铁合金真空冶炼车间设计

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engineering design of ferroalloy plant by vacuum method

简介

采用真空固态脱碳冶炼工艺生产铁合金的车间设计。主要生产品种为微碳铬铁，还可用来生产氮化铬铁、氮化锰铁这种微碳铬铁尽管含碳很低，但也存在着密度小、夹杂多等的不足，如用户不要求产品含碳很低时，不宜多采用。车间设计内容包括产品方案与设计规模、工艺流程与主体设备、车间组成与布置、主要技术经济指标等。

简史 20世纪40年代，美国开始研究将真空技术用于铁合金生产。于1953年，在美国俄亥俄州的马里塔(Marietta)厂建成真空电阻炉大型车间，采用真空固态脱碳法，生产纯净铬铁(Simplex-Ferrochrom)即真空微碳铬铁。50年代末，中国开始进行真空微碳铬铁的试验研究，60年代建造了小型试验装置，并进入半工业性试验，70年代建成大型工业性试验车间，1977年投入工业生产。

产品方案与设计规模 真空冶炼工艺可生产真空微碳铬铁，也可生产氮化铬铁、氮化锰铁。

真空微碳铬铁的主要化学成分是Cr65.0%～67.0%、C0.01%～0.03%、Si<1.0%～2.0%、P<0.025%～0.035%、S<0.03%～0.04%、非金属夹杂物<2.0%～4.0%。又称超微碳铬铁。

氮化铬铁的主要化学成分为Cr≥60.0%、N≥5.0%、C<0.03%～0.10%、Si<2.5%、P<0.03%、S<0.04%。对于固态渗氮后重熔的产品，其化学成分有变化：N≥3.0%(不包括吸附氮量);Si<1.5%。

车间设计规模应依据产品市场需求情况而定，中国现有工业生产车间年产真空微碳铬铁为2000～2500t。

工艺流程与主体设备 真空固态脱碳法是以还原电炉车间生产的高碳铬铁为原料，将破碎磨细的高碳铬铁粉分为两部分，一部分经氧化焙烧成为载氧体(也可采用其他氧化物，如SiO₂、Cr₂O₃、FeO等作为载氧体)，然后将另一部分未焙烧的高碳铬铁粉按控制物料中的氧碳比，配入一定比例的焙烧后的载氧高碳铬铁粉，再加入适量的粘结剂，混合均匀压成圆柱体或砖块状体(又称料块)，装在料盘上，送入真空电阻炉，通电抽真空，进行固态脱碳反应，获得真空微碳铬铁。如果在真空冶炼后期充入氮气，可获得固态渗氮的氮化铬铁。必要时也可经重熔处理，以除去非金属夹杂物。其生产工艺流程见图1。

铁合金真空冶炼车间的主体设备为真空电阻炉，其整套设备包括炉体及其附属设备(电炉变压器、真空抽气设备，当需要生产氮化铬铁时还有充氮装置)等。其炉体外形为一个横卧的圆筒，炉壳用双层钢板焊制，中间通水冷却，炉衬用高铝砖砌筑，炉内横向装有多支水平放置的石墨棒作为加热元件，两端用水冷夹头通过导电铜管，铜排与多级有载调压变压器相连接，电流流经石墨棒产生电阻热，通过辐射对料块加热。70年代中国建造的最大的真空电阻炉容量为6000kV·A，炉体长15m，直径为3.6m。真空电阻炉的剖面如图2所示。

图1 真空固态脱碳及渗氮工艺流程图

图2 真空电阻炉剖面图

1—底座;2—炉壳;3—炉衬;4—料盘;5—石墨电极;6—导电装置;7—真空抽气孔

车间组成与布置 生产车间一般由原料制备及真空冶炼两部分组成。通常布置在相互毗邻的双跨单层厂房内。(1)原料制备间设有高碳铬铁的破碎机、球磨机、氧化焙烧回转窑、配料设备和混料设备等。生产过程中粉尘多、噪声大，应有消烟除尘设施。(2)真空冶炼间设有料块压型设备、干燥设备以及真空电阻炉等，属于高温车间。为充分发挥电炉变压器的生产潜力，往往一套供电设备设两个炉体，以便交替生产，提高生产能力。

为防止生产中两跨间互相干扰，应设墙分隔。电阻炉供电设施及真空泵房可设于偏跨或端头。

主要技术经济指标 中国6000kV·A真空电阻炉冶炼微碳铬铁主要技术经济指标为：