鐵與一種或幾種元素組成的中間合金,主要用於鋼鐵冶煉。在鋼鐵工業中一般還把所有煉鋼用的中間合金,不論含鐵與否(如矽鈣合金),都稱為“鐵合金”。習慣上還把某些純金屬添加劑及氧化物添加劑也包括在內。

  鐵合金一般用作:①去氧劑。在煉鋼過程中脫除鋼水中的氧,某些鐵合金還可脫除鋼中的其他雜質如硫、氮等。②合金添加劑。按鋼種成分要求,添加合金元素到鋼內以改善鋼的性能。③孕育劑。在鑄鐵澆鑄前加進鐵水中,改善鑄件的結晶組織。此外,還用作以以金屬熱還原法生產其他鐵合金和有色金屬的還原劑;有色合金的合金添加劑;還少量用於化學工業和其他工業。

  鐵合金的主體元素一般熔點較高,或者它的氧化物難於還原,難於煉出純金屬,如與鐵在一起則較易還原冶煉。在鋼鐵冶煉中使用鐵合金,其中含鐵非但無害,而因為易熔於鋼水反較有利。因此,煉鋼過程中脫氧和添加合金,大多以鐵合金的形式加入。鐵合金一般很脆,不能作為金屬材料使用。

  用坩堝冶煉低品位鐵合金是1860年左右開始的。後來發展瞭用高爐煉錳鐵和含矽12%以下的矽鐵。1890~1910年間在法國開始用電弧爐生產鐵合金。穆瓦桑(H.Moissan)曾用電弧爐對難還原元素進行系統試驗,埃魯(P.L.T.Héroult)應用於工業生產,當時都用焦炭和木炭作還原劑還原有關礦石,產品大多是高碳的。1920年以後,為瞭滿足優質鋼和不銹鋼發展的需要,開始生產低碳鐵合金的新階段。一方面,在戈爾德施米特(K.Goldschmidt)1898年提出的鋁熱法制取金屬的工藝基礎上,發展出用鋁熱法冶煉一些不含碳的鐵合金和純金屬;另一方面研制出在電爐中氧化含矽合金的脫矽精煉法。由於鋁熱法生產費用太高,脫矽精煉法得到瞭較多的應用。直到現在中碳、低碳、微碳鉻鐵,中碳、低碳錳鐵,金屬錳大多仍用此法精煉。精煉鉻鐵的熱兌法即把液態的礦石、石灰熔體與矽硌合金,通過熱兌混合加速反應,是脫矽精煉法的進一步發展。此外也用電解法生產純凈的合金添加劑(如金屬錳),並采用真空脫碳法生產含碳極低的超微碳鉻鐵。近年還發展出應用純氧吹煉法精煉鉻鐵、錳鐵的方法(見鐵合金冶煉)。

  中國在1940年左右用小型電爐生產矽鐵、錳鐵。1955年起吉林鐵合金廠開始大規模生產。隨後在各地建設瞭一批鐵合金廠,並用小型高爐生產錳鐵,滿足瞭全國鋼鐵工業的需要。(見彩圖)

中碳錳鐵澆鑄機 楊大地攝於吉林鐵合金廠

  資源 冶煉鐵合金用的礦石原料除矽石各地普遍存在以外,大都集中在少數地區,如鉻礦90%賦存在南部非洲,錳礦大量儲存在南非和蘇聯。礦石多數以氧化物或含氧鹽的形式存在(如鉻、錳、鎢、鎳、釩、鈦等),有些為硫化物(如鉬)。這些礦石品位不同,大都需要選礦富集。中國鎢礦儲量居世界第一位。鎳、鉬資源在70年代勘明有較大儲量。攀枝花等地的釩鈦磁鐵礦含有大量釩、鈦資源。錳礦在湖南、廣西、貴州等地有相當儲量,但品位較低。

  品種用途 作為煉鋼脫氧劑,應用最廣泛的是錳鐵和矽鐵。強烈的脫氧劑為鋁(鋁鐵)、矽鈣、矽鋯等(見鋼的脫氧反應)。用作合金添加劑的常用品種有:錳鐵、鉻鐵、矽鐵、鎢鐵、鉬鐵、釩鐵、鈦鐵、鎳鐵、鈮(鉭)鐵、稀土鐵合金、硼鐵、磷鐵等(表1)。各種鐵合金又根據煉鋼需要,按合金元素含量或含碳高低規定許多等級,並嚴格限定雜質含量。含有兩種或多種合金元素的鐵合金叫做復合鐵合金,使用這類鐵合金可同時加入脫氧或合金化元素,對煉鋼工藝有利,且能較經濟合理地綜合利用共生礦石資源。常用的有:錳矽、矽鈣、矽鋯、矽錳鋁、矽錳鈣和稀土矽鐵等。

表1 常用鐵合金

  煉鋼用純金屬添加劑有鋁、鈦、鎳和金屬矽、金屬錳、金屬鉻等。某些易還原的氧化物如MoO2、NiO,也用於代替鐵合金。此外,還有氮化鐵合金,如經過氮化處理的鉻鐵、錳鐵等,以及混有發熱劑的發熱鐵合金等。

  生產和消費 鐵合金主要用電爐生產,電耗高(每噸綜合平均約5000千瓦·時),需要豐富而價廉的電力資源。法國成為早期鐵合金的主要生產國,挪威成為最大鐵合金輸出國,都是以當地豐富的水電資源為基礎。70年代工業發達國傢的鐵合金消費量,按每生產一噸粗鋼計,大致為20公斤;其中主要合金元素所占的份額為:錳5.5~6.5公斤,矽2~3公斤,鉻2~3公斤。一些國傢的鐵合金產銷情況見表2。

表2 1980年一些國傢的鐵合金生產量、輸出量、輸入量