鋼鐵,其實是兩個名詞——“鋼”和“鐵”的合稱。煉鋼之前先要煉鐵。「鐵」分為生鐵和熟鐵。「鋼」的含碳量介于生鐵和熟鐵之間。
「生鐵」一般指含碳量在2~6.69%的鐵的合金。又稱鑄鐵。生鐵里除含碳外,還含有硅、錳及少量的硫、磷等,它可鑄不可鍛。
「熟鐵」是用生鐵精煉而成的比較純的鐵。含碳量在0.02%以下,又叫鍛鐵、純鐵。純鐵要求碳、磷、硫等雜質元素含量很低,其冶煉難度較大,制造成本遠大于生鐵和鋼。
煉鐵方法主要有高爐法、直接還原法、熔融還原法等,其原理是礦石在特定的氣氛中(還原物質CO、H2、C;適宜溫度等)通過物化反應獲取還原后的生鐵。生鐵除了少部分用于鑄造外,絕大部分是作為煉鋼原料。
「高爐煉鐵」是現代煉鐵的主要方法,鋼鐵生產中的重要環節。由于技術經濟指標良好,工藝簡單,生產量大,勞動生產率高,能耗低,高爐法生產的鐵占世界鐵總產量的95%以上。
▲ 高爐煉鐵示意圖
高爐是近似于圓柱形的爐子,它的外面包以鋼板,內壁砌以耐火磚,整個爐子建筑在很深的混凝土基礎上。
高爐生產時,從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑(石灰石),從位于爐子下部沿爐周的風口吹入經預熱的空氣。在高溫下焦炭中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣,在爐內上升過程中除去鐵礦石中的氧,從而還原得到鐵。煉出的鐵水從鐵口放出。
鐵礦石中不還原的雜質和石灰石等熔劑結合生成爐渣,從渣口排出。產生的煤氣從爐頂導出,經除塵后,作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等的燃料。
原料:鐵礦石、溶劑、燃料
①鐵礦石
自然開采的礦石,無論在化學成分、物理狀態等各方面,都很難滿足高爐冶煉的要求,必須經過破碎、篩分、選礦、造塊、混勻等準備處理,以品位高、成分、粒度均勻穩定的狀態供應高爐。
冶金工業常用的鐵礦石有以下四種。
礦種 | 主要成分 | 理論含鐵量 | 自然含鐵量 |
赤鐵礦 | Fe2O3 | 70% | 50%~60% |
磁鐵礦 | Fe3O4 | 72.4% | 40%~70% |
褐鐵礦 | 2Fe2O3·3H2O | 59.8% | 37%~55% |
菱鐵礦 | FeCo3 | 48.2% | 低 |
②溶劑
礦石中的脈石和燃料中的灰分,都含有一些熔點很高的化合物(如SiO2熔點為1625℃,Al2O3熔點為2050℃),它們在高爐冶煉的溫度下,不能熔化成液體,因而不能使它們很好地與鐵液分離,同時也使爐子的操作發生困難。
加入熔劑的目的在于其與這些高熔點的化合物形成低熔點的爐渣,以便在高爐冶煉溫度下完全液化,并保持相當的流動性,以達到很好地與金屬分離之目的,保證生鐵的質量。
根據熔劑的性質,可分為堿性熔劑和酸性熔劑。采用哪一種熔劑要根據礦石中脈石和燃料中灰分的性質來決定。由于天然礦石中脈石大多數為酸性,焦炭灰分也都是酸性的,所以通常都使用堿性熔劑,如石灰石。酸性熔劑很少使用。
③燃料
高爐冶煉所需要的熱量,主要是依靠燃料的燃燒而獲得,同時燃料在燃燒過程中,還起著還原劑的作用,所以燃料是高爐冶煉的主要原料之一,常用的燃料主要是焦炭,還有無煙煤和半焦等。
理化過程:高溫下的還原反應+造渣反應
高爐冶煉的目的,就是要把鐵從鐵礦石中還原出來,同時去除其中所含的雜質。整個冶煉過程中,最主要的是進行鐵的還原反應以及造渣反應。
除此之外,還伴隨著其他一系列復雜的物理化學反應,如水分及揮發物的蒸發、碳酸鹽的分解、鐵的碳化和熔化以及其他各種元素的還原等,而這一系列的反應,都只有在一定的溫度下才能實現。因此,冶煉過程還需要有燃料的燃燒來作為必要的條件。
①燃料的燃燒
C+O2→CO2
②爐料的分解
水分蒸發和結晶水分解;揮發物的排除;碳酸鹽的分解。
③高爐內的還原反應
>>鐵的還原
在高爐中,鐵并不是直接從高價氧化物中還原出來的,而是要經過一個由高價氧化物還原成低價氧化物,再由低價氧化物還原出鐵的過程:
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
鐵的還原,主要依靠一氧化碳氣體和固體碳作為還原劑來實現。通常把一氧化碳的還原稱為間接還原,把固體碳的還原稱為直接還原。
間接還原總反應為:
3Fe2O3+9CO→6Fe+9CO2
直接還原總反應為:
3Fe2O3+C→2Fe3O4+CO
>>鐵的碳化
從礦石中還原出來的鐵,是固體海綿狀的,它的含碳量極低,通常不超過1%。由于CO在較低的溫度下分解,而分解出的C具有很強的活性,當它與鐵接觸時,很容易形成鐵碳合金。
因此,固態海綿狀鐵在較低的溫度下(400℃～600℃)就開始了滲碳作用。其化學反應如下:
2CO+3Fe→Fe3C+CO2
或3Fe(液)+C(固)→Fe3C
④造渣過程
造渣過程就是礦石中的脈石和燃料中的灰分與熔劑合在一起,從高爐中被清除出去的過程。高爐中的成渣情況常見的有以下兩種:
用普通酸性礦石冶煉時,熔劑以石灰石形態裝入高爐,熔劑中的CaO并不能與礦石中的酸性氧化物密切接觸,因此最初形成的渣,主要是SiO2、Al2O3與一部分已還原的FeO生成的Fe2SiO4。由于渣中有FeO存在,降低了爐渣的熔點,并有較好的流動性,在它往下降落的過程(同時也是溫度升高的過程)中,所含的FeO逐漸被還原而失去,而CaO的含量隨之增多,最后形成末渣流入爐缸。
用自熔性礦石冶煉時,由于礦石中含有較多的CaO,并且它與酸性的SiO2能很好地接觸,所以在冶煉開始時CaO就立即參加了造渣反應,尤其是采用自熔性燒結礦冶煉時,早在燒結過程中CaO就和SiO2、Al2O3等形成了爐渣,因此在這種礦石的初成爐渣中CaO的含量就較高,在下降過程中爐渣的成分變化也較小。
高爐產品:生鐵+鐵合金
高爐冶煉的產品主要是生鐵、鐵合金,副產品有爐渣、煤氣和爐塵等。
①生鐵
生鐵是含碳量在2%以上的鐵碳合金,其中還含有Si、Mn、S、P等雜質。
根據用途和成分,可將生鐵分成兩大類。一類是煉鋼生鐵:這種生鐵中的碳以化合物形態存在,其斷面為銀白色,也叫做白口鐵;另一類是鑄造生鐵:直接用來制造機器零部件的。
②鐵合金
鐵與任何一種金屬或非金屬的合金都叫做鐵合金(有的也叫它合金生鐵)。鐵合金的種類很多,有硅鐵、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵、鎢鐵等。
③爐渣、爐氣和爐塵
爐渣、爐氣和爐塵是高爐的副產品,以前作為廢物而拋棄,現在已經廣泛用于建筑材料。
來源:金屬材料的世界
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