低钛高碳铬铁生产方式的探讨

低钛高碳铬铁生产方式的探讨

冶炼轴承钢时高碳铬铁作为主要的合金添加剂，而轴承钢中含有少量的钛元素后，由于氧化物系的夹杂物较硬，易在钢材表面产生“轧制缺陷”，影响轴承钢的产品质量。

从国内外高碳铬铁标准检索可知，均未将钛元素列入化学成份表中，个别标准仅在附加其它元素含量表中反映，如瑞典标准钛含量低于0.05％，美国标准钛含量低于0.5％和0.10％两个级别。因此，高碳铬铁中含有一定的钛含量。

高碳铬铁生产是以碳质还原剂与铬矿中Cr2O3、FeO及少量的SiO2发生还原反应，生成各种形态的铁、铬复合碳化物。铬矿与碳质还原剂中含有一定比例的钛的氧化物，一般以TiO2形式存在于原辅料中，见表一。

表一、冶炼高碳铬铁原辅料中TiO2的含量（％）

名称巴矿印粉印块伊块伊粉澳矿焦碳硅石

TiO2 0.18 0.13 0.11 0.08 0.09 0.28 0.08 0.02

从上表可知，铬矿含TiO2的比例较高，且铬矿属自然资源，存在一定的分布不均匀性，同时与铬矿中简单氧化物的组份差异有关，这样铬矿中TiO2的比例会有所不同。一般情况下，铬矿中镁、铁、铬的离子较多时，该矿的TiO2比例较少。

铬的熔点较高，粘度大，为使铬铁顺利地从坩埚内流出，必须提高炉温，一般情况下冶炼温度达到1883-1923K。随着冶炼温度的上升和还原剂用量的增加，炉料中的SiO2和TiO2与碳反应生成Si和Ti以及TiC并进入合金，其反应如下：SiO2+2C=Si+2CO (1)

TiO2+2C=Ti+2CO (2)

TiO2+3C=TiC+2CO (3)

由于TiC的熔点约为2273K以上，因此高碳铬铁冶炼中会有一定的Si和Ti含量。正常生产情况下，高碳铬铁成份区间为，[Cr]60-65％，[Si]0.8-1.8％，

[C]7.5-10％，[P]0.02-0.03％，[S]0.02-0.05％，[Ti]0.2-0.3％。

本文仅对低钛高碳铬铁生产方式的探讨，分析和掌握高碳铬铁中钛的行为，形成多渠道生产方式。

一、电炉冶炼低钛铬铁原理分析

１、选择性还原

铬矿中的主要氧化物基本上同时被还原，其它氧化物由于还原度的不同，氧化物被还原的数量是不相同的，而氧化物的还原度随着温度的升高而增加，这样温度

愈低，选择还原的效果就愈明显。氧化物稳定性大小依次为CaO、MgO、Al2O3、TiO2、SiO2、Cr2O3、FeO，为了有效地控制钛的含量，必须降低SiO2的还原度，减少碳质还原剂的用量。

结合理论与实际数据的对比，碳质还原剂用量控制可参照纯碳量比值，一般情况其比值为0.4。随着碳质还原剂用量的确定，可抑制TiO2的还原比例。

碳质还原剂量值与矿的物化性能存在一定的关系，一般情况下与粒度、

MgO/Al2O3、Cr/Fe等因素存在正比关系。入炉镁铝比上升后，渣型控制上(SiO2)宜在33-34％之间，纯碳比值控制在0.42的水平。随着镁铝比的下降，该料组易形成低熔点熔渣，坩埚区温度较低，此时还原温度明显高于熔化温度，高温区上移，在料柱上水平形成的熔渣逐渐上移，引起“翻渣”现象，导致料层表面积块，形成不规则的气腔，在渣金相间的残矿层厚度变薄或处于不均匀状态，缩小了氧化气氛区域。渣型控制上可将(SiO2)调整至30％左右，纯碳比值控制在0.38的水平。

２、氧化去钛

抑制TiO2的比例从实际操作角度分析，存在一定的局限性，会引起一系列的炉况波动，甚至对技术经济指标带来较大的影响。

高碳铬铁冶炼时，在渣金接触层之间会形成残矿层区域，该区域能富集一定量的有游氧，与钛的还原产物相互结合，重新生成钛的氧化物进入渣相。同时从氧化物稳定性角度分析，以TiO2为基准，在一定温度条件下，TiO2较SiO2、Cr2O3、FeO等氧化物来得稳定，在1600℃时，SiO2与Ti共存时可自发地进行反应，该反应是不可逆的。

由氧化物离子间作用力的大小可知，碱性氧化物的作用强度(I)越小，阳离子对O2- 的吸引力越小，越容易贡献出O2- ，见表二。

表二、氧化物的作用强度值

氧化物 CaO MnO FeO MgO TiO2 SiO2 P2O5

(I) 0.7 0.83 0.87 0.95 1.89 2.44 3.31

提高炉料中MgO、CaO、FeO、MnO含量，坩埚内O2- 浓度会增加，同时这些氧化物的离子半径大，且作用强度较小，一般易形成Ca2+ 、Mg2+ 、Fe2+ 、Mn2+ 及O2- 简单的阴阳离子结构，而TiO2的作用强度较大，Ti2+ 与O2- 的吸引力大，越容易与O2- 结合，形成稳定的TiO2。

从边界层效应分析，随着残矿层O2- 的弥散，可能存在如下反应。

[Ti]+O2- (TiO2)+M+

[P]+O2- (PO4- )+M+

[Ti]+(SiO2)(TiO2)+[Si]

[Ti]+(Cr2O3)(TiO2)+[Cr]

不管上述反应如何进行，由于扩大了料层结构O2- 的散布率，增强了残矿层的氧化气氛，促进该区域O2- 与酸性氧化物的还原产物相互结合，生成稳定的氧化物或复杂氧化物进入渣相。

二、纯氧顶吹低钛铬铁工艺分析

从氧势图可知，Ti优先于Si氧化，Ti在高氧位气氛下易与纯氧结合生成TiO2，随着纯氧浓度的增加，Cr、C等元素的氧化量急剧上升，必须确定一个含钛符合要求的终点值，以减少有益元素的进一步氧化。

将3.2吨液态高碳铬铁，按20立方/吨组织吹炼，吹炼前的含钛量从0.17％下降至0.065％，其平均降钛速度为0.015％/分，按此值计算含钛控制在0.03％所需要的吨耗氧为33立方。

下面对吹炼不同含钛量的高碳铬铁工艺进行对比分析。

⑴、吹炼含钛0.03％的高碳铬铁

随着入炉高碳铬铁含钛浓度的下降，其平均降钛速度有所减缓，也就是说当纯氧浓度增加后，钛的氧化较为缓慢，此时铬和碳的氧化急剧上升，见表三。

表三、吹炼含钛0.03％高碳铬铁成份对比(％)

成份％ Cr Si C S Ti

前 62.51 0.10 8.0 0.073 0.032