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1 铁合金冶金概论1

1.1 铁合金的应用和发展趋势1

1.1.1 钢铁工业的技术进步对铁合金要求的变革1

1.1.2 合金元素的作用和铁合金产品设计3

1.1.3 钢铁生产对铁合金质量的要求5

1.2 铁合金的结构9

1.2.1 铁合金中的物相9

1.2.2 Fe-Si系10

1.2.3 Fe-Mn系12

1.2.4 Fe-Cr系15

1.2.5 Fe-Si-Ca系18

1.2.6 Fe-Si-Al系19

1.3 铁合金的物理和力学性能21

1.3.1 合金元素的物理性能21

1.3.2 合金的性能与组成的关系22

1.3.3 铁合金的密度23

1.3.4 表面张力性质25

1.3.5 黏度性质25

1.3.6 铁合金的力学性能27

1.4 铁合金中的杂质28

1.4.1 杂质元素存在状态28

1.4.2 杂质元素分布规律30

1.4.3 铁合金中气体32

1.4.4 铁合金中的非金属夹杂物39

1.5 铁合金生产方法和工艺流程40

1.5.1 铁合金生产方法40

1.5.2 铁合金工艺流程的组成42

1.5.3 铁合金冶金工艺流程设计44

1.5.4 工艺流程的经济性48

参考文献51

2 铁合金冶金原理53

2.1 还原的热力学原理53

2.1.1 氧化物的稳定性53

2.1.2 碳热还原的热力学55

2.1.3 金属热还原的热力学55

2.1.4 复合化合物的生成反应56

2.1.5 铁合金熔体的活度58

2.1.6 选择性还原63

2.1.7 选择性氧化71

2.1.8 铁合金熔体的化学平衡77

2.1.9 铁合金中的碳、硫、磷等杂质行为81

2.2 还原动力学和还原机理89

2.2.1 固态还原89

2.2.2 熔态还原97

2.2.3 有气相中间产物的还原过程103

2.2.4 还原过程的催化作用104

2.3 铁合金生产的热化学109

2.3.1 反应热效应109

2.3.2 热焓的计算113

2.3.3 盖斯定律114

2.4 铁合金炉渣114

2.4.1 炉渣的熔化温度和过热度115

2.4.2 炉渣的形成机制117

2.4.3 炉渣组成118

2.4.4 炉渣的均质性121

2.4.5 铁合金生产常用渣系123

2.4.6 炉渣结构129

2.4.7 炉渣黏度性能130

2.4.8 炉渣的导电性136

2.4.9 炉渣的表面张力和界面张力139

2.4.10 熔渣的密度142

2.4.11 炉渣的导热性或绝热性143

2.5 冶金反应工程学原理143

2.5.1 相似原理143

2.5.2 相似理论在铁合金冶金过程的应用144

2.5.3 传输现象146

2.5.4 数学模型146

参考文献147

3 铁合金原料和原料处理149

3.1 铁合金原料和性能150

3.1.1 锰矿150

3.1.2 铬矿162

3.1.3 红土镍矿170

3.1.4 硅石、熔剂和含铁物料172

3.1.5 碳质还原剂177

3.1.6 粘结剂189

3.1.7 人造矿物的性能192

3.1.8 混合炉料的冶金特性198

3.2 原料预处理203

3.2.1 原料干燥203

3.2.2 破碎和筛分206

3.2.3 磨矿206

3.3 原料焙烧和预热210

3.3.1 铁合金生产中的焙烧工艺210

3.3.2 焙烧机理211

3.3.3 锰矿焙烧213

3.3.4 回转窑焙烧锰矿工艺215

3.3.5 竖炉焙烧锰矿216

3.4 烧结工艺217

3.4.1 矿石烧结机理218

3.4.2 烧结原料221

3.4.3 锰矿烧结223

3.4.4 粉铬矿的烧结226

3.4.5 烧结工艺流程228

3.4.6 烧结工艺主要参数231

3.4.7 团粒烧结（小球烧结法）234

3.4.8 奥图泰铬矿球团烧结技术237

3.4.9 奥图泰铬矿球团预热竖炉241

3.4.10 竖炉烧结球团241

3.5 冷固结球团工艺244

3.5.1 冷固结球团的应用245

3.5.2 冷压块工艺247

3.5.3 碳酸化球团251

3.5.4 蒸汽养生球团（COBO和MTU法）253

3.5.5 碳-二氧化硅冷压块258

3.6 热固结球团工艺259

3.6.1 热压含碳硅石球团259

3.6.2 铬矿直接还原法（CODIR法）262

3.6.3 锰矿热固结团块263

3.7 人造富矿263

3.7.1 贫锰矿的富集264

3.7.2 选择性还原富集铬铁矿266

3.7.3 锰矿的化学法富集267

3.7.4 锰矿脱磷方法268

3.8 原料焙烧和预热设备270

3.8.1 回转窑271

3.8.2 原料竖式预热器278

3.8.3 链算机-回转窑系统278

参考文献280

4 铁合金的碳热还原生产工艺283

4.1 有渣法冶炼283

4.1.1 熔池结构283

4.1.2 焦炭层285

4.1.3 精炼层288

4.1.4 初渣和终渣288

4.1.5 冶炼渣型290

4.1.6 炉膛温度292

4.1.7 合金中含硅量的控制292

4.1.8 有渣法冶炼操作技术293

4.2 无渣法冶炼295

4.2.1 无渣法工艺反应区结构295

4.2.2 硅还原过程中的传质和传热299

4.2.3 无渣法冶炼的操作技术300

4.2.4 炉渣的形成303

4.2.5 无渣法冶炼中杂质元素的行为304

4.2.6 无渣法工艺技术开发305

4.3 高硅铁合金的熔炼310

4.3.1 硅钙合金的冶炼310

4.3.2 高铝硅合金的冶炼317

4.3.3 一步法硅铬合金冶炼317

4.4 铬矿球团预还原工艺319

4.4.1 铬矿球团预还原工艺流程320

4.4.2 铬矿预还原球团工艺组成320

4.4.3 铬矿预还原工艺对原料的要求325

4.4.4 铬矿球团预还原的操作327

4.4.5 铬矿预还原球团的性能331

4.4.6 Premus铬矿预还原工艺333

4.4.7 预还原球团的电炉冶炼334

4.4.8 铬矿预还原球团工艺技术经济指标334

4.5 镍铁生产工艺335

4.5.1 烧结—电炉法和烧结—高炉法335

4.5.2 回转窑—电炉法336

4.5.3 镍铁冶炼渣型控制343

4.5.4 镍铁冶炼的质量控制346

4.5.5 红土矿资源的利用347

4.5.6 直接还原法和转底炉法348

4.6 熔融还原353

4.6.1 明弧电炉冶炼高碳铬铁354

4.6.2 铬铁的直流电炉熔态还原354

4.6.3 直流电炉生产镍铁356

4.6.4 二步法熔融还原357

参考文献359

5 铁合金的精炼362

5.1 电硅热法生产精炼铁合金363

5.1.1 电硅热法生产方法363

5.1.2 电硅热法生产技术364

5.1.3 电硅热法锰铁生产366

5.1.4 全热装生产金属锰工艺368

5.1.5 电硅热法生产精炼铬铁371

5.1.6 电硅热法生产硅钙合金375

5.2 炉外法精炼铁合金375

5.2.1 炉外热兑法生产精炼铬铁376

5.2.2 炉外摇包法生产中碳锰铁385

5.2.3 炉外法生产低碳锰铁387

5.2.4 炉外热兑法工艺设备388

5.3 铁合金的氧化吹炼390

5.3.1 氧气精炼方法390

5.3.2 中碳锰铁的吹炼396

5.3.3 中低碳铬铁的吹炼397

5.3.4 氧气吹炼操作制度398

5.3.5 影响元素回收率的因素402

5.3.6 氧气转炉404

5.3.7 氧气吹炼技术经济指标408

5.3.8 矿石精炼法409

5.4 铁合金炉外精炼技术411

5.4.1 炉外氧化精炼411

5.4.2 炉外降碳417

5.4.3 铁合金炉外降磷419

5.4.4 炉外精炼降钛427

5.4.5 镍铁的炉外精炼428

5.5 金属热法还原工艺429

5.5.1 金属热法原理429

5.5.2 金属热法的消耗431

5.5.3 金属热法冶炼特点432

5.5.4 电铝热法432

5.6 真空冶金433

5.6.1 真空还原433

5.6.2 铁水真空脱气437

5.6.3 铁水真空脱碳438

5.6.4 固态铁合金的真空精炼439

5.6.5 高碳锰铁固态脱碳的试验研究441

5.6.6 真空设备443

5.7 氮化冶金449

5.7.1 氮化物的稳定性449

5.7.2 氮化过程机理449

5.7.3 铬铁的氮化453

5.7.4 硅和硅铁的氮化454

5.7.5 锰铁的氮化455

5.7.6 氮化钒铁456

5.8 金属硅的提纯457

5.8.1 新材料对金属硅杂质含量要求457

5.8.2 金属硅的酸浸提纯458

5.8.3 金属硅结晶提纯方法459

5.8.4 金属硅精炼的进展462

5.9 摇包技术462

5.9.1 摇包精炼机理463

5.9.2 摇包运动解析464

5.9.3 摇包参数468

5.9.4 摇包机的机械结构469

5.9.5 摇包受力的运动分析和驱动电动机选择471

参考文献473

6 铁合金浇注和加工477

6.1 铁合金出炉过程477

6.1.1 出炉流程477

6.1.2 出铁口和出渣口477

6.1.3 出铁时间间隔478

6.2 铁合金浇注和粒化479

6.2.1 浇注方式479

6.2.2 模铸技术480

6.2.3 铁合金粒化481

6.2.4 其他浇注方法485

6.2.5 浇注设备489

6.3 铁合金凝固过程491

6.3.1 铁合金凝固过程491

6.3.2 凝固过程的传热493

6.3.3 凝固速度对强度的影响494

6.3.4 影响铁合金凝固的其他因素494

6.4 凝固过程的偏析现象495

6.4.1 影响铁合金偏析的因素496

6.4.2 硅铁及工业硅的偏析497

6.4.3 高碳铬铁的偏析499

6.4.4 硅锰合金的偏析501

6.4.5 减少偏析的措施504

6.4.6 铁合金取、制样504

6.5 铁合金破碎加工505

6.5.1 铁合金机械破碎505

6.5.2 铁合金制粉507

6.5.3 铁合金粉的利用507

6.6 铁合金粉化现象507

6.6.1 硅铁的粉化508

6.6.2 复合铁合金的粉化509

6.6.3 稀土硅铁合金的粉化510

6.6.4 高碳锰铁粉化510

6.6.5 防止铁合金粉化的措施511

参考文献511

7 铁合金炉渣处理和利用513

7.1 渣铁分离和炉渣凝固过程513

7.1.1 渣铁分离513

7.1.2 炉渣凝固过程514

7.2 炉渣粉化现象514

7.2.1 炉渣粉化机理515

7.2.2 防止炉渣粉化的措施515

7.3 铁合金炉渣处理516

7.3.1 炉渣水淬粒化517

7.3.2 干式粒化工艺520

7.4 炉渣中金属的回收522

7.4.1 回收铁合金炉渣中金属的方法522

7.4.2 跳汰法回收硅锰和铬铁炉渣中金属524

7.4.3 由精炼铬铁炉渣中回收金属526

7.4.4 其他选矿方法528

7.5 炉渣热能回收528

7.5.1 炉渣中的热能528

7.5.2 风淬炉渣回收热能528

7.5.3 转盘粒化流化床换热回收炉渣热能技术531

7.5.4 内冷双滚筒法回收热能531

7.6 铁合金炉渣资源利用532

7.6.1 冶金炉料应用532

7.6.2 建材工业应用534

7.6.3 耐火材料536

7.6.4 矿渣棉537

7.6.5 炉渣肥料543

7.6.6 炉渣铸石544

7.6.7 微晶玻璃546

参考文献547

8 矿热熔炼炉548

8.1 矿热炉概论548

8.1.1 矿热炉类型和用途548

8.1.2 矿热炉原理549

8.2 矿热炉电路解析554

8.2.1 矿热炉炉膛导电554

8.2.2 电炉操作电阻556

8.2.3 电炉电抗和功率因数558

8.2.4 电炉电气特性561

8.2.5 三相电炉功率不平衡现象562

8.3 电炉熔炼特性567

8.3.1 电炉的能量特性568

8.3.2 电极插入深度和电极工作端长度572

8.3.3 电炉的稳定性574

8.4 矿热炉参数575

8.4.1 矿热炉的电参数575

8.4.2 电极直径576

8.4.3 矿热炉电参数与几何参数的关系579

8.4.4 矿热炉几何参数相似关系585

8.4.5 出铁口和出渣口589

8.5 电极590

8.5.1 电极材质选择590

8.5.2 自焙电极590

8.5.3 自焙电极的接长和消耗596

8.5.4 电极技术发展597

8.6 矿热炉机械设备599

8.6.1 埋弧电炉结构600

8.6.2 电极系统601

8.6.3 炉盖和烟罩606

8.6.4 矿热炉供料609

8.6.5 炉体旋转机构614

8.6.6 矿热炉的冷却614

8.6.7 精炼电炉和化渣电炉617

8.6.8 矩形电炉619

8.7 矿热炉供电和控制622

8.7.1 电炉变压器622

8.7.2 电炉供电方式623

8.7.3 电炉功率因数补偿625

8.7.4 电炉控制和监测631

8.7.5 矿热炉电炉中高次谐波632

8.8 直流电炉634

8.8.1 直流电炉特点和应用634

8.8.2 直流电弧特性635

8.8.3 直流电炉结构636

8.8.4 直流埋弧电炉637

8.8.5 直流电弧炉工艺中的电解效应639

8.8.6 等离子电炉640

参考文献640

9 铁合金电炉炉衬642

9.1 铁合金电炉炉衬工作原理642

9.1.1 炉衬材料的选择642

9.1.2 炉衬结构的整体性642

9.1.3 炉衬冷却技术643

9.2 铁合金炉衬损毁机理645

9.2.1 碳质炉衬侵蚀机理646

9.2.2 镁质炉衬侵蚀机理648

9.3 碳质冷凝炉衬651

9.3.1 碳质保温炉衬与冷凝炉衬砌筑比较651

9.3.2 炉衬耐火材料性能652

9.3.3 冷凝炉衬碳质耐火材料655

9.3.4 冷凝炉衬设计656

9.3.5 冷凝炉衬温度分布和监测659

9.3.6 冷凝炉衬冷却计算660

9.3.7 冷凝炉衬的应用和维护662

9.4 铜质冷却器冷凝炉衬663

9.4.1 镍铁电炉炉衬损毁机理663

9.4.2 炉衬冷却技术比较664

9.4.3 铜质冷却器665

9.5 复合冷凝炉衬667

9.5.1 复合碳质和镁质冷凝炉衬667

9.5.2 通风冷却667

参考文献669

10 能源和环境671

10.1 铁合金生产中的热能分布671

10.1.1 铁合金生产的热能消耗和余热分布671

10.1.2 铁合金生产热能利用673

10.2 热能品质和效率675

10.2.1 热能品质675

10.2.2 热能利用效率676

10.3 电炉煤气除尘和回收679

10.3.1 铁合金电炉煤气679

10.3.2 煤气净化方法比较680

10.3.3 干法煤气净化技术681

10.3.4 电炉煤气湿法除尘684

10.4 热能利用687

10.4.1 高温烟气余热锅炉和发电687

10.4.2 电炉煤气直燃锅炉发电689

10.4.3 热管热能回收689

10.4.4 燃气发动机发电691

10.4.5 螺杆膨胀动力机的应用693

10.4.6 余热锅炉清灰技术694

10.5 烟气净化697

10.5.1 烟气和烟尘特性697

10.5.2 炉窑烟气除尘699

10.5.3 其他烟气除尘701

10.5.4 烟尘的利用701

10.6 粉尘和炉渣的污染控制703

10.6.1 粉尘中的有害金属703

10.6.2 Cr（Ⅵ）的控制704

10.6.3 锰的危害和污染防控705

参考文献706

11 铁合金工艺计算708

11.1 物料计算708

11.1.1 计算参数的选择708

11.1.2 配料计算709

11.1.3 物料计算误差709

11.1.4 冶炼硅锰合金配料计算710

11.1.5 中低碳锰铁配料计算713

11.2 烟气量和煤气量计算715

11.2.1 密闭电炉煤气量计算715

11.2.2 半密闭电炉烟气量计算719

11.3 物料平衡721

11.4 热平衡计算722

11.4.1 热平衡计算原理722

11.4.2 热平衡计算方法723

11.4.3 锰矿焙烧回转窑热平衡计算（热平衡计算实例1）724

11.4.4 高碳锰铁电炉热平衡计算（热平衡计算实例2）727

11.4.5 75％硅铁热平衡计算（热平衡计算实例3）733

11.5 热平衡测定737

11.5.1 热平衡范围的界定738

11.5.2 数据测定738

11.5.3 物料平衡和热平衡测定739

11.6 理论电耗计算743

参考文献744

附录745

附录1 铁合金电炉参数745

附录2 典型除尘设备参数748

附录3 典型碳质耐火材料性能750

名词术语索引752