铁合金 稀土硅铁合金

铁合金
——稀土硅铁合金
稀土硅铁合金
摘要：介绍了稀土硅铁的基本知识，比较了其与普通硅铁的区别，简述了我国稀土硅铁合金的生产现状，讨论了稀土硅铁合金的冶炼方法，研究了稀土硅铁合金的工艺及反应机理，并对我国稀土硅铁合金的前景进行了长远展望。

关键词：稀土硅铁合金冶炼工艺机理发展历史
稀土硅铁合金是我国传统的稀土应用主产品之一，主要用于球墨铸铁和钢铁冶炼，年均稀土消耗量为4800t～5200t（以氧化物计算），占国内稀土应用量的1/3以上。

“八五”期间我国稀土硅铁合金产量年平均1.2万t左右，其中出口0.43万t～0.5万t，对我国稀土应用举足轻重。

就年均生产能力而言，我国已超过10万t，但实际生产能力超过3000t的厂家不多。

使用的主要形式是通过稀土硅铁中间合金进行中间转换(如配制稀土镁硅铁合金等)，或用于稀土钢。

“九五’期间，我国稀土铸铁产量每年都有不同程度增长。

随着改革开放步伐加快，稀土硅铁合金及延伸产品出口亦有一定增长，因而刺激了稀土硅铁合金生产能力迅速增大。

到“九五”末，稀土硅铁合金生产厂家已由“七五”期间的10余家猛增至40余家，生产能力远远超过100 000 t。

其中年产稀土硅铁合金能力较大的(实际年产2 000～3 000 t)不足5家，其它均在200～1 000t之间。

“九五”期间，国内每年消耗稀土硅铁合金平均在(1．2～1．3)×104 t，出口5 000～6 000t。

在铸铁行业中的应用举足轻重，若开发利用得当，亦可以大大促进这一行业走向国际市场，为我国稀土工业发展做出更大的贡献。

一、稀土硅铁基本知识及与硅铁的区别
1.稀土硅铁合金基本认识
稀土硅铁合金是由硅铁、稀土、钙、生铁或废钢等按一定比例配料经高温熔融而成的合金。

稀土硅铁合金的生产是在矿热炉中进行，耗电量大，也可以使用中频炉生产。

稀土硅铁合金一般含稀土17%－37%，Si35%－46%，Mn5%－8%，Ca5%－8%，Ti6%，其余为铁。

合金为银灰色，熔点为1473－1573K。

稀土硅铁合
金可以用于铸钢铸铁，有较强脱氧、脱硫的效果；也是生产球化剂、蠕化剂、孕育剂的基础材料；还在生产钢、铁中作添加剂、合金剂。

2.硅铁基本认识
硅铁是以焦炭、钢屑、石英(或硅石)为原料，用电炉冶炼制成的。

硅和氧很容易化合成二氧化硅。

所以硅铁常用于炼钢作脱氧剂，同时由于SiO2生成时放出大量的热，在脱氧同时，可提高钢水温度降底练钢的能原消耗。

硅铁作为金元素加入剂，广泛用于低合金结构钢、合结钢、弹簧钢、轴承钢、耐热钢及电工硅钢之中，常用来制造单晶硅或配制有色金属合金。

硅铁在钢工业、铸造工业及其他工业生产中被广泛应用。

二、我国稀土硅铁合金发展历史
我国是世界上最早用硅热法生产RE-Si-Fe合金的国家，20世纪50年代末中科院上海冶金研究所采用硅热法，在有铁参加反应的情况下，还原包钢的高炉渣，制备RE-Si-Fe合金获得成功，在此基础上于20世纪60年代初进行了工业试验，进而于20世纪70年代初建立了包钢有色一厂。

由此开始合金冶炼产业技术发展，主要是为了提高冶炼回收率、合金中稀土品位、防止合金粉化以及降低能耗，提高合金冶炼效率。

解决这些问题的关键是提高稀土原料的品位，减少磷含量，控制RE-Si-Fe合金中的硅含量以及合理调整冶炼工艺参数如渣铁比、自由碱度，保持炉内的还原气氛和适宜的出炉温度，为此在近30多年中，发展了三相电炉硅铁还原冶炼包头中贫铁矿高炉脱磷、铁的稀土富渣（RE2O3>10%、
Fe<2%、不含磷）工艺技术，解决了合金粉化问题，但这种富渣中稀土含量低，致使稀土收率低（约60%）、单耗高、产率低。

在20世纪80年代进一步发展了三相电炉冶炼中品位稀土精矿（含RE2O3>30%）经脱铁、磷的高品位稀土富渣（含RE2O3>30%，P<0.1%）显著提高了技术经济指标，稀土回收率达到70%以上，设备利用率提高近一倍，但综合能耗仍较高。

改革开放以来，稀土硅铁合金国内外两个市场需求旺盛，促进了合金冶炼工艺技术迅速发展，相继开发了用山东微山和四川的氟碳铈矿精矿（RE2O3约40%）电炉直接硅铁还原冶炼稀土精矿生产稀土硅铁合金，采用两段还原，使冶炼稀土回收率达到90%，冶炼电耗降至2000kWh以下，并且钛含量（以TiO2计）小于0.3%，达到了出口要求；20世纪90年代还发展了高品位稀土精矿（RE2O3≥60%）
直接矿热炉碳热还原冶炼稀土硅铁合金工艺技术，进一步提高了冶炼的技术经济指标。

综上所述合金冶炼的技术发展都与不断提高稀土原料的品位密切相关，表4列出了生产稀土硅铁合金稀土原料的成分和工艺技术进展。

20世纪70年代初在江西龙南县发现了钇组稀土离子吸附型稀土矿并生产出RE2O3>92%的混合稀土，其中Y2O3含量大于60%。

北京有色金属研究总院用硅铁和碳化钙作为还原剂在电弧炉中还原制得钇组重稀土合金，稀土回收率大于80%，该合金用于厚大断面球铁件生产。

生产稀土硅铁合金的原料及工艺技术进展表
20世纪年代稀土原料成分（%）/工
艺设备
REO CaO SiO2 TiO2 P2O5 TFe
稀土收率
（%）
60～70年代5t电炉硅铁还原中贫铁
矿稀土富渣
12～
15
38～
42
20～
23
0.8～
1.2
痕量
约为
1
约为60 0.5t电炉硅铁、CaC2还
原钇组稀土氧化物
>92 <3 <4 微量>80
80年代5t电炉硅铁还原硅铁稀
土富渣和中品位稀土精
矿混合炉料
>30 <20
<1～
3
0.1～
0.3
>4 6-12 <65
5t电炉硅铁还原包头、
四川、微山稀土精矿混
合炉料
>30 >75
90年代5t电炉硅铁还原中品位
冕宁稀土精矿
35～
45
3～8
5～
10
<0.2 <0.2 <4
>70和
90(2段还
原) 矿热炉碳热还高品位冕
宁稀土精矿
>60 >2
～
0.7
<0.2
～
0.8
<1 >75
三、稀土硅铁合金冶炼工艺
稀土硅铁合金广泛应用于钢铁工业，一般约占我国稀土总消耗量的30％左右制取稀土硅铁合金的方法从原理上可分为硅热法、碳热法、熔盐电解法、熔兑法等，但只有硅热法和碳热法实现了大规模的工业化生产．下面我们就包头稀土硅铁合金为代表来介绍。

1.硅热法冶炼工艺
所谓硅热法是指以电能为热源、以硅铁为还原剂还原稀土矿料, 以石灰为熔剂生产稀土合金。

采用电弧炉冶炼设备, 具有操作简单、炉况易掌握、生产灵活、开停方便、产量高等特点。

1)硅铁还原高炉渣
50年代中期，包头钢铁公司稀土一厂利用邹元燧的研究成果，采用硅铁还原含稀土的高炉渣，生产稀土硅铁合金，开创了我国稀土硅铁合金生产的历史，但由于高炉渣的稀土品位低于6％，稀土回收率仅40％左右，每生产1 t合金产出5～7 t渣，且能耗高、成本高，产品质量差，因而限制了稀土硅铁合金的应用。

2)硅铁还原中贫铁矿脱铁稀土富渣
60年代初，包头诒金研究所采用中贫铁矿高炉脱铁后获得的稀土富渣冶炼稀土硅铁合金，获得了成功。

由于稀土富渣中的稀土氧化物为10％～15％，品位比高炉渣有所提高，技术指标得到大幅度的提高。

3)硅铁还原稀土精矿脱铁富渣
对硅热法而言，提高稀土原料中稀土氧化物含量，有助于提高工艺指标。

70年代以后，包头钢铁公司每年可选出数万吨稀土精矿，其品位(REO)为30％～60，其中高品位的矿用于湿法分离，低品位的用于生产稀土合金，显然具有原料优势。

为此，包头冶金研究所完成了“包头稀土精矿碳酸化冷固结球团，经矿热炉脱铁、电硅热法冶炼低钛稀土硅铁合金工艺，成功地冶炼出RE含量高于30％，Ti含量小于0．5％的低钛稀土硅铁合金，产品不易粉化。

但生产工艺仍存在不足，生产线过长，工艺环节复杂，设备投资大；矿热炉冶炼稀土入渣率90％，电弧炉冶炼过程稀土收率70％，因此稀土综合收率不足65％。

4)硅铁直接还原稀土精矿
该工艺重点对冶炼过程中磷的行为和走向进行了控制，优选出合适的渣系，在有效控制炉内冶金气氛的条件下，配以合理的冶炼制度，成功地解决了合金因含磷高而导致粉化的问题，同时，稀土收率提高到75％，每吨合金能耗约2 950 kWh，取得了良好的指标。

但是，工艺对造渣剂石灰的成分要求相当苛刻，且炉况不易控制，现在工业生产中基本不采用此法。

5)硅铁还原氟碳铈精矿
80年代以来，我国开始规模开采氟碳铈矿。

南京特种合金厂随之采用氟碳铈矿冶炼稀土硅铁合金。

开辟了新的原料体系．这种原料的优点是稀土矿物为单一的氟碳铈矿，基本不含独居石，放射性低，钛吉量低，通常使用含30％～50％REO的精矿为原料。

从工艺方面考虑，使用这种原料比包头混合稀土矿难度小，产品质量得到了提高，可以生产低钛、低铝、低钙的稀土硅铁合金。

此工艺是将稀土精矿粉用普通硅酸盐水泥粘结压制成块，与石灰、硅铁、工业硅、氟石混合加入炉内冶炼，取得了良好的技术经济指标。

2.碳热还原法工艺
目前，从全球产业规模看，硅热法仍然是主要的生产方法。

但是，由于碳热法是利用便宜的矿石原料和在大容量的矿热炉中直接制取合金，大大地降低了产品成本，且碳热法在炉内可以把还原进行到底，理论上能实现无工业废渣的工业化生产，其发展前景要优于硅热法。

碳热法生产稀土硅铁合金的研究和产业化工作，主要集中在美国、前苏联和我国。

1)碳热还原稀土氢氧化物生产CSF-10稀土合金
1969年，美国福特矿业公司在格雷汉姆工厂将氢氧化铈制成球团，与硅石、碎钢片、木片和煤等组成原料，在矿热炉内进行稀土硅铁合金的冶炼，制得含RE 15％，Si 36％～40％，余量为铁的稀土硅铁合金，ce的收率达90％～94％。

合金对钙、铝的含量限制很低。

这一工艺开创了碳热法的历史先河，但在冶炼过程中有渣生成，合金粉化严重。

2)碳热还原氟碳铈矿生产炼钢添加剂
以硅石、高品位氟碳铈矿和碳酸锶、碳酸钡、石灰为原料，使用低灰粉煤、木炭为还原剂，冶炼稀土硅锶、钡、钙铁合金，用于处理低合金高强度钢。

此工艺是在过理论碳量50％的条件下进行冶炼，不可避免地导致炉底结瘤和碳化物从炉眼流出，带来连续冶炼周期短，不能进行连续工业化生产等问题，而且台金在空气中发生粉化。

3)碳热还原稀土氧化物生产稀土硅铁合金
将稀土氧化物造块与硅石、焦碳等入炉陪炼，并对冶炼工艺制度、还原过程的基本反应进行丁研究。

但由于炉底结瘤，造成工艺持续时间不长，加之采用稀土氧化物为原料，成本高，故未在工业生产上应用。

四、碳热还原法冶炼工艺机理
70年代，前苏联的科学家以稀土氧化物为还原对象的碳热还原，综合考虑了SiO2在还原体系中的作用。

以Ce2O3通过对CeO—Si—O—C系的热力学计算，提出了一套反应机理。

首先是Ce2O3被C还原成CeO。

随后再被碳化为CeC2。

即
Ce2O3+C=2CeO+CO
CeO+3C=CeC2+CO
这两式可综合表达为：
Ce2O3+7C=2CeC2+3CO
碳化铈的分解最有可能进行的是以下两个反应：
CeC2+2SiO=CeSi2+2CO
CeC2+2CeO=3Ce+2CO
结束语：
我国稀土资源属于战略资源，矿产资源是不可再生的，在过去的几十年中，我国稀土开发应用取得了显著成绩，应用范围遍及国民经济的众多领域。

近三、四十年来科研工作者从事稀土硅铁工艺探索的目的就在于提高稀土回收率，降低电能消耗，减少污染。

参考文献
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