基于冶金工程專業(yè)的煉鐵催化規(guī)律研究

肖俊琦

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

源礦產(chǎn)，還擁有鐵、錳、鎢、鈦等許多黑色礦產(chǎn)資源，同時還擁有稀土、稀有元素和有色金屬及貴金屬等許多礦產(chǎn)資源，其中一些礦產(chǎn)資源的儲量位居世界前列。隨著黑色金屬鐵礦產(chǎn)和有色金屬及貴金屬的不斷開發(fā)，專門從事鋼鐵冶煉、有色金屬的冶金工程專業(yè)院校培養(yǎng)了大批高科技技術(shù)人才，推動了冶金工藝的快速發(fā)展[1]?？萍既藛T從這些鐵礦物質(zhì)和有色金屬中提取大量的金屬化合物。我國作為鋼鐵產(chǎn)量大國，鋼材在社會生產(chǎn)中起著重要的作用，由于鋼鐵材料本身固有的特性，專業(yè)人員采取直接還原煉鐵工藝或者絨絨還原煉鐵工藝這兩種非高爐冶煉技術(shù)，利用鐵礦石成分的氧化物的特有反應(yīng)屬性進(jìn)行催化活性作用，將礦石中氧化鐵還原獲得固態(tài)鐵的生產(chǎn)工藝，成為當(dāng)今冶煉行業(yè)效值高、綠色環(huán)保的科學(xué)煉鐵冶金新工藝[2]。

1 基于冶金工程專業(yè)的催化作用

冶金工程專業(yè)是專門研究礦石資源中所含的金屬礦物質(zhì)材料，并對這些金屬化合物利用冶煉工藝提取技術(shù)，制作具有良好使用性能和經(jīng)濟(jì)價值的開發(fā)產(chǎn)品[3]。在理論知識與實踐技術(shù)應(yīng)用相結(jié)合的基礎(chǔ)上，通過不斷開發(fā)科學(xué)的催化作用新技術(shù)，并運(yùn)用新工藝和新材料，制定合理的冶煉技術(shù)、生產(chǎn)工藝和設(shè)計方法，開發(fā)生產(chǎn)具有社會生產(chǎn)價值的原材料，實現(xiàn)資源有效利用和綠色環(huán)保的冶煉新工藝。針對冶金工程專業(yè)新工藝的催化作用存在的規(guī)律進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)冶煉過程中鐵中礦物質(zhì)吸附時，會發(fā)生正、負(fù)兩類催化作用的溶損反應(yīng)。

（1）正催化作用。在冶煉過程中，焦炭是高爐冶煉的主要燃料。當(dāng)高爐加熱后，焦炭在發(fā)熱燃燒過程中形成焦炭溶損，正催化作用能提高礦物質(zhì)的反應(yīng)性，增加焦炭溶損反應(yīng)的快速進(jìn)行。①堿金屬。高爐內(nèi)堿金屬的存在，有利于氣流中 CO 分子吸附在炭表面，形成碳堿化合物增加了焦炭的反應(yīng)性，起到了良好的催化作用。②堿土金屬。堿土金屬促進(jìn)了焦炭表面的溶損反應(yīng)，發(fā)生催化活性作用。③過渡金屬。當(dāng)過渡金屬氧化物大量存在于高爐內(nèi)，氧化物分子結(jié)構(gòu)中會生成多種活化過渡態(tài)氧，增加焦炭溶損和鐵氧化物的反應(yīng)活性，起到循環(huán)催化作用。④稀土金屬。稀土金屬具有較強(qiáng)的化學(xué)活性，稀土金屬氧化物與焦炭溶損產(chǎn)生催化反應(yīng)，在煉鋼過程中起到脫氧脫硫的作用。

（2）負(fù)催化作用。當(dāng)高爐內(nèi)存在較多的硼、三價磷和鹵素及含硼化合物的有害非金屬物質(zhì)時，就會抑制焦炭溶損與礦物質(zhì)的反應(yīng)性，導(dǎo)致焦炭反應(yīng)性降低引起負(fù)催化作用。這些不利于碳的溶損的有害物質(zhì)，在高溫?zé)o水汽的情況下大量吸附周邊碳結(jié)構(gòu)中的活性穩(wěn)定配合物，使礦物質(zhì)無法對焦炭溶損進(jìn)行催化作用，不僅降低了焦炭溶損速度，造成通道堵塞，還會產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)催化作用，影響冶煉工藝的順利進(jìn)行。

2 基于冶金工程專業(yè)煉鐵催化規(guī)律

針對鋼鐵冶金的催化規(guī)律進(jìn)行分析，在高溫狀態(tài)下，高爐內(nèi)的堿金屬、過渡金屬和稀有金屬等具有催化作用的金屬元素，提高了焦炭溶損的速度迅速生成一氧化碳，將爐內(nèi)鐵礦石的氧鐵化合物還原得到鐵。在冶金工程專業(yè)煉鐵催化技術(shù)的保證下，實現(xiàn)了爐渣的優(yōu)化造渣，完成合理的脫硫過程，還有效抑制風(fēng)口帶硅的還原，降低一氧化碳在高爐中的危害，減少能源的消耗，增加有效資源的合理利用。

圖1 煉鐵工藝演化過程

（1）造渣過程優(yōu)化。在傳統(tǒng)冶煉工藝中，由于高爐內(nèi)鐵礦石與焦炭在燃燒熔化過程中，焦炭溶損速度慢會產(chǎn)生大量的廢渣，這些廢渣中含有氧化鐵不利于鐵水脫硫，因此需要進(jìn)行復(fù)雜的脫渣過程。實施新技術(shù)的催化作用后，促進(jìn)了鐵氧化合物與焦炭的快速溶損，高爐內(nèi) 90%以上鐵氧化物還原成固態(tài)鐵，減少了爐渣的形成。

（2）脫硫過程合理。脫硫脫氧是冶煉工藝中最為繁瑣的過程，傳統(tǒng)的脫硫過程需要從爐料煤氣中吸收硫，然后生成高硫鐵水再進(jìn)行脫硫的復(fù)雜過程。經(jīng)過新催化作用后，煤粉和焦炭中的硫與熔劑中的氧化鈣產(chǎn)生反應(yīng)，被快速熔化后的爐渣固定在一起。

（3）風(fēng)口帶硅的還原被抑制。在冶煉過程中，新催化規(guī)律增加了高爐內(nèi)的煤粉與熔劑之間的相互混合噴吹，促進(jìn)了氧化鈣、煤粉和焦炭中灰分的有效結(jié)合。針對新催化規(guī)律對高爐內(nèi)燃燒物溶損時，二氧化硅存在的反應(yīng)差別進(jìn)行分析 ： ①行為相同，但其添加作用明顯小于吸附作用 ；②行為明顯不同，在高爐內(nèi)二氧化硅會出現(xiàn)正催化和負(fù)催化兩種行為 ；當(dāng)氧化物的催化能力降低就會造成有二氧化硅吸附過多產(chǎn)生負(fù)催化作用 ；而在二氧化硅均勻分布在焦炭表面時，催化活性增加形成正催化作用。如果焦炭表面氧化物大于二氧化硅時，造成部分焦炭氣孔壁被基質(zhì)所包裹，活性面減少無法進(jìn)行催化作用，因此吸附催化反應(yīng)就會大于添加 ；③對焦炭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，當(dāng)二氧化硅較多吸附在焦炭結(jié)構(gòu)中，就會對具體結(jié)構(gòu)造成破壞，導(dǎo)致焦炭溶損反應(yīng)性增大，嚴(yán)重影響煉焦煤與焦炭溶損反應(yīng)產(chǎn)生負(fù)催化作用。對于溶損反應(yīng)的負(fù)催化作用，得出兩種方式和完全相反的效果。

公式（1）中：Ad表示煤中干基灰分，%；Vd表示煤干基揮發(fā)分，%。通過以上兩種方式得出，以分子和分母分別代表的礦物質(zhì)氧化物的正、負(fù)催化作用，在與各礦物質(zhì)前的系數(shù)進(jìn)行衡量時，催化作用值越大，焦炭溶損反應(yīng)的正、負(fù)催化作用就越強(qiáng)。

在高爐冶煉過程中，添加爐內(nèi)的鐵礦石、焦炭和溶劑等原料要按照標(biāo)準(zhǔn)比例進(jìn)行投放。避免生礦石或劣質(zhì)礦石直接進(jìn)入爐缸，因為這些劣質(zhì)礦石會造成爐涼和爐缸凍結(jié)事故。選擇礦品質(zhì)量好的就會減輕冶煉時有害雜質(zhì)及粉末的形成，煤渣量也會減少。

3 實驗分析

為了驗證基于冶金工程專業(yè)的煉鐵催化規(guī)律研究方法的可靠性，將傳統(tǒng)方法與該方法分別在低溫和高溫環(huán)境下的研究效果進(jìn)行對比分析。實驗原料和生鐵成分如表 1所示。

表1 實驗原料和生鐵成分

在表1數(shù)據(jù)支持下，將兩種方法分別在高溫和低溫環(huán)境下進(jìn)行實驗分析，結(jié)果如圖 2 所示。

（a）高溫環(huán)境下 ：傳統(tǒng)方法在溫度為 35℃下研究效果達(dá)到最高為 75%，隨著溫度升高，研究效果下降，最終在溫度為 50℃下達(dá)到最低為 38%。而研究方法在不同溫度下，研究效果始終保持在 80%以上。

（b）低溫環(huán)境下：傳統(tǒng)方法隨著溫度降低，研究效果也變差，最終在-30℃下達(dá)到最低為10% ；而研究方法研究效果始終維持在80%以上。

圖2 兩種方法研究效果對比分析

通過上述研究結(jié)果可知，研究方法研究效果比傳統(tǒng)方法要好，由此也證實了基于冶金工程專業(yè)的煉鐵催化規(guī)律研究方法可靠性。

4 結(jié)束語

冶金工程專業(yè)在冶金理論知識和冶金實踐經(jīng)驗中發(fā)揮了重要的作用，推動了煉鐵新催化技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。隨著我國鐵礦產(chǎn)資源的大量應(yīng)用，煉鐵催化規(guī)律的成功提高了鐵的冶煉質(zhì)量和產(chǎn)量，優(yōu)質(zhì)的鋼材料產(chǎn)品促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展?；谝苯鸸こ虒I(yè)煉鐵催化規(guī)律的應(yīng)用研究，在正確的冶金工程專業(yè)理念和冶金技術(shù)的指導(dǎo)下，根據(jù)煉鐵過程中物化反應(yīng)的演化過程，對煉鐵催化規(guī)律進(jìn)行實踐研究，通過對原有技術(shù)的不斷改進(jìn)，利用科學(xué)合理的新催化技術(shù)，對煉鐵催化技術(shù)的有效應(yīng)用和發(fā)展起到了重要指導(dǎo)作用。