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鎳鐵合金
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鎳鐵合金鎳鐵合金 編輯 討論 上傳視頻 鎳鐵合金就是全部都是合金。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。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。

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。超級不鏽鋼、鎳基合金是一種特種的不鏽鋼，首先在化學成分上與普通不鏽鋼不同，是指含高鎳，高鉻，高鉬的一種高合金不鏽鋼。根據不鏽鋼材料的顯微組織特點，超級不鏽鋼分為超級鐵素體不鏽鋼、超級奧氏體不鏽鋼、超級馬氏體不鏽鋼和超級雙相不鏽鋼等幾個類型

超級奧氏體不鏽鋼

在普通奧氏體不鏽鋼的基礎上，通過提高合金的純度，提高有益元素的數量，降低C含量，防止析出Cr23C6造成晶間腐蝕，獲得良好的力學性能、工藝性能和耐局部腐蝕性能，並替代了Ti穩定化不鏽鋼。

超級鐵素體不鏽鋼

繼承了普通鐵素體不鏽鋼強度高、抗氧化性好、抗應力腐蝕優良等特點，同時改善了鐵素體不鏽鋼的延性—脆性轉變、對晶間腐蝕較敏感和焊態的低韌性等局限性。採用精煉技術，降低C和N含量，添加穩定化和焊縫金屬韌化元素，可獲得高Cr、Mo且超低C、N的超級鐵素體不鏽鋼，使鐵素體不鏽鋼在耐腐蝕、耐氯化物的點蝕和縫隙腐蝕等應用方面進入了一個新的階段。

超級雙相不鏽鋼

該類鋼是20世紀80年代後期發展起來的，牌號主要有SAF2507、UR52N、Zeron100等，其特點是含C量低，含有高Mo和高N，鋼中鐵素體相含量占40%～45%，具有優良的耐腐蝕性能。

超級馬氏體不鏽鋼

屬於可硬化的不鏽鋼，具有高的硬度、強度和耐磨性能，但韌性和焊接性較差。普通馬氏體不鏽鋼缺乏足夠的延展性，在變形過程中對應力十分敏感，冷加工成形比較困難。通過降低含碳量，增加鎳含量，可獲得超級馬氏體不鏽鋼。近年來，各國在開發低碳、低氮超級馬氏體鋼方面投入很大，研究出一批不同用途的超級馬氏體鋼。超級馬氏體鋼已在石油和天然氣開採、儲運設備、水力發電、化工及高溫紙漿生產設備上得到廣泛應用。

功能性不鏽鋼

隨市場需求的變化，各種具有特殊用途和特殊功能的不鏽鋼不斷出現。如新型醫用無Ni奧氏體不鏽鋼材料主要為Cr-Ni奧氏體不鏽鋼，具有很好的生物相容性，含有13%～15%的Ni。Ni是一種致敏因子，且對生物體有致畸、致癌等危害。含Ni植入不鏽鋼在體內長期使用，會逐漸被破壞而釋放出Ni離子。當Ni離子在植入人體附近組織中富集時，可誘發毒性效應，發生細胞破壞和發炎等不良反應。中國科學院金屬研究所開發的Cr-Mn-N型醫用無Ni奧氏體不鏽鋼，經過生物相容性試驗，性能優於目前臨床使用的Cr-Ni奧氏體不鏽鋼。再如抗菌不鏽鋼，隨着人們生活水平的提高，人們對所處的環境和自身的健康越來越重視，這促進了抗菌材料的研究與開發。1980年以來，以日本為代表的發達國家在家用電器、食品包裝、日用品、洗浴設備等方面開始研究應用抗菌材料。日新制鋼株式會社和川崎鋼鐵公司分別研究出了含Cu和含Ag抗菌不鏽鋼，含Cu抗菌不鏽鋼是在不鏽鋼中加入0.5%～1.0%的Cu，並採取特殊熱處理，使不鏽鋼自表面到內部均勻彌散ε-Cu析出物，起到抗菌作用。這種含Cu抗菌不鏽鋼適合應用於高級廚房用具等系列產品以及其他要求高加工性和抗菌性等的產品。加Ag抗菌不鏽鋼對大腸桿菌和黃色葡萄球菌等均具有很高的抗菌效果，特別是在加工研磨或者表面受磨損時，這種材料能始終保持良好的抗菌效果。

氮合金化不鏽鋼

N作為合金元素加入不鏽鋼中，可提高奧氏體穩定性，平衡雙相鋼中相的比例，在不影響鋼的塑性和韌性的情況下提高鋼的強度和耐蝕性，並可部分代替不鏽鋼中的Ni。在雙相鋼中，N延緩金屬間化合物彌散析出；在馬氏體鋼中，N與其他元素形成氮化物分布於晶界上，可以提高硬化能力，防止高溫回火時奧氏體、鐵素體晶粒的長大。近年來研製的高N含量的奧氏體不鏽鋼，即高強無磁奧氏體不鏽鋼，具有高溫強度，它將廣泛作為低溫超導材料、高耐蝕性和無磁性材料應用。

高潔淨化不鏽鋼

目前國內不鏽鋼廠由於夾雜物導致的產品報廢率高達20%以上。因而，不鏽鋼冶煉過程中以夾雜物控制為中心的高潔淨化越來越引起人們的重視。在不鏽鋼冶煉過程中，內生夾雜物是在脫氧、合金化和鋼液結晶時產生的。成品的外來夾雜物是在鋼液的冶煉、澆鑄和運輸中產生的。為獲得高潔淨度的不鏽鋼，要注意入爐原料、脫氧劑、脫氧制度、精煉和連鑄工藝制度等。

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。

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。 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，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。

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