鋼鐵,其實(shí)是兩個(gè)名詞——“鋼”和“鐵”的合稱(chēng)。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(chēng)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(zhì)元素含量很低,其冶煉難度較大,制造成本遠(yuǎn)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(zhì)CO、H2、C;適宜溫度等)通過(guò)物化反應(yīng)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(xiàn)代煉鐵的主要方法,鋼鐵生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。由于技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好,工藝簡(jiǎn)單,生產(chǎn)量大,勞動(dòng)生產(chǎn)率高,能耗低,高爐法生產(chǎn)的鐵占世界鐵總產(chǎn)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(nèi)壁砌以耐火磚,整個(gè)爐子建筑在很深的混凝土基礎(chǔ)上。
高爐生產(chǎn)時(shí),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(fēng)口吹入經(jīng)預(yù)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(nèi)上升過(guò)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(zhì)和石灰石等熔劑結(jié)合生成爐渣,從渣口排出。產(chǎn)生的煤氣從爐頂導(dǎo)出,經(jīng)除塵后,作為熱風(fēng)爐、加熱爐、焦?fàn)t、鍋爐等的燃料。
原料:鐵礦石、溶劑、燃料
①鐵礦石
自然開(kāi)采的礦石,無(wú)論在化學(xué)成分、物理狀態(tài)等各方面,都很難滿足高爐冶煉的要求,必須經(jīng)過(guò)破碎、篩分、選礦、造塊、混勻等準(zhǔn)備處理,以品位高、成分、粒度均勻穩(wěn)定的狀態(tài)供應(yīng)高爐。
冶金工業(yè)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(diǎn)很高的化合物(如SiO2熔點(diǎn)為1625℃,Al2O3熔點(diǎn)為2050℃),它們?cè)诟郀t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(shí)也使?fàn)t子的操作發(fā)生困難。
加入熔劑的目的在于其與這些高熔點(diǎn)的化合物形成低熔點(diǎn)的爐渣,以便在高爐冶煉溫度下完全液化,并保持相當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性,以達(dá)到很好地與金屬分離之目的,保證生鐵的質(zhì)量。
根據(jù)熔劑的性質(zhì),可分為堿性熔劑和酸性熔劑。采用哪一種熔劑要根據(jù)礦石中脈石和燃料中灰分的性質(zhì)來(lái)決定。由于天然礦石中脈石大多數(shù)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(shí)燃料在燃燒過(guò)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(wú)煙煤和半焦等。
理化過(guò)程:高溫下的還原反應(yīng)+造渣反應(yīng)
高爐冶煉的目的,就是要把鐵從鐵礦石中還原出來(lái),同時(shí)去除其中所含的雜質(zhì)。整個(gè)冶煉過(guò)程中,最主要的是進(jìn)行鐵的還原反應(yīng)以及造渣反應(yīng)。
除此之外,還伴隨著其他一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),如水分及揮發(fā)物的蒸發(fā)、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(yīng),都只有在一定的溫度下才能實(shí)現(xiàn)。因此,冶煉過(guò)程還需要有燃料的燃燒來(lái)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(fā)和結(jié)晶水分解;揮發(fā)物的排除;碳酸鹽的分解。
③高爐內(nèi)的還原反應(yīng)
>>鐵的還原
在高爐中,鐵并不是直接從高價(jià)氧化物中還原出來(lái)的,而是要經(jīng)過(guò)一個(gè)由高價(jià)氧化物還原成低價(jià)氧化物,再由低價(jià)氧化物還原出鐵的過(guò)程:
Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
鐵的還原,主要依靠一氧化碳?xì)怏w和固體碳作為還原劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常把一氧化碳的還原稱(chēng)為間接還原,把固體碳的還原稱(chēng)為直接還原。
間接還原總反應(yīng)為:
3Fe2O3+9CO→6Fe+9CO2
直接還原總反應(yīng)為:
3Fe2O3+C→2Fe3O4+CO
>>鐵的碳化
從礦石中還原出來(lái)的鐵,是固體海綿狀的,它的含碳量極低,通常不超過(guò)1%。由于CO在較低的溫度下分解,而分解出的C具有很強(qiáng)的活性,當(dāng)它與鐵接觸時(shí),很容易形成鐵碳合金。
因此,固態(tài)海綿狀鐵在較低的溫度下(400℃～600℃)就開(kāi)始了滲碳作用。其化學(xué)反應(yīng)如下:
2CO+3Fe→Fe3C+CO2
或3Fe(液)+C(固)→Fe3C
④造渣過(guò)程
造渣過(guò)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(guò)程。高爐中的成渣情況常見(jiàn)的有以下兩種:
用普通酸性礦石冶煉時(shí),熔劑以石灰石形態(tài)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(diǎn),并有較好的流動(dòng)性,在它往下降落的過(guò)程(同時(shí)也是溫度升高的過(guò)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(shí),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(kāi)始時(shí)CaO就立即參加了造渣反應(yīng),尤其是采用自熔性燒結(jié)礦冶煉時(shí),早在燒結(jié)過(guò)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(guò)程中爐渣的成分變化也較小。
高爐產(chǎn)品:生鐵+鐵合金
高爐冶煉的產(chǎn)品主要是生鐵、鐵合金,副產(chǎn)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(zhì)。
根據(jù)用途和成分,可將生鐵分成兩大類(lèi)。一類(lèi)是煉鋼生鐵:這種生鐵中的碳以化合物形態(tài)存在,其斷面為銀白色,也叫做白口鐵;另一類(lèi)是鑄造生鐵:直接用來(lái)制造機(jī)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(lèi)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(chǎn)品,以前作為廢物而拋棄,現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于建筑材料。
來(lái)源:金屬材料的世界
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