CN111439753B - 一种利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法 - Google Patents

一种利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法，将氧化铬和碳粉按比例充分混合均匀，喷洒结合剂木质素，压柱烘干，装入电弧炉中，并加入熔剂二铝酸钙或铝酸钙，引弧冶炼，冶炼温度控制在1500℃～2000℃，冶炼时间控制在3h～12h，将冶炼完毕的液态混合熔体倾倒在容器中，将容器中的碳化铬与二铝酸钙/铝酸钙缓慢降温200℃以下，保证晶格生长时间控制在24h～96h；渣铁分离，破碎、精整，得到碳化铬。优点是：以氧化铬和碳粉为原料，采用电弧炉冶炼生产，获得的碳化铬为斜方晶系，密度为6.68g/cm3，且工艺简单，对原料要求不高，无游离碳生成，无需严格控制配碳量，且产品内的金属Al、Si和非金属杂质S、P含量较低。

Description

一种利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法
技术领域
本发明涉及一种利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法。
背景技术
碳化铬，斜方晶系，含碳量13.3％，结晶结构：a＝2.821，b＝5.52，c＝11.46，相对密度6.68g/cm3、熔点1890℃、沸点3800℃、热膨胀系数10.3×10-6/K。斜方晶系碳化铬在1000℃～1100℃高温环境下具有良好的耐磨、耐腐蚀、抗氧化的高熔点的材料，与镍铬合金制得的硬质合金颗粒，采用等离子喷涂法，可作为耐高温、耐磨、耐氧化与耐酸涂层，广泛用在飞机发动机和石油化工机械器件上，可大大提高机械的寿命。
目前，碳化铬的生产主要采用真空炉，其生产工艺主要有以下两种：一种是用氧化铬为原料与碳粉混合压柱，装入真空炉内，温度控制1100～1600℃，压力10～60Pa，冶炼时间8～60h。得到含碳12～13.2％，游离碳≤0.3％，含铬88～85.8％，相对密度6.613g/cm3，斜方晶系。缺点是：1.由于是真空条件下的固态反应，游离碳不能剔除，影响使用效果；2.因碳化铬生成是柱体的颗粒状态，磨粉时只能将粒度控制在≥200目，不能磨粉至＜200目，使用范围窄；3.非金属杂质高，如：S、P含量高；4.密度小于6.613g/cm3，未达到优质碳化铬6.68g/cm3。另一种是用粉状金属铬为原料与碳粉混合压柱，装入真空炉内，温度控制1400～1600℃，压力10～60Pa，时间8～48h。得到含碳9～18％，游离碳≤0.3％，含铬91～82％，相对密度6.68/cm3，结晶：晶格为正反。缺点是：1.游离碳不能剔除，影响使用效果；2.由于使用的原料粉状金属铬含Al、Fe、Si高，不能出掉，直接带入碳化铬产品中，使用范围窄；3.非金属杂质高，如：S、P含量高；4.晶格为二维正反晶型，未生成斜方晶型a＝2.821，b＝5.52，c＝11.46。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法，以氧化铬和碳粉为原料，采用电弧炉冶炼生产，获得的碳化铬为斜方晶系，密度为6.68g/cm3，且工艺简单，对原料要求不高，无游离碳生成，无需严格控制配碳量，且产品内的金属Al、Si和非金属杂质S、P含量较低。
本发明的技术方案是：
一种利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法，具体步骤如下：
(1)将氧化铬和碳粉按比例充分混合均匀，喷洒结合剂木质素，压柱烘干，得到氧化铬-碳粉圆柱；
(2)将氧化铬-碳粉圆柱装入电弧炉中，并加入熔剂，所述熔剂为二铝酸钙或铝酸钙，其中，氧化铬-碳粉圆柱与熔剂的质量比为1:1～1:10；引弧冶炼，冶炼温度控制在1500℃～2000℃，冶炼时间控制在3h～12h，将冶炼完毕的液态碳化铬与二铝酸钙/铝酸钙混合熔体倾倒在容器中，由于碳化铬的密度远远大于二铝酸钙/铝酸钙密度，可将沉积到容器的碳化铬与二铝酸钙/铝酸钙分层，利于分离处理，将容器中的碳化铬与二铝酸钙/铝酸钙缓慢降温200℃以下，保证晶格生长时间控制在24h～96h，生成为：a＝2.821，b＝5.52，c＝11.46斜方晶体碳化铬；将冷却完毕的碳化铬与二铝酸钙/铝酸钙从冷却器中倒出，渣铁分离；得到固态碳化铬，进行破碎、精整，粒度可根据用户需求，可提供40～600目的不同粒度级产品。
进一步的，所述氧化硅-碳粉圆柱的尺寸为
Figure BDA0002509778970000021
高为20mm～40mm。
进一步的，步骤(1)中氧化铬和碳粉的质量比为100:20～100:40。
进一步的，所述氧化铬和碳粉的总质量与木质素的质量比为100:4～100:10。
进一步的，二铝酸钙或铝酸钙中的铁、硅杂质元素均控制在质量含量为0.05％～0.1％。
所述二铝酸钙或铝酸钙粒度为≤50mm。
本发明生产碳化铬的化学反应式：
2/3Cr2O3+26/9C＝4/9Cr3C2+2CO↑；
△G㈠＝506900-366.05T1开，T1开＝1385k，C占比率＝13.3％。
2/3Cr2O3+18/7C＝4/21Cr7C3+2CO↑；
△G㈠＝521920-359.11T2开，T2开＝1453k，C占比率＝9％。
本发明是利用电弧炉冶炼生产碳化铬，其优点有：
(1)以碳粉还原氧化铬的方式生产碳化铬，能够控制碳化铬的晶体生产为斜方晶系，晶型a＝2.821，b＝5.52，c＝11.46；采用电弧炉冶炼，一部分碳化铬和碳粉在固-固状态下反应，随着电弧炉温度的升高，一部分碳化铬和碳粉变为熔融状态，在液-液状态下继续反应，而在熔融状态下未与氧化铬反应的碳粉因密度轻，上浮至渣面，与空气中氧气反应生成CO，在最终的碳化铬产品中无游离碳生成，且碳化铬的相对密度符合标准值6.68g/cm3左右；
(2)以二铝酸钙或铝酸钙作为熔剂，其复合化合物具有热传导作用，使得参加反应的氧化铬与碳尽可能在一致的温度下进行，且熔剂的熔点低于液态碳化铬熔点，以提高炉料的流动性，降低液态物料的粘度，提高碳化铬的回收率，避免发粘的液态碳化铬沾炉壁和炉底，使得液态碳化铬能够较快聚集在一起；
(3)二铝酸钙或铝酸钙可以起到脱硫、脱磷等杂质的作用，降低碳化铬的硫、磷含量。除硫、除磷的分配比例，①硫的分配：硫在大于1200℃时，将有5％左右进入合金中，有30％左右进入渣中，有65％左右排入空气。②磷的分配：在温度控制1200℃以上时，磷与氧化钙形成磷酸钙，脱磷率达到70％以上。能够控制金属杂质含量，原料中的SiO2等杂质除掉60％以上，生成的硅酸钙进入渣相，产品品质优良。
具体实施方式
实施例1
(1)将氧化铬和碳粉充分混合均匀，氧化铬和碳粉的质量比为100:33，喷洒结合剂木质素，所述氧化铬和碳粉的总质量与木质素的质量比为100:5，压柱烘干，得到
Figure BDA0002509778970000031
高为20mm氧化铬-碳粉圆柱；
(2)将氧化铬-碳粉圆柱装入800KVA倾倒型电弧炉中，并加入熔剂二铝酸钙，二铝酸钙中的铁、硅杂质元素均控制在质量含量为0.1％，所述二铝酸钙粒度为30mm。其中，氧化铬-碳粉圆柱与熔剂的质量比为1:1.5；引弧冶炼，冶炼温度控制在1800℃，冶炼时间控制在10h，将冶炼完毕的液态碳化铬与二铝酸钙或铝酸钙混合熔体倾倒在容器中，将容器中的碳化铬与二铝酸钙缓慢降温96h后温度200℃，将冷却完毕的碳化铬与二铝酸钙从冷却器中倒出，渣铁分离；进行破碎、精整，粒度120目的碳化铬产品。产品指标如表1。
表1(单位：wt％)
Cr C 游离C Al Fe Si S P
87.3 12.5 未测出 ≤0.015 ≤0.08 ≤0.05 ≤0.01 ≤0.01
晶格：a2.821，b5.52，c11.46；
密度：6.72g/cm3。
实施例2
(1)将氧化铬和碳粉充分混合均匀，氧化铬和碳粉的质量比为100:35，喷洒结合剂木质素，所述氧化铬和碳粉的总质量与木质素的质量比为100:7，压柱烘干，得到
Figure BDA0002509778970000032
高为25mm氧化铬-碳粉圆柱；
(2)将氧化铬-碳粉圆柱装入1000KVA倾倒型电弧炉中，并加入熔剂，所述熔剂为二铝酸钙，二铝酸钙中的铁、硅杂质元素均控制在质量含量为0.08％，所述二铝酸钙粒度为40mm。其中，氧化铬-碳粉圆柱与熔剂的质量比为1:1；引弧冶炼，冶炼温度控制在1850℃，冶炼时间控制在9h，将冶炼完毕的液态碳化铬与二铝酸钙混合熔体倾倒在容器中，将容器中的碳化铬与二铝酸钙缓慢降温84h后温度200℃，将冷却完毕的碳化铬与二铝酸钙从冷却器中倒出，渣铁分离；进行破碎、精整，粒度100目的碳化铬产品。产品指标如表2。
表2(单位：wt％)
Cr C 游离C Al Fe Si S P
86.6 13.2 未测出 ≤0.018 ≤0.09 ≤0.05 ≤0.01 ≤0.01
晶格：a2.821，b5.52，c11.46；
密度：6.68g/cm3。
实施例3
(1)将氧化铬和碳粉充分混合均匀，氧化铬和碳粉的质量比为100:40，喷洒结合剂木质素，所述氧化铬和碳粉的总质量与木质素的质量比为100:10，压柱烘干，得到
Figure BDA0002509778970000041
高为40mm氧化铬-碳粉圆柱；
(2)将氧化铬-碳粉圆柱装入1200KVA倾倒型电弧炉中，并加入熔剂，所述熔剂为铝酸钙，铝酸钙中的铁、硅杂质元素均控制在质量含量为0.09％，所述铝酸钙粒度为50mm。其中，氧化铬-碳粉圆柱与熔剂的质量比为1:10；引弧冶炼，冶炼温度控制在2000℃，冶炼时间控制在7h，将冶炼完毕的液态碳化铬与铝酸钙混合熔体倾倒在容器中，将容器中的碳化铬与铝酸钙缓慢降温72h后温度200℃，将冷却完毕的碳化铬与铝酸钙从冷却器中倒出，渣铁分离；进行破碎、精整，粒度80目的碳化铬产品。产品指标如表3。
表3(单位：wt％)
Cr C 游离C Al Fe Si S P
86.5 13.3 未测出 ≤0.016 ≤0.07 ≤0.04 ≤0.01 ≤0.01
晶格：a2.821，b5.52，c11.46；
密度：6.68g/cm3。
实施例4
(1)将氧化铬和碳粉充分混合均匀，氧化铬和碳粉的质量比为100:20，喷洒结合剂木质素，所述氧化铬和碳粉的总质量与木质素的质量比为100:4，压柱烘干，得到
Figure BDA0002509778970000042
高为25mm氧化铬-碳粉圆柱；
(2)将氧化铬-碳粉圆柱装入600KVA倾倒型电弧炉中，并加入熔剂，所述熔剂为二铝酸钙，二铝酸钙中的铁、硅杂质元素均控制在质量含量为0.05％，所述二铝酸钙粒度为20mm。其中，氧化铬-碳粉圆柱与熔剂的质量比为1:3；引弧冶炼，冶炼温度控制在1500℃，冶炼时间控制在12h，将冶炼完毕的液态碳化铬与二铝酸钙或铝酸钙混合熔体倾倒在容器中，将容器中的碳化铬与二铝酸钙缓慢降温96h后温度200℃，将冷却完毕的碳化铬与二铝酸钙从冷却器中倒出，渣铁分离；进行破碎、精整，粒度600目的碳化铬产品。产品指标如表4。
表4(单位：wt％)
Cr C 游离C Al Fe Si S P
90.5 9.3 未测出 ≤0.02 ≤0.1 ≤0.04 ≤0.01 ≤0.01
晶格：a2.821，b5.52，c11.46；
密度：6.85g/cm3。
实施例5
(1)将氧化铬和碳粉充分混合均匀，氧化铬和碳粉的质量比为100:30，喷洒结合剂木质素，所述氧化铬和碳粉的总质量与木质素的质量比为100:9，压柱烘干，得到
Figure BDA0002509778970000051
高为20mm氧化铬-碳粉圆柱；
(2)将氧化铬-碳粉圆柱装入2500KVA倾倒型电弧炉中，并加入熔剂，所述熔剂为二铝酸钙，二铝酸钙中的铁、硅杂质元素均控制在质量含量为0.05％，所述二铝酸钙粒度为20mm。其中，氧化铬-碳粉圆柱与熔剂的质量比为1:2.5；引弧冶炼，冶炼温度控制在2000℃，冶炼时间控制在3h，将冶炼完毕的液态碳化铬与二铝酸钙混合熔体倾倒在容器中，将容器中的碳化铬与二铝酸钙快速降温24h后温度200℃，将冷却完毕的碳化铬与二铝酸钙从冷却器中倒出，渣铁分离；进行破碎、精整，粒度60目的碳化铬产品。产品指标如表5。
表5(单位：wt％)
Cr C 游离C Al Fe Si S P
88.3 11.5 未测出 ≤0.02 ≤0.1 ≤0.04 ≤0.01 ≤0.01
晶格：a2.821，b5.52，c11.46；
密度：6.78g/cm3。
以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法，其特征是：
具体步骤如下：
(1)将氧化铬和碳粉按比例充分混合均匀，喷洒结合剂木质素，压柱烘干，得到氧化铬-碳粉圆柱；
(2)将氧化铬-碳粉圆柱装入电弧炉中，并加入熔剂，所述熔剂为二铝酸钙或铝酸钙，其中，氧化铬-碳粉圆柱与熔剂的质量比为1:1～1:10；引弧冶炼，冶炼温度控制在1500℃～2000℃，冶炼时间控制在3h～12h，将冶炼完毕的液态碳化铬与二铝酸钙/铝酸钙混合熔体倾倒在容器中，将容器中的碳化铬与二铝酸钙/铝酸钙缓慢降温200℃以下，保证晶格生长时间控制在24h～96h；将冷却完毕的碳化铬与二铝酸钙/铝酸钙从冷却器中倒出，渣铁分离，破碎、精整，得到碳化铬。
2.根据权利要求1所述的利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法，其特征是：所述氧化硅-碳粉圆柱的尺寸为
Figure FDA0002509778960000011
高为20mm～40mm。
3.根据权利要求1所述的利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法，其特征是：步骤(1)中氧化铬和碳粉的质量比为100:20～100:40。
4.根据权利要求1所述的利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法，其特征是：所述氧化铬和碳粉的总质量与木质素的质量比为100:4～100:10。
5.根据权利要求1所述的利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法，其特征是：二铝酸钙或铝酸钙中的铁、硅杂质元素均控制在质量含量为0.05％～0.1％。
6.根据权利要求1所述的利用电弧炉冶炼生产碳化铬的方法，其特征是：所述二铝酸钙或铝酸钙粒度为≤50mm。
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