[科普中国]-电碳热法

概述

电碳热法(electro-carbonthermic process)是在电炉内以碳质还原剂生产铁合金的方法。它是生产铁台金的主要方法之一。将电能经电极输入埋弧还原电炉内转化为热能，将矿石、碳质还原剂及熔剂的混合料加热至熔化和还原所需要的温度而得到铁合金。

简史在发明发电机和电力工业发展的基础上，才可能发展电冶金工业。1800年戴维(H．Davy)发明了碳电弧，并计划主要用于冶金过程。1878年西门子(w．Siemens)获得了在穿过炉壁的二根水平电极间产生的电弧，用电弧辐射热加热炉料的工业电弧炉的专利；一年后他又获得在坩埚顶部悬挂一根电极和坩埚底部导电的直接电弧加热电弧炉的专利。电弧炉的出现，为冶金工业提供了一种新型冶炼设备。穆瓦桑(H．Moissan)做了一些在电弧炉内用碳还原氧化物的试验，这是电碳热法生产铁合金工艺的先驱性工作。1888～]892年法国埃鲁(P．L．T．Heroult)首创用三相直接电弧炉生产电石。这是电碳热法用于工业生产的首例。这种三相电弧炉亦称埃鲁电弧炉，是现代三相电炉的原型。他在电石生产中解决了电炉设备和生产工艺的问题后，用于生产铁合金。1900～1910年电弧炉才开始用于炼钢。1890～1910年间法国在铁合金工业上做了大量的开发性工作。电碳热法生产铁合金的工艺都是采用焦炭或木炭作还原剂，配加或不加熔剂来冶炼有关的矿石。经过约40年的实践，证明了电碳热法生产铁合金的合理性，从50年代起用电炉生产铁合金并得到了很大的发展。

设备电碳热法生产铁合金的主体设备为埋弧还原电炉及其有关的原料加工、输送，合金浇铸，烟气净化和煤气回收设备1。

生产工艺埋弧还原电炉通电后，将矿石、碳质还原剂、熔剂和铁原料等按配料单称重，混匀后从炉口加入。由于矿石还原生成的合金，脉石与熔剂生成的炉渣下沉至炉底；而还原反应产生的气体，主要是CO穿过料层外泄；炉料体积变小，料面下降，则由炉口继续加盖混合炉料，以保持料面高度；根据熔池体积定时从出铁(渣)口排放合金与炉渣。这种操作方法通称连续冶炼工艺。在开发初期，电碳热法因电炉容量小，热稳定性差，工艺规律未能掌握，如生产电石也不能从炉内排出，只好让电石在炉内冷却并拆炉取出，然后再开始新的一炉冶炼。这种方法称间歇冶炼工艺。此法现在只有积块法冶炼钨铁还在使用。

在矿石纯度高时，如生产硅铁用的硅石含SiO2>97%，脉石数量少，不用添加熔剂，结果产生的炉渣很少，通称无渣法冶炼。如硅铁及工业硅的生产。反之因矿石含有一定数量的脉石，根据需要添加适当数量的熔剂(如石灰、白云石、硅石或铝矾土)，以组成炉渣而获得高质量合金，去除杂质，改进炉渣性能(黏度、表面张力、导电性等)，提高主元素的回收率，或调节主元素在合金与炉渣间的分配比，这种方法称有渣法冶炼。有渣法冶炼又分为废渣法和可返回用楂(富渣)法两种。有渣法冶炼根据添加熔剂数量又分为无熔剂法与少熔剂法(两者炉渣均返回使用)和熔剂法(废渣法)。

热力学分析碳还原氧化物的一般表达式为：MxOy+yC=xM+yCO，或MxOy+(y+n)C=MxCn+yCO。式中M代表金属元素。铁合金工业用电碳热法生产的铁合金主要是硅铁、锰铁、铬铁与硅钙合金，它们的原料都是氧化物矿石。在高温下稳定的氧化物为：SiO2、MnO、Cr2O3、CaO与FeO。图1示出用碳还原这些氧化物反应的。从图1看出这些反应的特点是：

1、所有反应都产生一氧化碳气体，并随时外泄，有利于氧化物还原，因而在高温下还原率高，产出率也高；

2、生成碳化物的反应开始温度低于生成金属的开始温度，所以得到的铁合金含碳量高

3、SiC与SiO2发生二次反应而使SiC破坏，因而硅合金的含碳量较低；

4、由于碳化物的熔点较高，操作不当会给冶炼过程带来碳化物堆集的困扰。

特点电碳热法的特点是：通过供电制度及炉子几何参数的选择，而得到特定的加热温度和反应区域；热源呈化学中性，不影响化学反应性贡；碳的还原效果好；还原反应产生一氧化碳，并及时外泄，有利于氧化物的还原；在氧化物还原的同时不可避免地生成碳化物，所以不能得到低碳产品；当合金含硅时，合金含碳量与含硅量成反比关系；生产规模比较灵活等。

应用碳质还原剂资源丰富，种类较多，容易得到，而且价格低廉。在高温下碳是最有效的还原剂，所以电碳热法在铁合金工业得到广泛的应用。电碳热法生产的铁合金主要有硅铁、高碳锰铁、锰硅合金、高碳铬铁、硅铬合金，还有硅钙合金、镍铁、钨铁、磷铁、硼铁及锆硅铁等