铁的冶炼过程图文详解-钢铁知识-常州精密钢管博客网

钢铁,其实是两个名词——“钢”和“铁”的合称。炼钢之前先要炼铁。「铁」分为生铁和熟铁。「钢」的含碳量介于生铁和熟铁之间。

「生铁」一般指含碳量在2~6.69%的铁的合金。又称铸铁。生铁里除含碳外,还含有硅、锰及少量的硫、磷等,它可铸不可锻。

「熟铁」是用生铁精炼而成的比较纯的铁。含碳量在0.02%以下,又叫锻铁、纯铁。纯铁要求碳、磷、硫等杂质元素含量很低,其冶炼难度较大,制造成本远大于生铁和钢。

铁的冶炼

炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法等,其原理是矿石在特定的气氛中(还原物质CO、H₂、C;适宜温度等)通过物化反应获取还原后的生铁。生铁除了少部分用于铸造外,绝大部分是作为炼钢原料。

「高炉炼铁」是现代炼铁的主要方法,钢铁生产中的重要环节。由于技术经济指标良好,工艺简单,生产量大,劳动生产率高,能耗低,高炉法生产的铁占世界铁总产量的95%以上。

▲ 高炉炼铁示意图

高炉是近似于圆柱形的炉子,它的外面包以钢板,内壁砌以耐火砖,整个炉子建筑在很深的混凝土基础上。

高炉生产时,从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石),从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气,在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧,从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。

铁矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣,从渣口排出。产生的煤气从炉顶导出,经除尘后,作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。

原料:铁矿石、溶剂、燃料

①铁矿石

自然开采的矿石,无论在化学成分、物理状态等各方面,都很难满足高炉冶炼的要求,必须经过破碎、筛分、选矿、造块、混匀等准备处理,以品位高、成分、粒度均匀稳定的状态供应高炉。

冶金工业常用的铁矿石有以下四种。

矿种	主要成分	理论含铁量	自然含铁量
赤铁矿	Fe₂O₃	70%	50%~60%
磁铁矿	Fe₃O₄	72.4%	40%~70%
褐铁矿	2Fe₂O₃·3H₂O	59.8%	37%~55%
菱铁矿	FeCo₃	48.2%	低

②溶剂

矿石中的脉石和燃料中的灰分,都含有一些熔点很高的化合物(如SiO₂熔点为1625℃,Al₂O₃熔点为2050℃),它们在高炉冶炼的温度下,不能熔化成液体,因而不能使它们很好地与铁液分离,同时也使炉子的操作发生困难。

加入熔剂的目的在于其与这些高熔点的化合物形成低熔点的炉渣,以便在高炉冶炼温度下完全液化,并保持相当的流动性,以达到很好地与金属分离之目的,保证生铁的质量。

根据熔剂的性质,可分为碱性熔剂和酸性熔剂。采用哪一种熔剂要根据矿石中脉石和燃料中灰分的性质来决定。由于天然矿石中脉石大多数为酸性,焦炭灰分也都是酸性的,所以通常都使用碱性熔剂,如石灰石。酸性熔剂很少使用。

③燃料

高炉冶炼所需要的热量,主要是依靠燃料的燃烧而获得,同时燃料在燃烧过程中,还起着还原剂的作用,所以燃料是高炉冶炼的主要原料之一,常用的燃料主要是焦炭,还有无烟煤和半焦等。

理化过程:高温下的还原反应+造渣反应

高炉冶炼的目的,就是要把铁从铁矿石中还原出来,同时去除其中所含的杂质。整个冶炼过程中,最主要的是进行铁的还原反应以及造渣反应。

除此之外,还伴随着其他一系列复杂的物理化学反应,如水分及挥发物的蒸发、碳酸盐的分解、铁的碳化和熔化以及其他各种元素的还原等,而这一系列的反应,都只有在一定的温度下才能实现。因此,冶炼过程还需要有燃料的燃烧来作为必要的条件。

①燃料的燃烧

C+O₂→CO₂

②炉料的分解

水分蒸发和结晶水分解;挥发物的排除;碳酸盐的分解。

③高炉内的还原反应

>>铁的还原

在高炉中,铁并不是直接从高价氧化物中还原出来的,而是要经过一个由高价氧化物还原成低价氧化物,再由低价氧化物还原出铁的过程:

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe

铁的还原,主要依靠一氧化碳气体和固体碳作为还原剂来实现。通常把一氧化碳的还原称为间接还原,把固体碳的还原称为直接还原。

间接还原总反应为:

3Fe₂O₃+9CO→6Fe+9CO₂

直接还原总反应为:

3Fe₂O₃+C→2Fe₃O₄+CO

>>铁的碳化

从矿石中还原出来的铁,是固体海绵状的,它的含碳量极低,通常不超过1%。由于CO在较低的温度下分解,而分解出的C具有很强的活性,当它与铁接触时,很容易形成铁碳合金。

因此,固态海绵状铁在较低的温度下(400℃～600℃)就开始了渗碳作用。其化学反应如下:

2CO+3Fe→Fe₃C+CO₂

或3Fe(液)+C(固)→Fe₃C

④造渣过程

造渣过程就是矿石中的脉石和燃料中的灰分与熔剂合在一起,从高炉中被清除出去的过程。高炉中的成渣情况常见的有以下两种:

用普通酸性矿石冶炼时,熔剂以石灰石形态装入高炉,熔剂中的CaO并不能与矿石中的酸性氧化物密切接触,因此最初形成的渣,主要是SiO₂、Al₂O₃与一部分已还原的FeO生成的Fe₂SiO₄。由于渣中有FeO存在,降低了炉渣的熔点,并有较好的流动性,在它往下降落的过程(同时也是温度升高的过程)中,所含的FeO逐渐被还原而失去,而CaO的含量随之增多,最后形成末渣流入炉缸。

用自熔性矿石冶炼时,由于矿石中含有较多的CaO,并且它与酸性的SiO2能很好地接触,所以在冶炼开始时CaO就立即参加了造渣反应,尤其是采用自熔性烧结矿冶炼时,早在烧结过程中CaO就和SiO₂、Al₂O₃等形成了炉渣,因此在这种矿石的初成炉渣中CaO的含量就较高,在下降过程中炉渣的成分变化也较小。

高炉产品:生铁+铁合金

高炉冶炼的产品主要是生铁、铁合金,副产品有炉渣、煤气和炉尘等。

①生铁

生铁是含碳量在2%以上的铁碳合金,其中还含有Si、Mn、S、P等杂质。

根据用途和成分,可将生铁分成两大类。一类是炼钢生铁:这种生铁中的碳以化合物形态存在,其断面为银白色,也叫做白口铁;另一类是铸造生铁:直接用来制造机器零部件的。

②铁合金

铁与任何一种金属或非金属的合金都叫做铁合金(有的也叫它合金生铁)。铁合金的种类很多,有硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、钨铁等。

③炉渣、炉气和炉尘

炉渣、炉气和炉尘是高炉的副产品,以前作为废物而抛弃,现在已经广泛用于建筑材料。

来源:金属材料的世界

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