電碳熱法(electro-carbonthermic process)是在電爐內以碳質還原劑生產鐵合金的方法。它是生產鐵台金的主要方法之一。
基本介紹
- 中文名：電碳熱法
- 外文名：electro-carbonthermic process
- 用途：生產鐵合金
- 設備：埋弧還原電爐
- 功能：以碳質還原劑生產鐵合金的方法
- 分類：冶金工程
概述,簡史,設備,生產工藝,熱力學分析,特點,套用,
概述
電碳熱法(electro-carbonthermic process)是在電爐內以碳質還原劑生產鐵合金的方法。它是生產鐵台金的主要方法之一。將電能經電極輸入埋弧還原電爐內轉化為熱能，將礦石、碳質還原劑及熔劑的混合料加熱至熔化和還原所需要的溫度而得到鐵合金。
簡史
在發明發電機和電力工業發展的基礎上，才可能發展電冶金工業。1800年戴維(H．Davy)發明了碳電弧，並計畫主要用於冶金過程。1878年西門子(w．Siemens)獲得了在穿過爐壁的二根水平電極間產生的電弧，用電弧輻射熱加熱爐料的工業電弧爐的專利；一年後他又獲得在坩堝頂部懸掛一根電極和坩堝底部導電的直接電弧加熱電弧爐的專利。電弧爐的出現，為冶金工業提供了一種新型冶煉設備。穆瓦桑(H．Moissan)做了一些在電弧爐內用碳還原氧化物的試驗，這是電碳熱法生產鐵合金工藝的先驅性工作。1888～]892年法國埃魯(P．L．T．Heroult)首創用三相直接電弧爐生產電石。這是電碳熱法用於工業生產的首例。這種三相電弧爐亦稱埃魯電弧爐，是現代三相電爐的原型。他在電石生產中解決了電爐設備和生產工藝的問題後，用於生產鐵合金。1900～1910年電弧爐才開始用於煉鋼。1890～1910年間法國在鐵合金工業上做了大量的開發性工作。電碳熱法生產鐵合金的工藝都是採用焦炭或木炭作還原劑，配加或不加熔劑來冶煉有關的礦石。經過約40年的實踐，證明了電碳熱法生產鐵合金的合理性，從50年代起用電爐生產鐵合金並得到了很大的發展。
設備
電碳熱法生產鐵合金的主體設備為埋弧還原電爐及其有關的原料加工、輸送，合金澆鑄，煙氣淨化和煤氣回收設備。
生產工藝
埋弧還原電爐通電後，將礦石、碳質還原劑、熔劑和鐵原料等按配料單稱重，混勻後從爐口加入。由於礦石還原生成的合金，脈石與熔劑生成的爐渣下沉至爐底；而還原反應產生的氣體，主要是CO穿過料層外泄；爐料體積變小，料面下降，則由爐口繼續加蓋混合爐料，以保持料面高度；根據熔池體積定時從出鐵(渣)口排放合金與爐渣。這種操作方法通稱連續冶煉工藝。在開發初期，電碳熱法因電爐容量小，熱穩定性差，工藝規律未能掌握，如生產電石也不能從爐內排出，只好讓電石在爐內冷卻並拆爐取出，然後再開始新的一爐冶煉。這種方法稱間歇冶煉工藝。此法現在只有積塊法冶煉鎢鐵還在使用。
在礦石純度高時，如生產矽鐵用的矽石含SiO2>97%，脈石數量少，不用添加熔劑，結果產生的爐渣很少，通稱無渣法冶煉。如矽鐵及工業矽的生產。反之因礦石含有一定數量的脈石，根據需要添加適當數量的熔劑(如石灰、白雲石、矽石或鋁礬土)，以組成爐渣而獲得高質量合金，去除雜質，改進爐渣性能(黏度、表面張力、導電性等)，提高主元素的回收率，或調節主元素在合金與爐渣間的分配比，這種方法稱有渣法冶煉。有渣法冶煉又分為廢渣法和可返回用楂(富渣)法兩種。有渣法冶煉根據添加熔劑數量又分為無熔劑法與少熔劑法(兩者爐渣均返回使用)和熔劑法(廢渣法)。
熱力學分析
碳還原反應1、所有反應都產生一氧化碳氣體，並隨時外泄，有利於氧化物還原，因而在高溫下還原率高，產出率也高；
2、生成碳化物的反應開始溫度低於生成金屬的開始溫度，所以得到的鐵合金含碳量高
3、SiC與SiO2發生二次反應而使SiC破壞，因而矽合金的含碳量較低；
4、由於碳化物的熔點較高，操作不當會給冶煉過程帶來碳化物堆集的困擾。
特點
電碳熱法的特點是：通過供電制度及爐子幾何參數的選擇，而得到特定的加熱溫度和反應區域；熱源呈化學中性，不影響化學反應性貢；碳的還原效果好；還原反應產生一氧化碳，並及時外泄，有利於氧化物的還原；在氧化物還原的同時不可避免地生成碳化物，所以不能得到低碳產品；當合金含矽時，合金含碳量與含矽量成反比關係；生產規模比較靈活等。
套用
碳質還原劑資源豐富，種類較多，容易得到，而且價格低廉。在高溫下碳是最有效的還原劑，所以電碳熱法在鐵合金工業得到廣泛的套用。電碳熱法生產的鐵合金主要有矽鐵、高碳錳鐵、錳矽合金、高碳鉻鐵、矽鉻合金，還有矽鈣合金、鎳鐵、鎢鐵、磷鐵、硼鐵及鋯矽鐵等
