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第8章 炼铁的过程

炼生铁的原理就是要想方设法,把铁矿石氧化铁中的氧除去,使它还原成单质金属铁。较常见的方法有高炉法、电气还原炉法、直接还原法,还有电浆熔炉法。

1.炼铁原理

高炉炼制生铁,是借助炉内焦炭燃烧产生的高温及焦炭燃烧产生的还原剂—一氧化碳气体,在各种浓度、压力与温度下与氧化铁进行还原反应。也可把高炉看成料柱与气流间的反应器,上升的炉气把下降的炉料加热,同时发生物理变化和化学反应。主要的反应有热交换、还原、燃烧、软化与熔融等。以下是各种反应的过程与说明:

燃烧带:在风口前端,热风吹入炉内后,空气中的氧便与赤热的焦炭发生燃烧反应,生成一氧化碳气体,2C O2=2CO(放热反应)。

熔融带:在高炉的炉腹部位,除焦炭外,其他加入的原料都开始熔融。大约在900℃。铁矿石就开始软化。大约到达1000℃时,矿石就开始相互熔融。铁矿石或含铁料就这样熔融了,然后烧结,还原成铁,再渗入碳、硅、锰、硫、磷等元素,熔点就降低了,并化成向下滴的生铁熔液,汇聚在炉缸里,此时炉渣也开始生成、熔融、滴下。

下部还原区:在炉身下部到炉腰的地方,炉气上升与下落的铁矿石接触,发生间接与直接的还原反应,氧化铁被还原成固态的海绵铁。此时石灰石也快速分解生成氧化钙,并到达下部还原区底部,与铁矿石中的脉石结合。

上部还原区:高炉炉身上部到加料线间的区域为上部还原区,此处为预热带,又叫做预热还原区。高炉的加入料被上升的气体预热至200~300℃;此时碳酸盐类开始分解、水分与结晶水被蒸发排出、铁矿石中的氧化铁和四氧化三铁逐渐下降,与上升的一氧化碳气体发生部分或完全还原。

2.炼铁流程

高炉炼铁的主要原料有三种:铁矿石、焦炭与石灰石。

①铁矿石。铁矿石中赤铁矿、磁铁矿和褐铁矿是较普便的。如今人们已经很少直接把大量铁矿石加入炉中炼制了,而是把矿石先经烧结处理,形成烧结矿或选矿及特殊处理的球团矿,作为含铁原料,再把含铁原料送入高炉中。

②焦炭。焦炭加入高炉内有重要作用,它提供反应及熔化所需的热量,它是还原剂更具有高温强度,是料柱骨架。

③石灰石。石灰石是助熔剂。配合高炉原料的选用,也可用白云石代替。助熔剂能结合铁矿石中的脉石二氧化硅与焦炭中的灰分,降低它们的熔点,使它们形成炉渣排出。

现代炼铁厂的主要结构是:加料设备、高炉、热风炉、鼓风设备、除尘设备等构成。原料运送到原料存储场,经处理后输送到原材料仓储存。高炉是24小时连续不间断运行工作的,原料使用量极大,所以必须有充足的库存量供高炉运作。

以下是炼铁的主要流程及其说明:

①原料储存:原料从码头卸下送往输往原料堆存场,再经处理后送到原料库储存。

②加料:高炉操作时,把原料处理场或储仓储存库的原料运出来,这些铁矿石、焦炭、石灰石等原料,经量秤后,由原料输送设备送到炉顶的料斗,料斗自动按顺序分层输送原料,原料通过钟型炉顶或其他布料装置输入高炉里。

③还原熔融:鼓风机将冷风送至热风炉加热后,变成为热风,热风不断地由炉腹下缘各个风口吹进炉内。当炉内焦炭下降至炉腹下缘时,就与热风发生燃烧作用,作用中生成大量的一氧化碳气体和热能。这种高温还原性气体上升刚好与下降的铁矿石发生间接还原作用,其反应从炉顶往下逐渐增强,一直到炉腹部的熔融带。到了这里装入料大部分都已熔解,体积也迅速减少。反应生成的熔铁液则汇集在炉缸里。熔点低、密度轻的炉渣则浮在铁液的上。

④出铁、出渣:当炉床内熔融状态的生铁与炉渣量积存满后,就由出铁口流出铁水及出渣口排出炉渣。大型高炉每天出铁的次数有10~12次,出渣的时机则由渣量的多少而定。

⑤铁水运送:从出铁口流出的熔铁,由铁水流道流入特制的铁水包里,直接运到炼钢工厂,倒入混铁炉内保温;也可以把熔铁装进保温的鱼雷车运往炼钢工厂,作为炼钢的原料;或把熔铁运到生铁铸造机,浇注入铁模内,再以冷水喷洒使它冷却,铸成块状的生铁。

⑥高炉煤气处理:高炉运作时,从炉顶排气管所排出的气体,称为高炉煤气,其中包含高炉中残余的一氧化碳气体、生成的二氧化碳气体,还有热风中没参与反应的氮气。高炉煤气含尘量高,多为细粉状的铁矿、石灰石,以及细焦炭粒等。为避免原料损失和空气的污染,一般高炉工厂都会采用除尘器,和二级气体净化设备来处理高炉煤气。高炉煤气可循环利用,给热风炉及锅炉燃烧利用热量。

3.铁水预处理

目的:

铁水中有很多“杂质”,如碳、硅、磷、硫等,必须除掉。实施铁水预处理可以给转炉炼钢减负,铁水成份不同,不同方法的铁水预处理就有了存在的理由了。主要是脱硅、脱硫、脱磷,提取有益元素,降低生产成本,提高铁液品质。

方法:

A脱硫处理

脱硫剂:石灰、碳化钙、镁、苏打、碳酸钠。

过程:

①脱硫剂置放倾铸法。

脱硫站

人们最早是用苏打灰做脱硫剂,投入铁水包后,再倒入铁水,激烈搅拌,就能脱硫。

②摇包法。

把铁水包偏心回转摇动,脱硫剂与铁水在波动混和中,充分反应,达到脱硫目的。

③机械搅拌法。

用搅拌器强烈的搅拌铁水,促进脱硫的反应。日本广畑制铁所采用的KR法最有名,将搅拌器以70~120转/分的高速搅拌,产生强烈的涡流,这样处理10~12分钟后,就能脱硫。

④脱硫剂喷吹法。

把脱硫剂做成粉状,用高压气体对着铁水喷吹,也能脱硫。喷吹脱硫法最早被德国公司所采用,它以氧化钙及碳酸钠作为脱硫剂在铁水包中脱硫。

B脱硅处理

铁水脱硅,可降低转炉的石灰用量,减少转炉渣,保护耐火材料,减少铁份损失。脱硅用氧化铁皮、烧结矿粉等中间废料做原料,使生产的成本大大降低。

脱硅有高炉铁水沟上置法与喷吹法两种。高炉铁水沟脱硅法反应效率低;而喷吹法的处理剂必须事先烘干和粉化才能应用。

脱硅剂基本上都是氧化铁系列及氧化钙等的混合物,近来为了消除脱硅反应中锰的损失,也有使用锰矿作为脱硅剂的。

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