煉鐵中使用固體碳作還原劑存在值得商榷之問題

孫賢哲

摘 要：用碳還原鐵的各級(jí)氧化物存在一個(gè)嚴(yán)重問題：用碳作還原劑不一定能最終得到鐵，得到的卻是鐵的副產(chǎn)品——滲碳體

（Fe3C）。選用CO氣體還原劑不僅能克服上述缺陷，還可以大大改善煉鐵質(zhì)量，大幅度提高煉鐵的收得率。

關(guān)鍵詞：煉鐵；固體碳；還原劑

中圖分類號(hào)：TF5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）01-0058-02

Abstract： There is a serious problem in the reduction of iron oxides with carbon. Using carbon as the reducing agent， iron can not be obtained， but cementite （Fe3C）， a by-product of iron， can be obtained. The selection of CO gas reductant can not only overcome the above defects， but also greatly improve the quality of ironmaking and the yield of ironmaking.

Keywords： ironmaking； solid carbon； reductant

使用固體還原劑和氣體還原劑對(duì)產(chǎn)物的影響大不一樣：固體C作還原劑對(duì)產(chǎn)物鐵有“污染”，碳與鐵相互作用，結(jié)果生成滲碳體（Fe3C）；而氣體CO作還原劑對(duì)產(chǎn)物鐵不僅沒有“污染”，而且有保護(hù)作用，同時(shí)對(duì)產(chǎn)物之中的CO2是氣體對(duì)氣體因而有一定的稀釋作用。所以采用氣體還原劑CO較固體碳，能更猛烈地促進(jìn)還原反應(yīng)的正向進(jìn)行，從而大大提高煉鐵的收得率。所以氣體還原劑CO是煉鐵的理想之選。不過，這之中也帶來點(diǎn)新的負(fù)面問題值得注意：

產(chǎn)物有CO2氣體又添還原劑氣體，體系氣體量猛增，致使鐵液含氣量升高（含氣量高低要取決于混合氣體CO2、CO在鐵液中的溶解度以及CO2、CO混合氣體所造成的分壓）所以不可避免會(huì)有或多或少的氣體滯留于鐵液之中（成品時(shí)會(huì)有皮下氣泡缺陷），因此，排氣除氣問題就顯得尤為突出。對(duì)此，筆者認(rèn)為，可通過改進(jìn)冶煉方法，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)加以有效解決：建議采用真空冶煉設(shè)備，同時(shí)輔之以精煉手段（攪拌而且要采用氣體攪拌從而促進(jìn)排氣），如此就可以成功解決有效去氣排氣的問題。

一氧化碳CO不會(huì)使體系增碳，但鐵液自身如果碳含量偏高，那么最終產(chǎn)物也不會(huì)是鐵而是鋼（即鐵碳合金），所以脫碳也是必要手段。之所以能形成滲碳體（Fe3C），歸根到底在于：鐵和碳還是有一定的親和力，在沒有與碳親和力強(qiáng)于鐵的其他元素存在的前提下，就會(huì)形成滲碳體（Fe3C）。脫碳反應(yīng)的實(shí)質(zhì)就是利用與碳親和力超過鐵的元素作為脫碳劑從而實(shí)現(xiàn)脫碳。由于氧與碳親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鐵，而且氧與碳結(jié)合生產(chǎn)的是氣體（CO）從而有利于從鐵液中排除，所以脫碳反應(yīng)脫碳劑就是“非氧莫屬”了。

即：渣中的FeO轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散至鐵液之中成為鐵液中的FeO，鐵液中的FeO發(fā)生分解反應(yīng)，分解出鐵Fe及氧O，分解出的氧又與鐵液中的碳相互作用，最終生成一氧化碳?xì)馀荻仙懦觥?/p>

脫碳反應(yīng)使用脫碳劑，不可避免地又會(huì)造成體系中鐵液氧含量的升高，于是又面臨脫氧的現(xiàn)實(shí)問題（因?yàn)樘佳醴e一定，碳低則氧高）。此時(shí)，為了脫氧而使用碳作脫氧劑那就不合時(shí)宜了。

在此之前，作為預(yù)備，筆者不妨就相關(guān)問題做一番疏理，以利于后繼問題的討論。

關(guān)于“完全燃燒”與“不完全燃燒”之問題：“燃燒得很猛烈，那一定是完全燃燒！”這是對(duì)完全燃燒的一個(gè)感性認(rèn)識(shí)?！安黄鸹鹈?、有濃煙、光亮能見度低，則一定是不完全燃燒?！边@是對(duì)不完全燃燒的感性認(rèn)識(shí)。兩者的反應(yīng)機(jī)理如下：

燃燒反應(yīng)究竟向何處去，取決于溫度和氧勢(shì)。完全燃燒是放熱反應(yīng)，所以低溫有利（但并不是溫度越低越好，溫度過低影響燃燒反應(yīng)的界面?zhèn)髻|(zhì)，因而反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件將受到限制，所以溫度再低也要高于燃點(diǎn)），同時(shí)氧濃度（即氧勢(shì)）要高。

不完全燃燒是吸熱反應(yīng)，所以要高溫操作，這樣更有利于不完全燃燒的順行。同時(shí)氧勢(shì)要控制為低氧勢(shì)。“高溫、低氧”就是不完全燃燒反應(yīng)的熱力學(xué)條件。

但在實(shí)際燃燒中以粗略分析、大致判斷即能有所把握：

起火苗、顯亮光、火勢(shì)旺就是完全燃燒的跡象；濃煙重、不起火苗、亮光能見度低則是不充分燃燒的跡象。在野外富氧區(qū)有利于完全燃燒，而在高原貧氧帶則更有利于一氧化碳?xì)怏w的生產(chǎn)。

當(dāng)燃燒反應(yīng)處于低溫階段（通常認(rèn)為低于850℃），完全燃燒則是主反應(yīng)式，其燃燒產(chǎn)物就是二氧化碳CO2居多；當(dāng)反應(yīng)處于高溫（通常認(rèn)為高于850℃），不充分燃燒就是主反應(yīng)式，因而燃燒產(chǎn)物則是一氧化碳CO居多。

關(guān)于二氧化碳、一氧化碳產(chǎn)物的分辨：

（1）一氧化碳是可燃?xì)怏w，而二氧化碳則不能被氧化。

（2）一氧化碳有毒而二氧化碳無毒。一氧化碳有毒足以致人而死，二氧化碳無毒，但非常排斥氧的存在，容易造成缺氧而窒息。

（3）從分子量分析、比較可推知：二氧化碳?xì)怏w密度較之一氧化碳密度大故易下沉，一氧化碳相對(duì)密度小故易上浮。二氧化碳、一氧化碳相混合，終態(tài)穩(wěn)定之時(shí)一定要發(fā)生分層現(xiàn)象，不會(huì)形成混合物的“均相”體系。

關(guān)于一氧化碳還原劑的制取問題：

有一條最基本的途徑是利用碳的氣化反應(yīng)制取。

碳?xì)饣磻?yīng)因有高溫需要，所以孤立地看也存在補(bǔ)熱的熱源問題尚待落實(shí)。因此也需要與完全燃燒相匹配，如此，碳?xì)饣磻?yīng)才能發(fā)揮其應(yīng)有的功效。

注意到前式生成物二氧化碳CO2恰是后式反應(yīng)物其中的一項(xiàng)，所以完全燃燒與碳?xì)饣邱詈详P(guān)系。這正說明完全燃燒之于碳?xì)饣磻?yīng)是不可或缺、無可替代的，前者要為后者提供熱源而且是高溫?zé)嵩?，還要為后者提供反應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)：碳?xì)饣磻?yīng)所需要的固體碳“氣化劑”。所以完全燃燒對(duì)碳?xì)饣磻?yīng)來說就是“雪中送碳”，是碳?xì)饣磻?yīng)賴以存在的條件。通過完全燃燒可以積累熱效應(yīng)，從而提高溫度，進(jìn)而為碳?xì)饣磻?yīng)提供高溫?zé)嵩矗@是其一；完全燃燒的產(chǎn)物二氧化碳CO2，雖是非目標(biāo)但它卻是碳?xì)饣磻?yīng)中固體碳的“氣化劑”。所以碳?xì)饣磻?yīng)要與完全燃燒反應(yīng)相匹配而存在、相藕合而有意義。

綜上分析，得知利用碳?xì)饣磻?yīng)制取一氧化碳的具體工藝：低溫階段（通常認(rèn)為850℃以下）充分利用完全燃燒不斷積累熱效應(yīng)，從而提升溫度，進(jìn)而為碳?xì)饣磻?yīng)的順行提供高溫?zé)嵩幢Ｕ?。與此同時(shí)也生產(chǎn)出碳?xì)饣磻?yīng)所需要的固體碳“氣化劑”（二氧化碳CO2）；高溫時(shí)（通常認(rèn)為850℃以上），碳?xì)饣磻?yīng)則相繼發(fā)生，從而完成了一氧化碳（CO）的制取任務(wù)。

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