鉻鎳鐵合金

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鎳鐵合金是一種合金。主要成分為鎳與鐵，同時還含有Cr、Si、S、P、C等雜質元素。鉻鎳系不鏽鋼是消費鎳的主要不鏽鋼品種，由於其優異的綜合性能，得到廣泛應用，占不鏽鋼總產量的60%～75%。不鏽鋼產量的增長將拉動鎳金屬消費量增長。隨着金融危機影響的漸漸消退，鎳價重回2萬美元以上，鎳鐵合金對降低不鏽鋼冶煉成本的優勢逐漸得到體現，鎳鐵在不鏽鋼原料中占據了重要的地位 。

中文名:鎳鐵合金

外文名:Inconel

適用領域:冶金工業所屬

學科金屬:材料學

顏 色:銀白色

分 類:材料

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目錄

組成結構

鎳是略帶黃色的銀白色金屬，是一種具有磁性的過渡金屬。鎳的應用在於鎳的抗腐蝕性，合金中添加鎳可增強合金的抗腐蝕性能。不鏽鋼與合金生產領域是鎳最廣泛應用領域 。

鎳鐵主要成分為鎳與鐵，同時還含有Cr、Si、S、P、C等雜質元素。鎳可完全溶解於γ－鐵中，在α－鐵中的溶解度為10%。根據國際標準（ISO）鎳鐵按含鎳量分為FeNi20（Ni 15%～25%）、FeNi30（Ni 25%～35%）、FeNi40（Ni 35%～45%）和FeNi50（Ni 45%～60%）。又再分為高碳（C 1.0%～2.5%）、中碳（C 0.030%～1.0%）和低碳（C <0.03%）；低磷（P <0.02%）與高磷（P <0.030%）鎳鐵。

基本用途

鎳在不鏽鋼中的主要作用在於它改變了鋼的晶體結構。在不鏽鋼中增加鎳的一個主要原因就是形成奧氏體晶體結構，從而改善諸如可塑性、可焊接性和韌性等不鏽鋼的屬性，所以鎳被稱為奧氏體形成元素。

含鎳量達5%可提高低碳結構鋼的抗拉強度和硬度。在碳素鋼中含有3%鎳，可改善其抗拉強度、衝擊韌性、屈服點和變形能力。含鎳1%－4%的NiCrMo結構鋼，由於這種鋼的抗拉強度同質量的比值合適，所以很適於在汽車、機車和機器製造業中。耐磨構件用鋼除這幾種元素外，還含有碳。最重要的含鎳鋼種和最大的用戶卻是不鏽鋼和耐熱特殊鋼。例如Cr18Ni9Ti、Cr17Ni11Mo2等一系列耐熱不鏽鋼，熱加工性能良好，在機械、醫療、國防、輕工中得到廣泛的應用。

鎳在鑄鐵中有輕微的石墨化作用，可穩定珠光體和減少鐵素體含量。因此鑄鐵中的鎳有助於取得均勻而一體的結構和良好的性能。添加少量的鎳（Ni0.1%-1.0%）會導致形成微細的珠光體，當含鎳量較高時，會形成馬氏體和奧氏體。微細而穩定的珠光體可使鑄鐵具有良好的加工性能和硬度。因此，加鎳鑄鐵件可用來製造汽車製造業中的鑄件。

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冶煉方法

現代生產鎳的方法主要有火法和濕法兩種。根據世界上主要兩類含鎳礦物（含鎳的硫化礦和氧化礦）的不同，冶煉處理方法各異。含鎳硫化礦主要採用火法處理，通過精礦焙燒反射爐（電爐或鼓風爐）冶煉銅鎳硫吹煉鎳精礦電解得金屬鎳。氧化礦主要是含鎳紅土礦，其品位低，適於濕法處理；主要方法有氨浸法和硫酸法兩種。氧化礦的火法處理是鎳鐵法。 雖然紅土鎳礦處理工藝主要分為濕法冶煉工藝和火法冶煉工藝，但世界範圍內比較成熟的利用紅土鎳礦冶煉鎳鐵合金的工藝方法仍舊以火法冶煉為主。 火法冶煉鎳鐵是在高溫條件下，以C（或Si）作還原劑，對氧化鎳礦中的NiO及其他氧化物（如FeO）進行還原而得。同時採用選擇性還原工藝，合理使用還原劑，按還原順序NiO、FeO、Cr2o3、SiO2進行還原反應。 因不同產地的鎳礦成分不同，NiO及各種氧化物之間組成的化合物也有所不同，因而，在鎳鐵冶煉過程中，其實際反應較複雜。反應生成的Ni和Fe能在不同比例下互溶，生成鎳鐵。

NiO、FeO還原反應開始溫度較低，而且，NiO的開始反應溫度比FeO約低200℃；因而，火法冶煉鎳鐵過程中，儘管所採用的鎳礦NiO含量較低，但NiO 90%以上被還原，而且，在Ni/Fe很低的情況下，可通過不同的工藝操作，使產品含Ni量提高到較高水平，與鐵合金其他產品（如高碳鉻鐵、錳硅合金等）相比，電爐粗鎳冶煉難度相對較低 。

工藝操作

鎳礦預處理

紅土鎳礦屬非結晶型礦種。不同鎳礦類型，成分波動範圍為：Ni 0.87%～3.85%，Fe 6%～50%，MgO 1.5%～32%，Si02 5%～58%，Al2o3 1%～15%，P 0.000 4%～0.000 2%，S 0.00l%～0.08%。 紅土鎳礦另一個特點是水分較高，尤其是中國紅土鎳礦主要進口國菲律賓和印尼兩國氣候多雨潮濕，鎳礦中水分基本在30~35%範圍波動。為確保鎳鐵冶煉爐況穩定，鎳礦在入爐前必須進行脫水，造塊處理。不同的鎳鐵生產廠家對入爐前鎳礦的脫水燒結處理普遍使用如下幾種預處理方式：

①迴轉窯烘乾→造塊→迴轉窯高溫脫水、預熱。

②迴轉窯烘乾→造塊→豎爐燒結、預還原。

③迴轉窯烘乾→脫水、燒結（包括預還原）。 不同的鎳礦處理工藝的投資費用及工藝操作難度不同，對整個鎳鐵冶煉工藝綜合能耗及產品質量的影響也有所不同，因而，隨着中國鎳鐵生產的規模化，選擇何種鎳礦預處理方式，值得分析。

硫化鎳精礦的火法冶煉

硫化鎳精礦的火法冶煉流程如圖29－2所示。其主要工藝特點如下：

（1）熔煉。鎳精礦經乾燥脫硫後即送電爐（或鼓風爐）熔煉，目的是使銅鎳的氧化物轉變為硫化物，產出低冰鎳（銅鎳鋶），同時脈石造渣。所得到的低冰鎳中，鎳和銅的總含量為8%－25%（一般為13%－17%），含硫量為25%。

（2）低冰鎳的吹煉。吹煉的目的是為了除去鐵和一部分硫，得到含銅和鎳70%－75%的高冰鎳（鎳高硫），而不是金屬鎳。轉爐熔煉溫度高於1230℃，由於低冰鎳品位低，一般吹煉時間較長。 （3）磨浮。高冰鎳細磨、破碎後，用浮選和磁選分離，得到含鎳67%－68%的鎳精礦，同時選出銅精礦和銅鎳合金分別回收銅和鉑族金屬。鎳精礦經反射爐熔化得到硫化鎳，再送電解精煉或經電爐（或反射爐）還原熔煉得粗鎳再電解精煉。 （4）電解精煉。粗鎳中除含銅、鑽外，還含有金、銀和鉑族元素，需電解精煉回收。與銅電解不同的是這裡採用隔膜電解槽。用粗鎳做陽極，陰極為鎳始極片，電解液用硫酸鹽溶液硫酸鹽和氯化鹽混合溶液。通電後，陰極析出鎳，鉑族元素進入陽極泥中，另行回收。產品電鎳純度為99.85%－99.99%。

用火冶法處理氧化鎳製取鎳鐵和金屬鎳

硅酸氧化礦可以用火冶法熔煉，經還原、熔化和精煉得到鎳。還原時要爭取使氧化鎳完全變為金屬鎳。熔化時流言蜚語鎳鐵將同較輕的渣分開。鎳鐵的含鎳量取決於部分還原過程的選擇能力。採用焦炭作還原劑，也可採用硅鐵作還原劑。為了除去粗鎳鐵中的雜質碳、硫、磷和鉻，必須進行精煉。

在電爐中用碳直接部分還原煉製鎳鐵 在礦熱爐中採用碳熱法將礦石還原成鎳鐵，隨後進行精煉。

所用礦石的成分為：Ni2.8%,CoO0.06%,Fe13%,Cr2O32%,MgO24%,SiO239%,化合水12%。這種礦石經乾燥後，放在迴轉窯內預熱到750℃左右。重油的消耗量為每噸干礦石65-85L。在經預熱的熱礦石中，加入約4%的焦粉，然後即將這種混合料，放在還原電爐中冶煉。在礦熱爐的容量為12500kV.A，電極直徑1250mm，爐膛內徑11m。冶煉時每噸礦石的耗電量為600kW.h。每天可冶煉450t礦石，鎳鐵出爐溫度為1500℃，出渣溫度為1600℃。

爐料中90%以上的鎳回收到成分為Ni+Co24%，Si3%，C2%，Cr1.6%，P0.03%的粗鎳鐵中。

在鑄桶中用蘇打處理兩次而將硫除掉，在酸性轉爐中把鉻、硅、碳和磷吹掉。精煉好的鎳鐵大約1650℃時出爐， 鑄成約

20kg重的錠塊。最終產品含Ni+Co29%，C0.02%，Cr0.02%，餘量為鐵。

用冶煉鎳鋶的方法製取鎳丸

採用的方法是，先將礦石作成球團，經燒結後同焦炭和石膏一起加到低爐身電爐中進行還原冶煉。硫酸鈣被還原後，與鎳和鐵反應生成硫化物。約含Ni27%，Fe60%，S10%的鐵鎳鋶，同附加料一起裝在轉爐中用空氣吹煉，使鐵渣化，成為約含有Ni78%，S22%的貧鐵鎳鋶。然後採用流化床法在迴轉窯中將硫焙燒到0.005%以下。這種氧化鎳經磨細加糊加粘合劑混合後壓成3cm×2cm的圓柱形料塊。

為種料塊經乾燥後混加大量木炭，放在加熱的立式碳化硅馬弗爐中，於約1300下用一氧化碳還原，這種爐子與鋅豎罐法用的爐子相似。生產出鎳粒約含Ni99%，Cu0.07%，Co0.5%，Fe0.1%，C0.04%，S0.004%。

用硅鐵部分還原的方法冶煉鎳鐵

礦石經在迴轉窯中乾燥後，進行分級，並除掉低品位的粗塊，這時的成分大致為：Ni1.65%，Co0.02%，Fe12%，SiO250%，MgO25%，Cr2O31.5%，Al2O31.3%，化合水7%。

乾燥的礦石經破碎後，篩出小於0.08mm的篩下料，並放在多層焙燒爐中進行預焙燒。篩上料則放在用煤氣加熱的迴轉窯中，加熱到700℃左右，以除去水分和預熱礦石。加熱好的熱料即送到爐前料倉內，接着再從料倉將料裝入14000kV.A開口式電爐中，電爐自焙電極直徑約1000mm，並配有水冷爐壁。冶煉每噸礦石的耗電量約為760kW.h，電極消耗量為5kg。 往熔化的氧化礦和金屬的混合液中添加一種強還原劑，並將礦石、還原劑和液態金屬充分混合。還原劑採用含硅50%的硅鐵。熔池的攪動是通過在兩個鑄桶間的快速倒來倒去的方法實現的。

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其還原順序如下：

（2Fe2O3）+[FeSi]=4(FeO)+(SiO2)+[Fe]

（2NiO）+[FeSi] =2[Ni]+[Fe]+( SiO2)

(2FeO)+[FeSi]=3[Fe]+(SiO2)

硅鐵中的鐵直接進入金屬相。來自前步工序的1650℃的液態礦石、硅鐵（1.5L/kg液態礦石中的鎳）和鎳鐵， 郭培民，趙沛，龐建明. 高爐冶煉紅土礦生產鎳鐵合金關鍵技術分析與發展方向． 《 CNKI;WanFang 》 ， 2011]</ref>

鉻鎳鐵合金

採用在兩個鑄桶（叫做「跳轉混合器」）間倒來倒去的方法進行混合。同硅鐵的反應是放熱的，所以可防止溫度在混合時下降得過多。每操作一次可生產出400kg鎳鐵，因而在2500kV.A的電爐中要定期裝入4000kg精礦用的爐料。

粗鎳鐵含磷達0.4%，這些磷可在電弧爐中，採用氧化鈣含量很高的渣，用鐵礦石氧化成P2O5後除掉。液態鎳鐵用硅鐵脫氧後鑄成13kg重的錠，其大致成分如下，Ni48%,S0.005%,P0.01%,C0.02%,Cr0.02%，Si0.9%,Co0.5%，Cu0.1%，其餘為鐵。

發展前景

全球約2/3的鎳用於不鏽鋼生產，因此不鏽鋼行業對鎳消費的影響居第l位。全球有色金屬中，鎳的消費量僅次於銅、鋁、鉛、鋅，居有色金屬第5位。因此，鎳被視為重要戰略物資，一直為各國所重視。 國內廠家生產的鎳鐵品位主要集中在1.6～2.0%、4～8%以及10～15%，同時也有小部分廠家能生產含鎳量在20%以上的鎳鐵。 世界上可開採的鎳資源有二類，一類是硫化礦床，另一類是氧化礦床。由於硫化鎳礦資源品質好，工藝技術成熟，現約60%~70%的鎳產量來源於硫化鎳礦。而世界上鎳儲量的65%左右貯存在氧化鎳礦床中，由於其因含有氧化鐵的緣故而呈紅色，因此也俗稱紅土鎳礦。發現的紅土鎳礦多分布在南、北回歸線一帶，如澳大利亞、巴布亞新幾內亞、新喀里多尼亞、印度尼西亞、菲律賓和古巴等地。