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镍铁合金
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镍铁合金镍铁合金 编辑 讨论 上传视频 镍铁合金就是全部都是合金。镍铁主要成分为镍与铁，同时还含有Cr、Si、S、P、C等杂质元素。铬镍系不锈钢是消费镍的主要不锈钢品种，由于其优异的综合性能，得到广泛应用，占不锈钢总产量的60%～75%。不锈钢产量的增长将拉动镍金属消费量增长。随着金融危机影响的渐渐消退，镍价重回2万美元以上，镍铁合金对降低不锈钢冶炼成本的优势逐渐得到体现，镍铁在不锈钢原料中占据了重要的地位。

组成结构

镍是略带黄色的银白色金属，是一种具有磁性的过渡金属。镍的应用在于镍的抗腐蚀性，合金中添加镍可增强合金的抗腐蚀性能。不锈钢与合金生产领域是镍最广泛应用领域。镍铁主要成分为镍与铁，同时还含有Cr、Si、S、P、C等杂质元素。镍可完全溶解于γ－铁中，在α－铁中的溶解度为10%。根据国际标准（ISO）镍铁按含镍量分为FeNi20（Ni 15%～25%）、FeNi30（Ni 25%～35%）、FeNi40（Ni 35%～45%）和FeNi50（Ni 45%～60%）。又再分为高碳（C 1.0%～2.5%）、中碳（C 0.030%～1.0%）和低碳（C <0.03%）；低磷（P <0.02%）与高磷（P <0.030%）镍铁。

基本用途

镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性，所以镍被称为奥氏体形成元素。含镍量达5%可提高低碳结构钢的抗拉强度和硬度。在碳素钢中含有3%镍，可改善其抗拉强度、冲击韧性、屈服点和变形能力。含镍1%－4%的NiCrMo结构钢，由于这种钢的抗拉强度同质量的比值合适，所以很适于在汽车、机车和机器制造业中。耐磨构件用钢除这几种元素外，还含有碳。最重要的含镍钢种和最大的用户却是不锈钢和耐热特殊钢。例如Cr18Ni9Ti、Cr17Ni11Mo2等一系列耐热不锈钢，热加工性能良好，在机械、医疗、国防、轻工中得到广泛的应用。镍在铸铁中有轻微的石墨化作用，可稳定珠光体和减少铁素体含量。因此铸铁中的镍有助于取得均匀而一体的结构和良好的性能。添加少量的镍（Ni0.1%-1.0%）会导致形成微细的珠光体，当含镍量较高时，会形成马氏体和奥氏体。微细而稳定的珠光体可使铸铁具有良好的加工性能和硬度。因此，加镍铸铁件可用来制造汽车制造业中的铸件。超级不锈钢、镍基合金是一种特种的不锈钢，首先在化学成分上与普通不锈钢不同，是指含高镍，高铬，高钼的一种高合金不锈钢。根据不锈钢材料的显微组织特点，超级不锈钢分为超级铁素体不锈钢、超级奥氏体不锈钢、超级马氏体不锈钢和超级双相不锈钢等几个类型

超级奥氏体不锈钢

在普通奥氏体不锈钢的基础上，通过提高合金的纯度，提高有益元素的数量，降低C含量，防止析出Cr23C6造成晶间腐蚀，获得良好的力学性能、工艺性能和耐局部腐蚀性能，并替代了Ti稳定化不锈钢。

超级铁素体不锈钢

继承了普通铁素体不锈钢强度高、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点，同时改善了铁素体不锈钢的延性—脆性转变、对晶间腐蚀较敏感和焊态的低韧性等局限性。采用精炼技术，降低C和N含量，添加稳定化和焊缝金属韧化元素，可获得高Cr、Mo且超低C、N的超级铁素体不锈钢，使铁素体不锈钢在耐腐蚀、耐氯化物的点蚀和缝隙腐蚀等应用方面进入了一个新的阶段。

超级双相不锈钢

该类钢是20世纪80年代后期发展起来的，牌号主要有SAF2507、UR52N、Zeron100等，其特点是含C量低，含有高Mo和高N，钢中铁素体相含量占40%～45%，具有优良的耐腐蚀性能。

超级马氏体不锈钢

属于可硬化的不锈钢，具有高的硬度、强度和耐磨性能，但韧性和焊接性较差。普通马氏体不锈钢缺乏足够的延展性，在变形过程中对应力十分敏感，冷加工成形比较困难。通过降低含碳量，增加镍含量，可获得超级马氏体不锈钢。近年来，各国在开发低碳、低氮超级马氏体钢方面投入很大，研究出一批不同用途的超级马氏体钢。超级马氏体钢已在石油和天然气开采、储运设备、水力发电、化工及高温纸浆生产设备上得到广泛应用。

功能性不锈钢

随市场需求的变化，各种具有特殊用途和特殊功能的不锈钢不断出现。如新型医用无Ni奥氏体不锈钢材料主要为Cr-Ni奥氏体不锈钢，具有很好的生物相容性，含有13%～15%的Ni。Ni是一种致敏因子，且对生物体有致畸、致癌等危害。含Ni植入不锈钢在体内长期使用，会逐渐被破坏而释放出Ni离子。当Ni离子在植入人体附近组织中富集时，可诱发毒性效应，发生细胞破坏和发炎等不良反应。中国科学院金属研究所开发的Cr-Mn-N型医用无Ni奥氏体不锈钢，经过生物相容性试验，性能优于目前临床使用的Cr-Ni奥氏体不锈钢。再如抗菌不锈钢，随着人们生活水平的提高，人们对所处的环境和自身的健康越来越重视，这促进了抗菌材料的研究与开发。1980年以来，以日本为代表的发达国家在家用电器、食品包装、日用品、洗浴设备等方面开始研究应用抗菌材料。日新制钢株式会社和川崎钢铁公司分别研究出了含Cu和含Ag抗菌不锈钢，含Cu抗菌不锈钢是在不锈钢中加入0.5%～1.0%的Cu，并采取特殊热处理，使不锈钢自表面到内部均匀弥散ε-Cu析出物，起到抗菌作用。这种含Cu抗菌不锈钢适合应用于高级厨房用具等系列产品以及其他要求高加工性和抗菌性等的产品。加Ag抗菌不锈钢对大肠杆菌和黄色葡萄球菌等均具有很高的抗菌效果，特别是在加工研磨或者表面受磨损时，这种材料能始终保持良好的抗菌效果。

氮合金化不锈钢

N作为合金元素加入不锈钢中，可提高奥氏体稳定性，平衡双相钢中相的比例，在不影响钢的塑性和韧性的情况下提高钢的强度和耐蚀性，并可部分代替不锈钢中的Ni。在双相钢中，N延缓金属间化合物弥散析出；在马氏体钢中，N与其他元素形成氮化物分布于晶界上，可以提高硬化能力，防止高温回火时奥氏体、铁素体晶粒的长大。近年来研制的高N含量的奥氏体不锈钢，即高强无磁奥氏体不锈钢，具有高温强度，它将广泛作为低温超导材料、高耐蚀性和无磁性材料应用。

高洁净化不锈钢

目前国内不锈钢厂由于夹杂物导致的产品报废率高达20%以上。因而，不锈钢冶炼过程中以夹杂物控制为中心的高洁净化越来越引起人们的重视。在不锈钢冶炼过程中，内生夹杂物是在脱氧、合金化和钢液结晶时产生的。成品的外来夹杂物是在钢液的冶炼、浇铸和运输中产生的。为获得高洁净度的不锈钢，要注意入炉原料、脱氧剂、脱氧制度、精炼和连铸工艺制度等。

冶炼方法

现代生产镍的方法主要有火法和湿法两种。根据世界上主要两类含镍矿物（含镍的硫化矿和氧化矿）的不同，冶炼处理方法各异。含镍硫化矿主要采用火法处理，通过精矿焙烧反射炉（电炉或鼓风炉）冶炼铜镍硫吹炼镍精矿电解得金属镍。氧化矿主要是含镍红土矿，其品位低，适于湿法处理；主要方法有氨浸法和硫酸法两种。氧化矿的火法处理是镍铁法。虽然红土镍矿处理工艺主要分为湿法冶炼工艺和火法冶炼工艺，但世界范围内比较成熟的利用红土镍矿冶炼镍铁合金的工艺方法仍旧以火法冶炼为主。 火法冶炼镍铁是在高温条件下，以C（或Si）作还原剂，对氧化镍矿中的NiO及其他氧化物（如FeO）进行还原而得。同时采用选择性还原工艺，合理使用还原剂，按还原顺序NiO、FeO、Cr2o3、SiO2进行还原反应。 因不同产地的镍矿成分不同，NiO及各种氧化物之间组成的化合物也有所不同，因而，在镍铁冶炼过程中，其实际反应较复杂。反应生成的Ni和Fe能在不同比例下互溶，生成镍铁。NiO、FeO还原反应开始温度较低，而且，NiO的开始反应温度比FeO约低200℃；因而，火法冶炼镍铁过程中，尽管所采用的镍矿NiO含量较低，但NiO 90%以上被还原，而且，在Ni/Fe很低的情况下，可通过不同的工艺操作，使产品含Ni量提高到较高水平，与铁合金其他产品（如高碳铬铁、锰硅合金等）相比，电炉粗镍冶炼难度相对较低。

镍矿预处理

红土镍矿属非结晶型矿种。不同镍矿类型，成分波动范围为：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%。 红土镍矿另一个特点是水分较高，尤其是中国红土镍矿主要进口国菲律宾和印尼两国气候多雨潮湿，镍矿中水分基本在30~35%范围波动。为确保镍铁冶炼炉况稳定，镍矿在入炉前必须进行脱水，造块处理。不同的镍铁生产厂家对入炉前镍矿的脱水烧结处理普遍使用如下几种预处理方式： ①回转窑烘干→造块→回转窑高温脱水、预热。 ②回转窑烘干→造块→竖炉烧结、预还原。 ③回转窑烘干→脱水、烧结（包括预还原）。 不同的镍矿处理工艺的投资费用及工艺操作难度不同，对整个镍铁冶炼工艺综合能耗及产品质量的影响也有所不同，因而，随着中国镍铁生产的规模化，选择何种镍矿预处理方式，值得分析。

硫化镍精矿的火法冶炼

硫化镍精矿的火法冶炼流程如图29－2所示。其主要工艺特点如下： （1）熔炼。镍精矿经干燥脱硫后即送电炉（或鼓风炉）熔炼，目的是使铜镍的氧化物转变为硫化物，产出低冰镍（铜镍锍），同时脉石造渣。所得到的低冰镍中，镍和铜的总含量为8%－25%（一般为13%－17%），含硫量为25%。 （2）低冰镍的吹炼。吹炼的目的是为了除去铁和一部分硫，得到含铜和镍70%－75%的高冰镍（镍高硫），而不是金属镍。转炉熔炼温度高于1230℃，由于低冰镍品位低，一般吹炼时间较长。 （3）磨浮。高冰镍细磨、破碎后，用浮选和磁选分离，得到含镍67%－68%的镍精矿，同时选出铜精矿和铜镍合金分别回收铜和铂族金属。镍精矿经反射炉熔化得到硫化镍，再送电解精炼或经电炉（或反射炉）还原熔炼得粗镍再电解精炼。 （4）电解精炼。粗镍中除含铜、钻外，还含有金、银和铂族元素，需电解精炼回收。与铜电解不同的是这里采用隔膜电解槽。用粗镍做阳极，阴极为镍始极片，电解液用硫酸盐溶液硫酸盐和氯化盐混合溶液。通电后，阴极析出镍，铂族元素进入阳极泥中，另行回收。产品电镍纯度为99.85%－99.99%。

用火冶法处理氧化镍制取镍铁和金属镍

硅酸氧化矿可以用火冶法熔炼，经还原、熔化和精炼得到镍。还原时要争取使氧化镍完全变为金属镍。熔化时流言蜚语镍铁将同较轻的渣分开。镍铁的含镍量取决于部分还原过程的选择能力。采用焦炭作还原剂，也可采用硅铁作还原剂。为了除去粗镍铁中的杂质碳、硫、磷和铬，必须进行精炼。在电炉中用碳直接部分还原炼制镍铁 在矿热炉中采用碳热法将矿石还原成镍铁，随后进行精炼。 所用矿石的成分为：Ni2.8%,CoO0.06%,Fe13%,Cr2O32%,MgO24%,SiO239%,化合水12%。这种矿石经干燥后，放在回转窑内预热到750℃左右。重油的消耗量为每吨干矿石65-85L。在经预热的热矿石中，加入约4%的焦粉，然后即将这种混合料，放在还原电炉中冶炼。在矿热炉的容量为12500kV.A，电极直径1250mm，炉膛内径11m。冶炼时每吨矿石的耗电量为600kW.h。每天可冶炼450t矿石，镍铁出炉温度为1500℃，出渣温度为1600℃。 炉料中90%以上的镍回收到成分为Ni+Co24%，Si3%，C2%，Cr1.6%，P0.03%的粗镍铁中。在铸桶中用苏打处理两次而将硫除掉，在酸性转炉中把铬、硅、碳和磷吹掉。精炼好的镍铁大约1650℃时出炉， 铸成约20kg重的锭块。最终产品含Ni+Co29%，C0.02%，Cr0.02%，余量为铁。

用冶炼镍锍的方法制取镍丸

采用的方法是，先将矿石作成球团，经烧结后同焦炭和石膏一起加到低炉身电炉中进行还原冶炼。硫酸钙被还原后，与镍和铁反应生成硫化物。约含Ni27%，Fe60%，S10%的铁镍锍，同附加料一起装在转炉中用空气吹炼，使铁渣化，成为约含有Ni78%，S22%的贫铁镍锍。然后采用流化床法在回转窑中将硫焙烧到0.005%以下。这种氧化镍经磨细加糊加粘合剂混合后压成3cm×2cm的圆柱形料块。为种料块经干燥后混加大量木炭，放在加热的立式碳化硅马弗炉中，于约1300下用一氧化碳还原，这种炉子与锌竖罐法用的炉子相似。生产出镍粒约含Ni99%，Cu0.07%，Co0.5%，Fe0.1%，C0.04%，S0.004%。

用硅铁部分还原的方法冶炼镍铁

矿石经在回转窑中干燥后，进行分级，并除掉低品位的粗块，这时的成分大致为：Ni1.65%，Co0.02%，Fe12%，SiO250%，MgO25%，Cr2O31.5%，Al2O31.3%，化合水7%。干燥的矿石经破碎后，筛出小于0.08mm的筛下料，并放在多层焙烧炉中进行预焙烧。筛上料则放在用煤气加热的回转窑中，加热到700℃左右，以除去水分和预热矿石。加热好的热料即送到炉前料仓内，接着再从料仓将料装入14000kV.A开口式电炉中，电炉自焙电极直径约1000mm，并配有水冷炉壁。冶炼每吨矿石的耗电量约为760kW.h，电极消耗量为5kg。往熔化的氧化矿和金属的混合液中添加一种强还原剂，并将矿石、还原剂和液态金属充分混合。还原剂采用含硅50%的硅铁。熔池的搅动是通过在两个铸桶间的快速倒来倒去的方法实现的。 其还原顺序如下： （2Fe2O3）+[FeSi]=4(FeO)+(SiO2)+[Fe] （2NiO）+[FeSi] =2[Ni]+[Fe]+( SiO2) (2FeO)+[FeSi]=3[Fe]+(SiO2) 硅铁中的铁直接进入金属相。来自前步工序的1650℃的液态矿石、硅铁（1.5L/kg液态矿石中的镍）和镍铁，采用在两个铸桶（叫做“跳转混合器”）间倒来倒去的方法进行混合。同硅铁的反应是放热的，所以可防止温度在混合时下降得过多。每操作一次可生产出400kg镍铁，因而在2500kV.A的电炉中要定期装入4000kg精矿用的炉料。粗镍铁含磷达0.4%，这些磷可在电弧炉中，采用氧化钙含量很高的渣，用铁矿石氧化成P2O5后除掉。液态镍铁用硅铁脱氧后铸成13kg重的锭，其大致成分如下，Ni48%,S0.005%,P0.01%,C0.02%,Cr0.02%，Si0.9%,Co0.5%，Cu0.1%，其余为铁。

发展前景

全球约2/3的镍用于不锈钢生产，因此不锈钢行业对镍消费的影响居第l位。全球有色金属中，镍的消费量仅次于铜、铝、铅、锌，居有色金属第5位。因此，镍被视为重要战略物资，一直为各国所重视。国内厂家生产的镍铁品位主要集中在1.6～2.0%、4～8%以及10～15%，同时也有小部分厂家能生产含镍量在20%以上的镍铁。 世界上可开采的镍资源有二类，一类是硫化矿床，另一类是氧化矿床。由于硫化镍矿资源品质好，工艺技术成熟，现约60%~70%的镍产量来源于硫化镍矿。而世界上镍储量的65%左右贮存在氧化镍矿床中，由于其因含有氧化铁的缘故而呈红色，因此也俗称红土镍矿。发现的红土镍矿多分布在南、北回归线一带，如澳大利亚、巴布亚新几内亚、新喀里多尼亚、印度尼西亚、菲律宾和古巴等地。

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