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生鐵是怎樣煉成的

2014-04-15 02:53供稿王維興WANGWeixing
金屬世界 2014年1期
關(guān)鍵詞:豎爐生鐵爐頂

供稿|王維興 / WANG Wei-xing

生鐵是怎樣煉成的

How Is the Iron Produced ?

供稿|王維興 / WANG Wei-xing

內(nèi)容導(dǎo)讀

中華民族開創(chuàng)了世界最早的陶瓷和冶金技術(shù),鐫寫了五千年的中華文明史。夏商時代中華民族祖先就掌握了生鐵的冶煉技術(shù),有力地支撐了長達幾千年的農(nóng)業(yè)社會興盛發(fā)展。生活中也常用“陶冶情操”來形容一個人的成長要經(jīng)過千錘百煉。生鐵冶煉技術(shù)應(yīng)該與“四大發(fā)明”一樣成為中華民族的驕傲。中國金屬學(xué)會的王維興老師從冶金專家的角度,在文章中詳細介紹了我國生鐵冶煉的現(xiàn)狀、生鐵冶煉技術(shù)以及生鐵高爐冶煉過程。

鐵具有優(yōu)異的性能:磁性好、強度高、易于塑性加工或鑄造成型。鐵元素在地殼中的含量為5.6%,排在氧、硅和鋁之后,位居第四。在自然界中鐵通常以礦物形式存在,需要通過高爐冶煉等技術(shù)進行提煉。

生鐵和熟鐵

生鐵一般指含碳量超過2.11%并有一定數(shù)量非鐵雜質(zhì)的鐵碳合金?!吧F”的古代漢語命名源于出爐后未經(jīng)炒制(精煉)的鐵器。如今,生鐵是煉鐵高爐的產(chǎn)品,按其用途可分為煉鋼生鐵和鑄造生鐵兩大類。習(xí)慣上把煉鋼生鐵叫做生鐵,把鑄造生鐵簡稱為鑄鐵。生鐵質(zhì)硬且脆、缺乏韌性。鑄鐵通過鍛化、變質(zhì)、球化等方法可以改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu),改善并提高其機械性能。

熟鐵一般指含碳量低于0.1%并含有少量雜質(zhì)的鐵碳合金,又稱軟鐵或鍛鐵?!笆扈F”的古代漢語命名源于“生鐵”加熱熔化后炒制(精煉)的鐵器。熟鐵最早用木炭在“低溫”(<950℃)下還原鐵礦石制得,后來用生鐵和氧化鐵在反射爐 中攪煉制得,并且,在熾熱的半熔融狀態(tài)下,用鍛打的方法去除爐渣等雜質(zhì)制成產(chǎn)品。熟鐵質(zhì)軟,延展性、韌性好,導(dǎo)磁率高,類似于含碳量低且不能淬火硬化的軟鋼。在亞洲,公元前2000年人們就開始以熟鐵代替青銅;公元前3世紀,中國、印度等即開始用熟鐵制作工具和武器;19世紀開始用來制作橫梁等建筑結(jié)構(gòu),此后逐漸被鋼產(chǎn)品代替。在現(xiàn)代,熟鐵主要用于制作手工藝品。

中國生鐵生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前,中國有870多家鋼鐵企業(yè),處于多種層次,不同結(jié)構(gòu),先進與落后技術(shù)并存的階段;中國有1400多座高爐,大于1000 m3以上容積的高爐有420多座,高爐平均爐容偏低,約530 m3;不同容積的高爐設(shè)計、設(shè)備制造、施工、投產(chǎn)、操作均已實現(xiàn)國產(chǎn)化。寶鋼、武鋼、萊鋼、鞍鋼、首鋼等企業(yè)高爐的部分技術(shù)已接近或達到世界先進水平。2012年,中國生鐵產(chǎn)量為65790.5萬t(世界總產(chǎn)量110427.9萬t),占世界總產(chǎn)量的59.58%。

生鐵冶煉技術(shù)

高爐煉鐵

高爐是一個逆向反應(yīng)的豎爐。高爐爐體包括五個部分:爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸。從爐頂裝入燒結(jié)球團、塊礦、焦炭等爐料,爐料在高爐內(nèi)向下運動。從風(fēng)口鼓入熱風(fēng)、富氧空氣、噴入煤粉,焦炭燃燒生成還原氣體,向上運動,對爐料進行加熱和還原。溫度為1400~1550℃ 熔化為液體。從爐頂出來的煤氣經(jīng)過除塵(干法除塵和濕法除塵)進行回收利用。爐渣和液態(tài)鐵水從爐缸流出。

高爐煉鐵生產(chǎn)系統(tǒng)有:上料系統(tǒng)、裝料系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、回收煤氣與除塵系統(tǒng)、造渣系統(tǒng)、噴吹系統(tǒng)以及動力系統(tǒng)。爐前設(shè)備主要有開口機、泥炮、主溝、流鐵溝等。高爐的冷卻設(shè)備有方水箱、扁水箱(或冷卻板)、冷卻壁、水(風(fēng))冷爐底管等類型。爐頂裝料設(shè)備有鐘閥式爐頂(雙鐘、三鐘)、無料鐘爐頂?shù)葞追N類型。上料設(shè)備有斜橋式料車上料、皮帶式上料等。

目前,我國生鐵的生產(chǎn)95%以上仍以高爐煉鐵流程為主,估計50年內(nèi)生鐵生產(chǎn)依然要依賴高爐技術(shù)。相對其他生鐵生產(chǎn)設(shè)備而言,高爐是效率最高、能耗最低、污染物排放最少的煉鐵設(shè)備。

非高爐煉鐵

2012年,世界生鐵總產(chǎn)量110427.9萬t,其中非高爐煉鐵產(chǎn)量為5536.2萬t,而且主要分布在南非、印度、墨西哥、阿聯(lián)酋等幾個國家和地區(qū)。非高爐煉鐵技術(shù)指高爐煉鐵之外的煉鐵技術(shù)和方法,包括直接還原煉鐵、熔融還原煉鐵、粒鐵法、生鐵水泥法和電爐煉鐵等。

熔融還原煉鐵技術(shù)有COREX、FINXX、HHII---SMELT、Midex等。其中COREX法工藝設(shè)備主要有預(yù)還原豎爐、熔融氣化爐和煤氣除塵調(diào)溫系統(tǒng)。預(yù)還原豎爐與Midex法直接還原豎爐類似,熔融氣化爐與高爐的爐缸和爐腹類似。熔融氣化爐所用的煤和熔劑由封閉料斗送入加壓料倉,再用螺旋給料機加入熔融氣化爐。鐵礦石(或氧化球團)由還原豎爐頂部的雙鐘式裝料器加入爐內(nèi),受到煤氣加熱及還原。從還原豎爐排出的預(yù)還原礦石金屬化率平均為95%,由螺旋給料機加入熔融氣化爐內(nèi)在下降過程中被熔化還原為鐵水。礦石中脈石和熔劑形成爐渣。爐內(nèi)生成的渣鐵存放在爐缸內(nèi)定期從爐缸渣、鐵口放出。

直接還原技術(shù)有:豎爐直接還原技術(shù)、鏈篦機-回轉(zhuǎn)窯直接還原技術(shù)等。其中,豎爐直接還原工藝設(shè)備由4部分組成。(1) 重整器:內(nèi)裝若干支重整管,管內(nèi)裝有催化劑,把天然氣轉(zhuǎn)化成CO+H2高溫還原氣。(2) 還原豎爐:自上而下分為5個帶——預(yù)熱帶、上還原帶、下還原帶、過渡帶、冷卻帶。鐵礦石加入爐內(nèi)經(jīng)干燥、預(yù)熱、還原成直接還原鐵經(jīng)冷卻達到較低的溫度。(3) 爐頂氣和冷卻氣凈化裝置:爐頂氣和冷卻氣通過洗滌器和壓縮機,其中1/3供重整氣做燃燒氣,2/3在進入重整器前加入CH4進入重整器進行重整。(4) 直接還原鐵處理裝置:出爐的直接還原鐵經(jīng)熱壓機和打碎機壓成熱壓塊。

高爐冶煉過程簡介

鐵礦石還原

在高爐內(nèi),溫度≤800℃,氣體還原劑CO、H2與鐵的氧化物發(fā)生還原反應(yīng),稱為間接還原;鐵礦石在溫度為850~1000℃時開始進行固體直接還原——用固體還原劑C直接還原鐵的氧化物生成鐵;800~1100℃的區(qū)間為兩種還原共存區(qū)。

直接還原是個吸熱反應(yīng),消耗熱量多,消耗還原劑較少。間接還原是個放熱反應(yīng),但需要有過量還原劑來保證,因此作為還原劑的碳消耗較多。通常用煤氣中CO2利用率來表示間接還原的程度,CO2利用率以45%~50%為好,煤氣中CO2含量以20%以上為好。

在高爐內(nèi),鐵礦石中MnO2、SiO2等氧化物也被還原。MnO2在1100~1200℃被還原為MnO與SiO2組成硅酸鹽進入爐渣。SiO2是難還原物質(zhì),在高爐內(nèi)的還原率為5%~10%,抑制SiO2的還原——冶煉低硅鐵有利于節(jié)能。P2O5在高爐內(nèi)全部被還原,并且P在高爐內(nèi)全部進入生鐵,是有害雜質(zhì)。鈮、鈦等金屬氧化物部分被還原。

影響因素

煤氣中CO和H2的濃度高則鐵礦石還原反應(yīng)速度加快。H2的擴散速度是CO的3.74倍,因此H2對鐵礦石還原反應(yīng)速度的影響力大。間接還原鐵礦石的海綿鐵生產(chǎn),要求H2+ CO濃度>90%。

溫度是加速還原反應(yīng)的關(guān)鍵,氣體擴散速度和礦石表面化學(xué)反應(yīng)隨煤氣溫度的升高而加快。800~1000℃是CO間接還原區(qū)。

高速煤氣流可以沖散鐵礦石固體氧化物周圍阻礙還原劑擴散的氣體薄膜層,使還原劑直接達到氧化物表面。但氣體流速需要有一個適當(dāng)范圍,否則對鐵礦石還原不利。

提高煤氣壓力有利于擴大間接還原區(qū),對加快鐵礦石還原速度有利。

礦石粒度越小,礦石與煤氣接觸面積越大,煤氣利用率越高。

礦石氣孔度是影響礦石還原性的主要因素之一。氣孔度大且分布均勻的礦石還原性好。

高爐造渣

爐渣主要成分為SiO2、CaO、MgO、Al2O3,還有CaF2、TiO2、BaO、MnO等氧化物,以及少量的FeO和硫化物。

爐渣的作用:促進合金元素還原、脫硫,影響高爐軟熔帶及滴落帶形狀和煤氣流分布。另外,爐渣會附著在爐墻上形成渣皮,起到保護爐襯的作用。

爐渣堿度:二元堿度用CaO/SiO2=R2表示,R2>1.0為堿性爐渣,R2<1.0為酸性渣。煉鋼鐵為1.05~1.20,鑄造鐵為0.95~1.05。另外,也可以設(shè)定高爐爐渣四元堿度(CaO + MgO)/(SiO2+ Al2O3)一般在1.5左右為佳。

爐渣熔化溫度一般為1400~1550℃:爐渣能自由流動,脫硫效率高,且熔化溫度允許波動范圍大的稱為長渣,熔化溫度允許波動范圍區(qū)間窄的稱為短渣。爐渣中含有Al2O3等成分時爐渣熔化溫度將升高,Al2O3含量高于10%時,渣流動性和脫硫性能均會變差,需要增加MgO配比從而改善爐渣性能。高爐原料和燃料

◆ 鐵礦石

自然界中鐵是以氧化物和鹽類形式存在的。鐵的礦物形式主要有:赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、褐鐵礦(Fe2O3· nH2O)、菱鐵礦(FeCO3)等。我國有些鐵礦的礦石中含有一些珍貴的元素,例如:包鋼鐵礦石含稀土、釩、鈮等;攀鋼鐵礦含釩、鈦。但是,我國鐵礦石含鐵品位相對較低,一般為27%~32%。

評價鐵礦石的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):1) 最重要的指標(biāo)是含鐵量要高。含鐵在55%以上稱為富礦。2) 脈石中SiO2、CaO、Al2O3等的含量越少越好。一般情況下SiO2、Al2O3含量高的鐵礦石價值低,而CaO、MgO含量高的鐵礦石價值高。3) 含P、S、Pb、Zn、K、Na等有害雜質(zhì)越少越好。4) 鐵礦石越容易還原越好。一般情況下,鐵礦石的還原性磁鐵礦差,赤鐵礦居中,褐鐵礦和菱鐵礦最好。5) 鐵礦石一般都有較高的軟化溫度,常常大于1100℃,鐵礦石軟熔特性以軟熔溫度區(qū)間窄的礦石為好。 6) 鐵礦石粒度越均勻越好。小于5 mm的粒度的礦石比例要低于5%,粒度為5~10 mm的比例要低于30%。一般要求,磁鐵礦粒度低于40 mm,赤鐵礦和褐鐵礦低于50 mm,中小高爐要求礦粒度在20~35 mm。7) 鐵礦石成分要穩(wěn)定,要求含鐵波動在±0.5%以內(nèi)、堿度波動在±0.08以內(nèi)。8) 鐵礦石抗爆裂性要好,還原度要高、含結(jié)晶水要少。

◆ 煉鐵用燃料

木炭(巴西用)、天燃氣(歐洲和俄羅斯用)、焦炭、無煙煤、煙煤(噴吹用)。

其中,無煙煤、煙煤中灰分含量/有害雜質(zhì)含量應(yīng)低于焦炭中的含量。

結(jié)束語

擁有世界最早的陶瓷和冶金技術(shù)鐫寫了中華民族五千年的中華文明史。生鐵冶煉技術(shù)應(yīng)該與“四大發(fā)明”一樣成為中華民族的驕傲。本文簡單介紹了我國生鐵冶煉的現(xiàn)狀、生鐵冶煉技術(shù)以及生鐵高爐冶煉過程,希望有利于讀者了解相關(guān)知識,理解當(dāng)前我國的生鐵生產(chǎn)。

中國金屬學(xué)會,北京 100711

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.07

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