生鐵是怎樣煉成的

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(dá)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(xì)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(qiáng)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(jìn)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(jī)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。“熟鐵”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(jì)，中國、印度等即開始用熟鐵制作工具和武器；19世紀(jì)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(jìn)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(jì)、設(shè)備制造、施工、投產(chǎn)、操作均已實(shí)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(dá)到世界先進(jìn)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(tuán)、塊礦、焦炭等爐料，爐料在高爐內(nèi)向下運(yùn)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(yùn)動，對爐料進(jìn)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(jìn)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(jī)、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(jì)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(jī)加入熔融氣化爐。鐵礦石(或氧化球團(tuán))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(jī)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(jī)-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(dá)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(jī)，其中1/3供重整氣做燃燒氣，2/3在進(jìn)入重整器前加入CH4進(jìn)入重整器進(jìn)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(jī)和打碎機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(kuò)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(kuò)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(kuò)散的氣體薄膜層，使還原劑直接達(dá)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(kuò)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(jìn)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(hù)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(jià)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(jià)值低，而CaO、MgO含量高的鐵礦石價(jià)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?xì)?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