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铬铁（ferrochromium）

简史

性质

用途

铬资源

高碳铬铁生产工艺

电炉法

SRC法

直流电弧等离子炉法

等离子铬法

中碳铬铁生产工艺

顶吹氧转炉法

底吹氧转炉法

低、微碳铬铁生产工艺

电硅热法

波伦法

真空固态脱碳法

合氮铬铁生产工艺

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Cr50％～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。

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．()delstjerna)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一石灰熔体反应，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C0.01％的低碳铬铁的专利。在美国联合碳化物公司马里塔(marietta)厂生产名为辛普雷克斯低碳(低硫)铬铁(SimplexFerrochrome)。

本世纪初，生产中碳铬铁的方法有3种：(1)用铬矿石精炼高碳铬铁；(2)在贝塞麦炉内吹炼高碳铬铁；(3)生产低碳铬铁时配加高碳铬铁。因用贝塞麦炉吹炼高碳铬铁生产的中碳铬铁含氮高，故氧气转炉很快被用来生产中碳铬铁。在70年代10t氧气顶吹转炉，10t氧气底吹转炉和25tCLU转炉先后投产生产中碳铬铁。

随着铬矿的块矿日益减少，粉矿增加，贫铬矿经选矿后得到的又全是精矿粉，这些均要通过烧结、球团和压块等方法生产人造块矿。日本昭和电工公司1970年在其子公司周南电工公司建成铬精矿制球、固态预还原、电炉(15000kw)熔炼的SRC法的年产6万t高碳铬铁厂。南非米德尔堡钢和合金公司使用ASEA的技术，于1983年在克鲁格斯厂投产1台16MVA直流电弧等离子炉(后又扩容为40MVA)，用铬粉矿生产高碳铬铁。瑞典铬公司1986年在马尔摩投产一座年产7．8万t高碳铬铁的等离子铬法工厂。

图1铁铬系平衡相图

中国吉林铁合金厂于1956年开始生产高碳铬铁。1959年开始生产硅铬合金与低微碳铬铁。吉林铁合金厂、北京钢铁研究总院与钢铁设计研究总院共同研制的6000kVA真空电阻炉于1972年投产，用真空固态脱碳法生产微碳铬铁。上海铁合金厂与北京钢铁研究总院于1973年开始研究顶吹氧转炉(It)吹炼中碳铬铁。1979年建成1台2.5t顶吹氧转炉生产中碳铬铁。

性质铁铬系平衡相图见图1。铬与铁形成连续固溶体。低于815℃时，在图的中部出现σ相区。σ相为金属间化合物，其平均含铬量为45％，化学成分大致相当于FeCr。铬与碳生成的碳化物有Cr23C6，Cr3C2，Cr7C3。有铁存在时则成为复杂碳化物(Cr，Fe)23C6，(Cr，Fe)3C2与(Cr，Fe)7C3。高碳铬铁含C可达10％，所以它的性质用Fe-Cr-C系表示更为确切。Fe-Cr-C系的液相线投影见图2。

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。西藏一云南的铬铁矿床属阿尔卑斯期褶皱带；新疆一甘肃、青海一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。

高碳铬铁生产工艺冶炼高碳铬铁是采用在埋弧还原电炉内的电碳热法，即Cr2O3与FeO在电弧加热的高温区被碳还原的过程。Cr-O-C系反应△F0-T图(见图3)定性地描述了在高温下Cr-O-c的平衡温度与氧分压的关系。在大气压力下，Cr2O3与C一直共存至1147℃(图3中点1)。在此温度开始反应生成Cr3C2和CO；温度进一步提高则生成Cr17C3和Cr23C6；而在约1807℃(图中点2)生成Cr。说明Cr2O3被碳还原最先生成碳化铬。实际生产中使用的是铬矿，主要矿物相为铬尖晶石。熔炼过程铬尖晶石分解为Cr2O3、FeO、Al2O3、MgO等。Cr2O3被还原时FeO也被还原，生成含碳的铬铁合金和复杂铬铁碳化物。(有关组成见图2)铬矿属于难熔性矿石，要在较高温度下才能开始熔化，这是高碳铬铁冶炼过程的特点。铬矿还原开始，Al2O3和MgO与少量Cr2O3组成初渣，从Al2O3-MgO-Cr2O3系相图。(见图4)可以看出其熔点在1900℃以上。高熔点的初渣对冶炼进行，炉渣与合金分离都造成很大困难。所以要添加硅石增加炉渣中的SiO2含量，来降低炉渣的熔点和黏度。图5表示Al2O3-MgO-SiO2系炉渣的熔点和相组成。图6给出了1500℃时炉渣的黏度。