铬铁矿砂在铸造行业中的应用及标准要求

1.概述

铬铁矿也称铬矿，其以黑色的块状、粒状或糜棱状产出，有时可见到细小的八面体结晶。铬铁矿具有半金属光泽，莫氏硬度为5.5～6级，无解理，性脆，耐火度大于1900℃，密度取决于尖晶石组成和杂质的性质，一般为4.2～4.8g/cm³。铬铁矿为非磁性或弱磁性，含铁量高者磁性较强。自然界中天然铬铁矿的成分复杂，变化也较大。工业上经常用到的铬铁矿实际上多是由六种尖晶石组成的混晶，一般化学式可以表示为（Mg，Fe）O·（Cr，Al，Fe）2O₃。工业上也通常把铬铁矿、铬尖晶石、富铬尖晶石和硬铬尖晶石等类似矿物统称为铬铁矿。

铬铁矿砂有很好的抗碱性渣的作用，不与氧化铁等发生化学反应，在耐火材料工业中主要用于生产镁铬质原料和耐火砖。铬铁矿砂的热导率比硅砂大好几偌，而巨在熔融金属浇注的过程中铬铁矿砂本身发生固相烧结，从而有利于防止熔融金属的渗透。在铸造行业，铬铁矿砂主要用作大型铸钢件和各种合金钢铸件的型、芯面砂和抗粘砂涂料、涂膏，具有极好的耐蚀性。铬铁矿砂还是制备铬和所有含铬化合物的唯一资源。

我国铬铁矿资源贫乏，矿石品位较低，主要分布在华北、西北和西藏等地。在铸造行业，目前仅有商南造型材料厂生产铬铁矿砂，年产量仅数百吨。西藏的铬铁矿虽已开采，但运输困难。为满足国内铸造生产的需要，近10年来我国一直从南非进口铬铁矿砂。

2.铬铁矿的加热变化

（1）氧化增重现象 如上所述，FeO是铬铁矿中铁存在的常见状态。当铬铁矿在空气中加热时，FeO约从200℃即开始被氧化成Fe₂O₃，这种氧化在1000℃下保持1h即可达到完全（见表2-41）。反应式为

2（FeO·Cr₂O₃）+1/2O₂→Fe₂O₃+2Cr₂O₃

铬铁矿的氧化使其重量增加。图2-6a所示为铬铁矿的热重分析曲线（TG）。其典型的TG曲线有三种类型：A、B和C，各类型均从200℃左右开始氧化。A型在700℃左右增重达最大，然后开始失重，在1000℃左右失重基本停止；B型与A型类似，但在1000℃左右没有出现失重停顿现象；C型在500℃左右增重缓慢，在1050℃增重达最大值。失重是由于Fe₂O₃的再分解放出氧而造成的。一般而言，当尖晶石的组成由铁系变为铝系，或铬系尖晶石含量较高时，TG曲线转变为B型或C型。

在加热过程中铬铁矿结晶难以长大，很难形成结晶网络，它也不与各种炉渣起反应。

表2-41 铬铁矿的受热氧化

图2-6 铬铁矿的加热变化图谱

a）热重分析曲线 b）加热膨胀

（2）加热膨胀 铬铁矿热膨胀的特点是在850℃以上显著增加，但高温时却又发生收缩。将不同产地的铬铁矿分别在1400℃和1800℃进行预先加热处理，然后测定其热膨胀，结果如图2-6b所示。可见，1400℃和1800℃烧成的铬铁矿分别从1200℃和1500℃开始呈现急剧的收缩。这一现象对铬质耐火材料是十分有害的。研究表明，在铬铁矿中添加MgO，可以消除这一收缩现象，这是因为铬铁矿可固溶吸收MgO而引起晶格膨胀。

实践中发现，铬铁矿中的FeO氧化成Fe₂O₃后会导致FeO成分不足，而Fe₂O₃过量成游离状态，若遇有还原气氛，在700℃左右可以发生如下反应：

Fe₂O₃+2Cr₂O₃→2（FeO·Cr₂O₃）+1/2O₂

此时可产生30%的体积膨胀。加入MgO和避免还原气氛可消除这种现象。

3.铬铁矿的精选加工

铬铁矿在世界上的储量是很有限的，高品位的矿石更少。铬铁矿中的脉石矿物，特别是含SiO₂的橄榄石、蛇纹石、绿泥石、滑石等对耐火材料是十分有害的，而巨铬铁矿的成分不稳定，即使是同一矿区的矿石也是如此。这样显然不适合制造高质量的耐火材料。根据铬铁矿中脉石的分布特点，用简单的选矿方法即能使脉石含量大大降低。现代耐火材料已越来越多地使用经选矿加工的铬铁矿（铬精矿）。

世界各主要生产国铬精矿的化学成分见表2-42。可见，经磁选、重选或酸浸工艺处理，基本上分离出了全部硅酸盐和其他脉石矿物（表现为SiO₂、CaO等含量极低）。表2-42中我国西藏铬铁矿为仅经螺旋分级和水力分级重选而提纯的精矿，故杂质含量稍高。

表2-42 世界各主要生产国铬精矿的化学成分

（续）

①未做FeO分析，全铁以Fe₂O₃表示。

4.铬铁矿的分级及技术条件

铬铁矿主要用于冶炼金属铬，从而制造不锈钢及各种合金，冶金用铬铁矿的消耗量占铬铁矿总量的87%；在化学工业中，主要用于制造重铬酸钠，它是电镀铬的基本原料，化学工业用铬铁矿占10%；其余3%用于制造镁铬质耐火材料，还有少量的低品位矿石用于制造辉煌绿岩铸石等。

根据用途，铬铁矿大致划分为三级，即耐火材料级、冶金级和化学级。名义上耐火材料级铬铁矿含Cr₂O₃44%～45%（质量分数），冶金级含Cr₂O₃大于46%（质量分数），化学级一般含Cr₂O₃34%～35%（质量分数），但在实际使用时往往跨级，并无严格区分。矿石的价格也决定于铁和SiO₂的含量。表2-43列出了世界铬精矿的分级及用途。

表2-43 世界铬精矿的分级及用途(www.xing528.com)

用于耐火材料的铬铁矿最好有高的铬铁比，并含有较少的SiO₂。表2-44列出了耐火材料用铬矿石的化学成分（YB/T 5265—2007），其分别对（Cr₂O₃、CaO、SiO₂、MgO和Fe₂O₃）含量和粒度做出了规定。表2-45列出了我国铬精矿的技术条件（YB 4066—1991），其适用于生产耐火材料和铬铁合金。

根据JB/T 6984—2013《铸造用铬铁矿砂》规定，铸造用铬铁矿砂根据不同粒度组成分为四组，见表2-46；铸造用铬铁矿砂按平均细度偏差分为四级，见表2-47。

表2-44 耐火材料用铬矿石的化学成分（YB/T 5265—2007）

注：1.GKS40、GKS36块矿中小于20mm的碎矿可不超过30%。

2.5～20mm粒度范围为机选粒矿。

3.铬矿石块矿产品中不应混入明显可见的脉石和其他废石杂物，其表面应干净，不准粘有充填砂浆、泥土；铬矿石块矿中的脉石夹层厚度不超过8mm。

表2-45 铬精矿的技术条件（YB 4066—1991）

表2-46 铸造用铬铁矿砂按粒度组成分组

表2-47 铸造用铬铁矿砂按平均细度偏差分级

铸造用铬铁矿砂牌号表示方法如下：

示例：ZGTS 50/100（49B）表示铸造用铬铁矿砂的主要粒度组成首筛筛号为50，尾筛筛号为100，平均细度为49，平均细度偏差值为±3。

铸造用铬铁矿砂的技术要求如下：

1）外观应为亮黑色均匀颗粒物。

2）铸造用铬铁矿砂的化学成分以三氧化二铬、全铁、二氧化硅、氧化钙含量作为验收依据，并应符合表2-48的规定。

表2-48 铸造用铬铁矿砂化学成分

3）使用化学黏结剂时，铸造用铬铁矿砂的酸耗值不大于5.0mL。

4）铸造用铬铁矿砂的含水量不大于0.2%（质量分数）。

5）铸造用铬铁矿砂的含泥量不大于0.3%（质量分数）。

6）铸造用铬铁矿砂的主要粒度组成应符合表2-46的规定，其相邻三筛余留量之和不小于75%（质量分数），相邻四筛余留量之和不小于85%（质量分数）。对铸造用铬铁矿砂的粒度组成有特殊要求的，由供需双方商定。对任一牌号的铬铁矿砂，供方应提供其平均细度及粒度分布图表。

7）铸造用铬铁矿砂根据主要粒度组成，其细粉含量参照表2-49的规定，其他粒度组成的细粉含量由供需双方商定。

表2-49 铸造用铬铁矿砂细粉含量