标题：镍铁合金
简介
  铁镍合金
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。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。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。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。 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。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。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。[1]
工艺原理
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。 从上述（1）、（2）反应式中可看出：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。[1]
用途
镍可完全溶解于γ－铁中，在α－铁中的溶解度为10%。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。[2]
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。[1] 
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。[2]
工艺操作
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。 [2]