不锈钢知识4(不锈钢及铬系)

不锈钢及铬系产品之间的关系

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。

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1 2000kw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1 6MVA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。

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。

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，F e)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。

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Cr2 3C6；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。