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摘要：铁合金广义的铁合金是指炼钢时作为脱氧剂、元素添加剂等加入铁水中使钢具备某种特性或达到某种要求的一种产品。铁合金可以作为脱氧剂进行使用，在炼钢过程中出帮助去除水中的氧气，同时，铁合金还可以帮助炼钢中的其他杂志进行清除，增加材料坚韧度，多用于钢铁行业。本文主要以矿热炉冶炼铁合金的方法以及所用的碳质还原剂进行探讨，其主要目的是降低冶炼中的损耗，增加产能，达到利益最大化。
关键词：矿热炉；冶炼铁合金；碳质还原剂；方法
1铁合金相关分析
1.1铁合金一般用作
①脱氧剂。在炼钢过程中，除去钢水中的氧，一些铁合金还可以除去钢中的其他杂质，如硫、氮等。②合金添加剂。根据钢种成分的要求，在钢中添加合金元素以提高钢的性能。③孕育剂。在铸铁之前将其添加到铁水中以改善铸件的晶体结构。此外，还用作金属热还原法生产其他黑色金属和有色金属合金的还原剂；有色金属合金的合金添加剂；也少量用于化工等行业。
铁合金的主要含量中的熔点相对较高，因此氧化物很难进行还原，纯金属很难进行冶炼，但要与铁进行结合冶炼过程就相对容易些。利用铁合金进行金属冶炼，不仅金属铁会无害，更能提高冶金的生产质量，因此，它很容易溶解到钢水当中，所以，对于冶炼中加入脱氧剂，其一般以铁合金的形式进行添加。
工业炼制。用坩埚冶炼低品位铁合金是1860年左右开始的。后来发展了用高炉炼锰铁和含硅12%以下的硅铁。1890年~1910年间在法国开始用电弧炉生产铁合金。穆瓦桑(H.Moissan)曾用电弧炉对难还原元素进行系统试验，埃鲁(P.L.T.H□roult)应用于工业生产,当时都用焦炭和木炭作还原剂还原有关矿石，产品大多是高碳的。1920年以后，为了满足优质钢和不锈钢发展的需要，开始生产低碳铁合金的新阶段。一方面，在戈尔德施米特(K.Goldschmidt)1898年提出的铝热法制取金属的工艺基础上，针对部分非碳铁合金和纯金属的冶炼，开发了铝热法，另一方面，可以利用电炉氧化硅的合金无法进行提炼。由于铝热法的生产成本相对较高，无法进行冶炼普及。迄今为止，该冶金提纯方法主要是利用中碳、低碳和微碳铬铁。其中运用最多的为铬铁精炼的热混法，该方法即将液态矿石、熔融石灰和硅铬合金进行相互混合，再通过热混来加速反应，是对无硅精炼法的进一步发展。
1.2基本用途
硅锰、锰铁和硅铁在炼钢中用作脱氧剂最为广泛。强脱氧剂有铝(铝铁)、硅钙、硅锆等(见钢的脱氧反应)。常用作合金添加剂的品种有：锰铁、铬铁、硅铁、钨铁、钼铁、钒铁、钛铁、镍铁、铌(钽)铁、稀土铁合金、硼铁、磷铁等。铁合金对于合金元素或碳的含量有几个等级，对杂质的含量也有严格的限制。含有两种或两种以上合金元素的铁合金称为复合铁合金，这种铁合金的使用可以同时添加脱氧或合金元素，有利于炼钢过程，使共生矿石资源的综合利用更加经济和方便。常用：硅锰、硅钙、硅锆、硅锰铝、硅锰钙、稀土硅铁等。
炼钢用纯金属添加剂有铝、钛、镍和金属硅、金属锰、金属铬等。一些容易还原的氧化物如MoO和NiO也被用来代替铁合金。此外，还有氮化铁合金，如氮化铬铁、锰铁等，以及掺有发热剂的发热铁合金等。
1.3主要品种
硅铁、锰铁、硅锰、铬铁、钨铁、钒铁、镍铁、钼铁、钛铁、稀土镁硅、稀土硅铁、硅钙合金、硅钡合金、硅铝合金、钽铌、磷铁、硼铁等。铁合金主要在电炉中生产，电炉消耗大量电力(综合体平均每吨约5000千瓦时)，我们需要丰富而廉价的能源资源。最初，法国成为铁合金的主要生产国，挪威成为最大的铁合金出口国，两国都开发了丰富的当地水电资源。1970年代，工业化国家每冶炼一吨钢消耗铁合金20公斤左右，主要合金元素锰5.5公斤~6.5公斤，硅2公斤~3公斤，铬2公斤~3公斤。
2矿热炉冶炼铁合金
矿热炉也称为电弧炉或电阻炉。主要用于冶炼矿石、减碳剂、溶剂等原料的回收。主要生产硅铁、锰铁、铬铁、钨铁、硅锰合金等铁合金，是冶金工业的重要工业原料和电石等化工原料。矿热炉变压器的负载连续、平稳，阻抗电压低，调压级数较多，级差较小过载能力强。可分为：有载、无励磁调压两种。一般前几级恒容量输出，后几级恒电流输出。其工作特点是采用碳或镁质耐火材料作为炉衬，采用自显影电极。将电极插入炉料进行埋弧操作，利用电弧的能量和电流通过炉料，炉料对熔融金属的电阻通过连续供应和周期性释放铁渣产生能量，工业连续运行电炉的。矿热炉变压器的负载连续、平稳，阻抗电压低，调压级数较多，级差较小过载能力强。可分为有载、无励磁调压两种。一般前几级恒容量输出，后几级恒电流输出。
矿热炉法是目前用于生产铁合金的常规方法，该法适用于生产硅铁、碳素锰铁、碳素铬铁、硅铬合金等铁合金。用于该法的碳质还原剂应是灰份低、气孔率大、化学活性好、比电阻高、在高温下有一定的机械强度的碳素材料。可供选择的材料比如有木炭、石油焦、沥青焦、煤气焦、冶金焦、烟煤及无烟煤等。但从理化性能和经济合理性综合考虑，目前在矿热炉法中所用的碳质还原剂主要是冶金焦。尽管日本、挪威、德国、美国及前苏联等国家除冶金焦以外还按不同的比例配加了烟煤、木片、无烟煤和半焦来提高碳质还原剂的比电阻和透气性(见《铁合金冶金学》，李春德编，1991，5，第一版，P.19)，但冶金焦仍然是其中的主要组成部分。然而冶金焦并不是理想的，用于矿热炉法的还原剂，因为其气孔率低，因而透气性差，所以将其用于矿热炉法中时对其粒度有一定的限制。例如对容量为12500KVA的电炉，要求焦炭粒度为5mm~18mm；容量为400KVA~1800KVA的电炉，要求焦炭粒度为1mm~18mm，而且其中1mm~3mm粒度者不大于20%，限制了焦碳的粒度即牺牲了焦炭的比电阻及其反应表面积，结果降低了生产率、增加了电耗。而且相对于其它碳质还原剂，冶金焦的价格昂贵，同时在加工焦炭粒时形成的粒度小于5mm的焦粉不能用作还原剂而被弃之，这不但造成很大浪费，同时还污染了环境。尽管在上述的小容量电炉中允许使用粒度3mm以下的焦炭，但这并不意味着这种细焦粒(焦粉)会给矿热炉生产带来任何有益效果，这样的规定只不过是考虑到加工焦炭的实际困难，即不可能以经济的方法将小于5mm的焦粉充分除去，而是在技术上作的一定让步和宽容。就矿热炉运行的理想状态而言，焦炭的粒度应为5mm~18mm(生产硅铁及硅铬合金)，对于生产碳素锰铁或碳素铬铁为5mm~25mm，虽然公开过在冶炼高纯硅铁时，优先选用粒度为0mm~5mm的石油焦作碳质还原剂，但就该专利技术而言，首先它主要只适用于生产高纯硅铁，此外，采用该技术的碳质还原剂时，由于石油焦极易石墨化，所以必须将矿热炉温度升到1000℃以上时方可加料，否则将产生炉底上涨而炉况恶化等问题。所以以石油焦作还原剂时要求很苛刻的反应条件。如何在不存在透气性差的前提下，将粒度小于5mm的焦粉或其它碳质还原剂用于普通的矿热炉，在其反应过程中充分利用其比电阻高，反应表面积大的优点及选用更为便宜的碳质还原剂是急待解决的问题。因此，需要提供一种利用粒度小于5mm的碳质还原剂进行矿热炉冶炼铁合金的方法。另一目的是提供一种利用粒度小于10mm，其中小于5mm的部分大于50%，而透气性反应性均好的用于矿热炉法的碳质还原剂。
使用矿热炉冶炼铁合金以及所使用的碳质还原剂的具体流程如下所述：
提供一种用于矿热炉生产铁合金的碳质还原剂，该还原剂由基本上不含挥发份的碳质材料和含有20%~70%(重量)挥发份的碳质材料组成，其中挥发份占该还原剂总量的8%~50%(重量)，所述还原剂的粒度小于10mm，而且其中粒度小于5mm的部分占该还原剂总量的50%(重量)以上。
该还原剂中所述的基本上不含挥发份的碳质材料为选自由冶金焦、兰炭、无烟煤和沥青焦组成的物组中的一种或几种。
其中所述的含20%~70%(重量)挥发份的碳素材料是选自由泥煤、褐煤和烟煤所组成的物组中的一种或几种;
对于挥发份为8%~50%(重量)的碳素材料则可将其直接用作本发明的还原剂而无需配加其它材料。
所述还原剂的粒度最好是小于5mm，而其中粒度小于3mm的部分为该还原剂总量的50%(重量)以上。
所述的含20%~70%(重量)挥发份的碳素材料还可以是木屑或粒度不大于100mm的一年生植物桔杆。
提供一种用于矿热炉生产铁合金的方法，该法以矿石作为合金元素源，以上述的还原剂作碳质还原剂进行冶炼。
本说明书中所用术语“基本上不含挥发份的碳质材料”指的是其挥发份含量小于2%(重量)的碳质材料。
在上述的碳质材料还原剂中，基本上不含挥发份的碳素材料主要作用是提供还原合金元素的碳源，而含20%~70%(重量)挥发份的碳素材料，除用作提供还原合金元素的碳源外，主要用于改善炉料的透气性。所述的还原剂的粒度小，则使比电阻增大，反应表面积增大，使电耗下降，生产率提高，而且低强度的碳质材料可得到充分的利用。比如，由于该还原剂粒度很小，则可大量使用固定碳高，灰份少，价格低廉的无烟煤而无需顾虑其在加热过程中爆裂及强度不足的问题。
另外本发明的还原剂中的挥发份含量若低于8%时，虽可以进行冶炼，但透气性不好，操作困难，而其高于50%时，冶炼也可以进行，但由于挥发份逸出过多而浪费了还原剂。因此，本发明的还原剂中的挥发份含量以8%~50%(重量)为宜。
本发明的碳质还原剂的制备步骤是将基本上不含挥发份的碳质材料和含20%~70%的碳质材料进行破碎、筛分，使其粒度小于10mm，其中小于5mm的部分在50%以上。分别测上述二者的水份、挥发份，固定碳和灰份然后按化学试剂配制的原理进行计算配份，再进行均匀混合。
根据上述配好的还原剂的固定碳含量和对合金元素含量的要求为基准，计算各种原料用量，将混配好的炉料加入矿热炉内冶炼。由于还原剂粒度很细，用前可喷上些自来水，以达到加料不扬尘为止。
采用本发明的矿热炉法及本发明的碳质还原剂，使过去被废弃的粒度小于5mm的焦粉得到应用，同时改善了生态环境。用价格低廉的碳质还原剂部分或全部地取代现有技术的冶金焦已成为可能，从而使铁合金的生产成本大幅度下降。
实施例1以冶炼75硅铁为例还原剂计算条件：
(1)以100公斤硅石为单位进行计算，硅石中SiO2的含量为98%。
(2)目标合金元素的成份为Si＝75%，Fe＝23%，其它杂质2%。
(3)铁屑含铁量98%。
(4)冶金焦炭的固定碳为84%，挥发分为2%。
(5)烟煤固定碳为50%，挥发分为40%。
将70%的上述焦炭加上30%的上述烟煤破碎筛分而得到混合均匀，挥发分为13.4%，固定碳为73%，粒度小于10mm，其中小于5mm的部分为80%的还原剂。
由硅石中还原SiO2所需的还原剂量为39.2/(0.9×73%)＝59.66(此计算结果视为60)以上计算均以干料为准炉料配比为。
硅石：还原剂：钢屑＝100：60：12.3将上述三种原料配好，混合均匀，按矿热炉法进行冶炼，操作顺利。所得产品成分为Si＝75.5%，Al＝1.8%，C＝0.1%，S＝0.03%，P＝0.04%。
以上均为%(重量)实施例2除还原剂的品种变化外，其它条件同实施例1。
还原剂采用烟煤。其固定碳为62%，挥发份为32%，粒度小于5mm的部分为80%。
炉料配比为硅石：烟煤：钢屑＝100：72-76：12将上述三种原料配好，混合均匀，若还原剂特别干燥加料前，适当喷些自来水，达到加料时不扬尘为止，以减少粉料的过多损失。此操作同样适用于实施例1和实施例2。所得产品的化学成分为Si＝74.8%，AL＝2.0%，C＝0.1%，S＝0.03%，P＝0.04%。
以上均为%(重量)。
根据上述实验过程其有相关要求如下所述：
(1)用于矿热炉生产铁合金的碳质还原剂，其特征在于，它由基本上由不含挥发份的碳质材料和含有20%~70%(重量)挥发份的碳质材料组成，其中挥发份占该还原剂总量的8%~50%(重量)，所述还原剂的粒度小于10mm，而其中粒度小于5mm的部份占该还原剂总量的50%(重量)以上。
(2)权利要求1的还原剂，其特征在于所述的基本上不含挥发份的碳质材料为选自由冶金焦、兰炭、无烟煤和沥青焦组成的物组中的一种或几种。
(3)权利要求1的还原剂，其特征在于所述的含20%~70%(重量)挥发份的碳素材料是选自由泥煤、褐煤和烟煤所组成的物组中的一种或几种。
(4)权利要求1的还原剂，其特征在于它只由含挥发份为8%~50%(重量)碳质材料组成。
(5)权利要求1的还原剂，其粒度小于5mm，其中粒度小于3mm的部分为该还原剂总量的50%(重量)以上。
(6)权利要求1的还原剂，其中的含挥发份20%~70%(重量)的碳质材料还可以是木屑和/或一年生的植物桔杆，其粒度为小于100mm。
(7)一种矿热炉生产铁合金的方法，该法以矿石作为合金元素源，用碳素还原剂将其还原，以固定碳和对合金元素含量要求为基准，计算各种原料用量，将混配好的炉料加入矿热炉内进行冶炼，其特征在于所述还原剂由基本上不含挥发份的碳质材料和含有20%~70%(重量)挥发份的碳质材料组成，其中挥发份占该还原剂总量的8~50%(重量)，所述还原剂的粒度小于10mm，而其中粒度小于5mm的部分占该还原剂总量的50%(重量)以上。
(8)权利要求7的方法，其特征在于所述的基本上不含挥发份的碳质材料为选自由冶金焦、兰炭、无烟煤和沥青焦组成的物组中的一种或几种。
(9)权利要求7的方法，其特征在于所述的含20%~70%(重量)挥发份的碳素材料是选自由泥煤、褐煤和烟煤所组成的物组中的一种或几种。
(10)权利要求7~9中任一项所述的方法，其中所述的碳质还原剂的粒度小于5mm，其中小于3mm的部分占该还原剂总量的50%(重量)以上。
(11)权利要求7的方法，其中的含挥发份20%~70%(重量)的碳质材料还可以是木屑或一年的生植物桔杆，其粒度小于100mm。所述的铁合金为硅铁、碳素锰铁、碳素铬铁和硅铬合金。
以上的关于冶炼铁合金使用的碳质还原剂的发明实验能够得出还原剂的粒度小，比电阻增大，反应表面积增大，电耗下降，生产率提高等成果，有利于降低能源损耗，提高企业的市场竞争力。
3我国铁合金未来发展
未来我国铁合金产业要转变发展方式，控制整体规模，淘汰落后产能，提高装备整体水平；优化产业布局和资源配置，提高产业集中度；为了提高我国铁合金产业的国际竞争力和实施，全面可持续的产业发展。大力淘汰落后生产设施，严控新建项目，目前我国铁合金生产设备占6300伏安及以下电炉的绝大部分。
合理的对能源进行配置，从而可以大力开发经济的循环模式。随着当前冶金企业的不断开发，就需要做好以下的工作：第一是有效提高利用锰矿与铬矿资源，从而可以提高资源的利用率。锰矿、矿石加热预还原加工、烧结、球团等粉矿团聚技术。第二，为了优化国产低品质的冶金矿，要与高品质矿相比，从而可以提高冶金炉矿石的质量，从而保证锰元素的能耗指标与冶炼的回收率，从而使冶金产品达到一定的质量水平。第三，半封闭和全封闭电炉抽出的煤气、渣、烟灰的综合利用与加工。第四，以煤电行业企业链条为纽带，形成“煤电冶金”一体化的铁合金企业集团，大力发展循环经济。
4总结
综上所述，我国近年来的铁合金企业在产品质量、品种以及数量等方面都取得了长足的发展，在国际的铁合金企业中也在不断提高自身的地位。当前，我国已经成为了全球最大化的合金产量国、消费国以及出口国之一。在铁合金工艺的不断发展中，要对铁合金冶金工艺更加重视，攻克在铁合金冶炼过程中所产生的难题，从而将其投入到现在社会工业发展进程中。
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