由技术废弃物生产的铝硅铬合金作为精炼铬铁冶炼中传统硅铬铁合金的替代品

《Metals》：Aluminosilicochrome Produced from Technogenic Wastes as an Alternative to Conventional Ferrosilicochrome in Refined Ferrochrome Smelting

　　

本研究探讨了将技术原材料生产的铝硅铬合金（ASC）作为精炼铬铁冶炼中传统硅铬铁合金（FSC-48）潜在替代品的可能性。在感应炉中使用氧化铝坩埚进行了实验室熔炼试验，装料质量为50 g。研究人员基于物料平衡、金属相和渣相的扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）分析、铬向金属相转移的条件估计以及FactSage 8.4热力学模拟结果，对两种方案进行了比较。研究确定，使用FSC-48和ASC时均形成了Cr–Fe金属相。FSC-48的平均金属质量为13.8 g，ASC为13.3 g。根据SEM-EDS数据，金属相中Cr含量分别为70.53 wt.%和68.64 wt.%。随ASC引入的铝主要转移至渣中，使其Al含量增至20.81 wt.%。铬从装料向金属相转移的条件估计值分别为FSC-48的91.9%和ASC的91.6%。FactSage模拟显示，在平衡条件下，ASC的矿石来源Cr回收率计算值更高；然而，过量ASC添加会增加金属相中的Si含量。所得结果证实了ASC作为精炼铬铁冶炼中复合还原剂的基本可行性。

**论文解读**

**研究背景与问题**

精炼铬铁（refined ferrochrome）是生产不锈钢、耐腐蚀钢、耐热钢、结构钢和特种钢的主要含铬铁合金之一，其应用可在限制碳和有害杂质输入的同时向金属熔体引入铬。因此，改进精炼铬铁冶炼技术仍是铁合金生产的重要任务，尤其是在对金属产品质量要求日益提高、以及降低原材料、还原剂和电力消耗的背景下。在低碳冶金背景下，氢基还原被视为减少冶金过程碳排放的潜在途径，但由于铬氧化物（Cr₂O₃）的热力学稳定性高，直接替代传统还原剂受到限制。因此，开发含硅和铝的复合还原剂对精炼铬铁冶炼仍具有现实意义。

工业实践中，精炼铬铁的生产主要基于使用硅铬铁合金（ferrosilicochrome）的金属热还原法。该工艺存在局限性：硅还原铬氧化物时生成SiO₂，增加渣相体积，需额外添加石灰以维持碱度，并增加铬随渣的损失。为改善这一过程，研究人员提出使用同时含硅和铝的复合还原剂，硅通过硅热机制还原铬氧化物，铝因对氧亲和力更高可额外参与还原并改变渣相组成。已有研究表明，复合铁合金及含硅铝还原剂的应用可能提高铬回收率、降低渣比并改变渣相理化性质。

此外，铁合金及采矿相关工业固体废弃物可被视为二次原料，用于生产高附加值冶金产品。例如，铬尖晶石粉已用于低碳铬铁的金属热还原冶炼，含铬的工业粉尘、锰矿粉和煤泥可用于生产复合铬锰硅铁合金。这些成果证实了开发资源高效技术、将工业固体废弃物转化为复合铁合金和还原剂的可行性。特别值得关注的是铝硅铬合金（aluminosilicochrome, ASC），一种Fe–Cr–Si–Al复合合金，可替代传统硅铬铁合金。已有研究展示了从铁合金和煤炭生产的技术废弃物（包括铬尖晶石粉、微硅粉和煤泥）生产ASC的可能性，热力学模拟和实验室规模熔炼试验证实了Fe–Cr–Si–Al金属相的形成，使该合金有潜力成为精炼铬铁冶炼的复合还原剂。

然而，从技术原材料生产ASC本身并不能证明其在精炼铬铁冶炼中的效率。为提供实践依据，需在相同冶炼条件下实验比较ASC和传统硅铬铁合金的行为，评估金属相和渣相的形成，确定主要元素的分布，并评估还原剂类型对铬向金属产品转移的影响。本研究旨在通过实验室评估，验证由技术原材料生产的铝硅铬合金作为FSC-48型硅铬铁合金在精炼铬铁冶炼中潜在替代品的可行性。

**研究方法**

研究人员采用实验室规模感应炉熔炼试验，在氧化铝坩埚中装入总质量为50 g的炉料，分别使用FSC-48硅铬铁合金和ASC铝硅铬合金作为还原剂。主要关键技术方法包括：1）物料平衡计算，通过称量所得金属、渣和损失质量评估过程再现性；2）扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDS）分析，对初始材料及熔炼产物的金属相和渣相进行微观结构观察和局部元素组成分析；3）条件估计铬转移率，基于SEM-EDS数据和金属质量计算铬从装料向金属相转移的百分比；4）热力学模拟，使用FactSage 8.4软件（Equilib模块，FactPS和FToxid数据库）在1800 °C、0.1 MPa条件下计算平衡状态下铬回收率和金属相中硅含量随还原剂用量的变化。所有试验均在同一实验室条件下进行，每方案重复三次。炉料成分包括铬矿石、石灰以及两种还原剂，其中FSC-48方案炉料为24.0 g铬矿石、18.0 g石灰和8.0 g FSC-48，ASC方案为24.0 g铬矿石、18.4 g石灰和7.6 g ASC。还原剂用量基于主要还原元素的化学计量脱氧能力估算，ASC的铝和硅共同提供还原能力，故其质量略低于FSC-48。

**研究结果**

**3.1 实验室熔炼试验的物料平衡**

通过物料平衡，FSC-48方案平均金属质量为13.8 g，渣质量为31.4 g，损失4.8 g；ASC方案平均金属质量为13.3 g，渣质量为34.5 g，损失2.2 g。两种还原剂均能形成精炼铬铁金属相，ASC方案金属质量略低但损失更小，可能与铝参与渣相组成变化有关。

**3.2 FSC和ASC还原剂的SEM-EDS分析**

SEM-EDS分析显示，FSC-48中Si、Cr、Fe为主要元素，局部半定量结果为Si 58.53 wt.%、Cr 27.77 wt.%、Fe 12.25 wt.%、Al 1.44 wt.%，属于Fe–Cr–Si系还原剂。ASC中Al含量显著，为23.23 wt.%，Si 44.90 wt.%、Cr 16.72 wt.%、Fe 15.16 wt.%，属于Fe–Cr–Si–Al系复合还原剂，其铝的存在使其区别于传统硅铬铁合金。

**3.3 使用FSC-48和ASC的熔炼产物SEM-EDS分析**

金属相分析：FSC-48方案金属相Cr含量70.53 wt.%、Fe 27.00 wt.%、Si 2.33 wt.%、Al 0.14 wt.%；ASC方案金属相Cr 68.64 wt.%、Fe 26.06 wt.%、Si 3.59 wt.%、Al 0.14 wt.%。两种方案均形成Cr–Fe金属相，ASC方案中Si含量略高，Al含量极低，表明铝主要进入渣相。渣相分析：FSC-48方案渣中Al 12.50 wt.%、Si 9.79 wt.%、Cr 1.71 wt.%；ASC方案渣中Al 20.81 wt.%、Si 5.61 wt.%、Cr 1.05 wt.%。ASC方案渣中Al含量显著增加，Si含量降低，说明铝从还原剂转移至渣中形成钙铝硅酸盐渣系。残余Cr含量在ASC方案中较低，为有效铬转移提供了积极指示。

**3.4 铬向金属相转移的评估**

基于金属质量和SEM-EDS数据的条件估计显示，FSC-48方案总铬转移率为91.9%，ASC方案为91.6%，两者处于相似水平，表明ASC在选定的实验室条件下与FSC-48具有相近的铬转移能力。ASC方案中总铬输入量因还原剂中铬含量较低而略低，但金属相中Cr含量仍较高（68.64 wt.%）。铝主要进入渣相，改变了渣系组成。

**3.5 实验装料组成的FactSage模拟**

针对实验装料组成的FactSage模拟区分了总铬转移和矿石来源Cr回收率（仅考虑铬矿石中Cr₂O₃的还原）。计算结果显示，在所有考虑的还原剂用量（5.0–10.0 g）下，ASC方案的矿石来源Cr回收率均高于FSC-48方案。例如，还原剂用量8.0 g时，ASC方案矿石来源Cr回收率为74.03%，FSC-48方案为65.59%。这表明在平衡条件下，ASC因硅和铝的联合还原作用对铬矿石具有更高的还原效率。然而，过量ASC添加（>8.0 g）导致金属相中Si含量急剧增加（如9.0 g时Si达5.29%），因为达到高铬还原程度后，部分硅不再被消耗而进入金属相。总铬转移率也随还原剂用量增加而升高，ASC方案在8.0 g时达91.72%，与实验室条件估计值接近。

**讨论与结论**

讨论部分指出，两种还原剂均能形成Cr–Fe金属相，ASC方案的主要差异在于渣相组成变化，Al含量增加至20.81 wt.%，形成CaO–SiO₂–Al₂O₃–MgO渣系。条件估计的总铬转移率相近（91.9% vs. 91.6%），但需注意这基于局部SEM-EDS数据和平均金属质量，并非基于完整化学平衡的实际铬回收率。FactSage模拟提供了平衡趋势信息，表明ASC在还原铬矿石方面具有更高计算效率，但需优化还原剂用量以避免金属中硅含量过高。研究局限性包括：使用氧化铝坩埚可能对渣中Al含量有贡献，但未观察到显著坩埚腐蚀；SEM-EDS为半定量局部分析；条件估计未包含完整铬质量平衡。后续研究应进行金属和渣的体相化学分析（如ICP-OES、XRF）、实际铬回收率计算、渣-坩埚相互作用评估及中试规模验证。

**结论（翻译）**

本研究评估了由技术原材料生产的铝硅铬合金（ASC）作为精炼铬铁冶炼中复合还原剂的可能性。使用FSC-48和ASC的实验室熔炼试验表明，在选定的实验条件下，两种还原剂均能确保形成Cr–Fe金属相。使用FSC-48时，平均金属和渣质量分别为13.8 g和31.4 g；使用ASC时，相应值为13.3 g和34.5 g。SEM-EDS分析显示，ASC获得的金属相在主成分方面与FSC-48获得的金属相当。FSC-48方案金属中Cr和Fe含量分别为70.53 wt.%和27.00 wt.%，ASC方案分别为68.64 wt.%和26.06 wt.%。两种方案之间的主要差异在于渣相组成。使用ASC时，铝主要与渣相结合而非金属相。然而，考虑到氧化铝坩埚的使用以及SEM-EDS分析的局部半定量性质，渣中Al含量增加应解释为ASC添加、渣组成和可能的渣-坩埚相互作用的综合效应。总铬向金属相转移的条件估计值两种还原剂相似：FSC-48为91.9%，ASC为91.6%。这些值应仅视为基于局部SEM-EDS数据和平均金属产量的比较估计，而非基于完整体相化学平衡计算的实际铬回收率。针对实验装料组成的FactSage模拟显示，在平衡条件下，ASC提供的矿石来源Cr回收率计算值高于FSC-48。同时，过量ASC添加会导致金属相中Si含量急剧增加，因为在达到高铬氧化物还原程度后，硅不再被完全消耗为还原组分而开始积累于金属中。因此，ASC的使用需优化还原剂用量和渣系制度。总体而言，所得结果证实了ASC作为精炼铬铁冶炼中替代复合还原剂的基本可行性。然而，FactSage结果应被解释为平衡趋势，而非基于SEM-EDS的铬转移估计的直接定量确认。进一步研究应包括金属和渣的完全体相化学分析、基于完整物料平衡的实际铬回收率计算、渣-坩埚相互作用评估以及中试规模验证。