為鉻礦石是經兩個步驟才煉出合金，所以稱二步法。亦稱間接法或無渣法。經過長期改進操作，一步法與二步法相比，少用一台電爐使投資減少;可以直接得到低碳產品;工藝流程短。通過爐渣回收金屬後，鉻的回收率較高和冶煉總電耗較低;但其工藝較難掌握。主要是爐渣黏稠，從爐內順利排渣的問題不好解決。除此之外還有搖包脫碳法和渣洗脫碳法。

一步法

鉻礦石、矽石、焦炭和鋼屑混合均勻後，加入埋弧還原電爐內。選擇合理的供電制度，使電極深插爐料層中，以保持爐渣溫度高，有利還原反應和對產出的合金進行精煉，並破壞SiC使爐渣較易從爐內排出。通過配料使爐渣組分中MgO/Al₂O₃之比值小於2，SiO₂含量控制在40%～50%之間，才能使合金中的碳含量小於0.04%和對爐渣排出有利。熔池中存在一較厚的渣層。其上層與冶煉高碳鉻鐵的情況相似，渣中含SiO₂44%，SiC 23%。下部則為矽鉻鐵合金與終渣。下層渣中含SiO₂30%，SiC 2%。生產中存在的主要困難是從爐內排出爐渣的問題。所以爐前應安裝拉渣機。即用鋼棍從出鐵口伸入爐內將爐渣粘著在鐵棍上，從熔池中拉出。爐渣黏度大，夾雜有大量合金，要用重力選礦方法如用跳汰機選出。可使鉻回收率提高約5%。

二步法

第一步生產高碳鉻鐵;(工藝見鉻鐵)第二步用高碳鉻鐵、矽石、焦炭、鋼屑冶煉矽鉻鐵合金的工藝與冶煉45%矽鐵相似，所不同者是用高碳鉻鐵粒代替鋼屑。冶煉流程見圖4。碳(焦炭與碳化物的碳)還原SiO₂為Si，以促使(Cr，Fe)₇C₃，轉變為CrSi₂、FeSi₂與SiC的過程。高碳鉻鐵的粒度對(Cr，Fe)₇C₃的破壞影響很大。較小的高碳鉻鐵粒度與均勻的爐料混合，增加了Si對(Cr，Fe)₇C₃的接觸，可以在進入熔池前被徹底破壞。生產實踐證明，使用較大塊的高碳鉻鐵冶煉矽鉻鐵合金時，含碳可達0.13%;而用小於20mm的粒度時，含碳<0.06%。矽鉻鐵合金含矽量增加則含碳量降低。當含Si>34%時則生成SiC。含Si>43%時則合金含碳量下降不明顯。

因此生產矽鉻鐵合金時，矽含量控制在43%～53%之間較合適。SiC在矽鉻鐵合金中的溶解度很小，基本上是以懸浮物存在，需要有適當條件才能從合金中分離出來。SiC從合金中上浮需要有較高的出爐溫度，如1650～1750℃;在鐵水包中鎮靜較長的時間，如大於60min;將合金的鉻含量控制在34%以下，以降低合金的黏度。通過保溫鎮靜，合金的含碳量可以由0.15%～0.30%降至0.04%。但是包中合金上下層間與中心及邊沿間碳含量的差別較大。從爐內排出的合金含C0.4%～0.8%，不能作為生產微碳鉻鐵的中間合金，需經過爐外脫碳處理。工業生產採用搖包脫碳法與渣洗脫碳法。

搖包脫碳法

將盛有矽鉻合金液和脫碳劑的鐵水包放在搖包架上，使鐵水包作偏心運動。在50～55r/min的轉速下使包內熔體產生“海浪波”運動。熔體的質點上、下運動而產生混合和攪拌作用，為矽鉻鐵合金與脫碳劑混合創造良好條件。SiC從合金中析出後被脫碳劑吸收。脫碳劑為微碳鉻鐵爐渣，或石灰與螢石渣。用量為矽鉻鐵合金的5%～8%。搖動時間為5～10min。搖包脫碳處理後，矽鉻鐵合金的碳含量可以降至0.02%。

渣洗脫碳法

將液態矽鉻合金直接注入液態微碳鉻鐵爐渣中。渣液被合金液衝散和混合，通過液態合金上升，爐渣吸附了大部分碳化矽。在冷卻過程中，合金繼續析出碳化矽，上浮到渣與合金的接觸面進入渣中。通過渣洗，渣中含碳量可達4%，合金中含碳量可以降到0.02%。渣洗不但降碳率高，還可以回收微碳鉻鐵渣中的鉻。渣中含鉻量降至0.5%左右。通過渣洗，矽鉻鐵合金的含磷可下降75%～90%。

國家標準

標準號 StandardNo： GB/T 4009-2008

中文標準名稱 StandardTitle in Chinese： 矽鉻合金

英文標準名稱： Chromium silicon

發布日期 IssuanceDate： 2008-8-5

實施日期 ExecuteDate： 2009-4-1

首次發布日期 FirstIssuance Date： 1983-12-14

標準狀態 StandardState： 現行

複審確認日期 ReviewAffirmance Date：

計畫編號 Plan No： 20061152-T-605

代替國標號 ReplacedStandard： GB/T 4009-1989

被代替國標號 ReplacedStandard:

廢止時間 RevocatoryDate：

採用國際標準號 AdoptedInternational Standard No： ISO 5449:1980

采標名稱 AdoptedInternational Standard Name： 矽鉻合金 規格和交貨條件

採用程度 ApplicationDegree： MOD

採用國際標準 AdoptedInternational Standard： ISO

國際標準分類號(ICS)： 77.100.

中國標準分類號(CCS)： H42

標準類別 StandardSort： 產品

標準頁碼 Number ofPages:

標準價格(元) Price(￥)：

主管部門 Governor： 中國鋼鐵工業協會

歸口單位 TechnicalCommittees： 全國鋼標準化技術委員會