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    鋼鐵,其實是兩個名詞——“鋼”和“鐵”的合稱。鍊鋼之前先要鍊鐵。「鐵」分為生鐵和熟鐵。「鋼」的含碳量介於生鐵和熟鐵之間。

    「生鐵」一般指含碳量在2~6.69%的鐵的合金。又稱鑄鐵。生鐵裡除含碳外,還含有矽、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、硫等雜質元素含量很低,其冶煉難度較大,製造成本遠大於生鐵和鋼。

    鐵的冶煉

    鍊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CO、H2、C;適宜溫度等)透過物化反應獲取還原後的生鐵。生鐵除了少部分用於鑄造外,絕大部分是作為鍊鋼原料。

    「高爐鍊鐵」是現代鍊鐵的主要方法,鋼鐵生產中的重要環節。由於技術經濟指標良好,工藝簡單,生產量大,勞動生產率高,能耗低,高爐法生產的鐵佔世界鐵總產量的95%以上。

    ▲ 高爐鍊鐵示意圖

    高爐是近似於圓柱形的爐子,它的外面包以鋼板,內壁砌以耐火磚,整個爐子建築在很深的混凝土基礎上。

    高爐生產時,從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑(石灰石),從位於爐子下部沿爐周的風口吹入經預熱的空氣。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,在爐內上升過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和石灰石等熔劑結合生成爐渣,從渣口排出。產生的煤氣從爐頂匯出,經除塵後,作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等的燃料。

    原料:鐵礦石、溶劑、燃料

    ①鐵礦石

    自然開採的礦石,無論在化學成分、物理狀態等各方面,都很難滿足高爐冶煉的要求,必須經過破碎、篩分、選礦、造塊、混勻等準備處理,以品位高、成分、粒度均勻穩定的狀態供應高爐。

    冶金工業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%

    ②溶劑

    礦石中的脈石和燃料中的灰分,都含有一些熔點很高的化合物(如SiO2熔點為1625℃,Al2O3熔點為2050℃),它們在高爐冶煉的溫度下,不能熔化成液體,因而不能使它們很好地與鐵液分離,同時也使爐子的操作發生困難。

    加入熔劑的目的在於其與這些高熔點的化合物形成低熔點的爐渣,以便在高爐冶煉溫度下完全液化,並保持相當的流動性,以達到很好地與金屬分離之目的,保證生鐵的質量。

    根據熔劑的性質,可分為鹼性熔劑和酸性熔劑。採用哪一種熔劑要根據礦石中脈石和燃料中灰分的性質來決定。由於天然礦石中脈石大多數為酸性,焦炭灰分也都是酸性的,所以通常都使用鹼性熔劑,如石灰石。酸性熔劑很少使用。

    高爐冶煉所需要的熱量,主要是依靠燃料的燃燒而獲得,同時燃料在燃燒過程中,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,還有無煙煤和半焦等。

    理化過程:高溫下的還原反應+造渣反應

    高爐冶煉的目的,就是要把鐵從鐵礦石中還原出來,同時去除其中所含的雜質。整個冶煉過程中,最主要的是進行鐵的還原反應以及造渣反應。

    除此之外,還伴隨著其他一系列複雜的物理化學反應,如水分及揮發物的蒸發、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,都只有在一定的溫度下才能實現。因此,冶煉過程還需要有燃料的燃燒來作為必要的條件。

    ①燃料的燃燒

    C+O2→CO2

    ②爐料的分解

    水分蒸發和結晶水分解;揮發物的排除;碳酸鹽的分解。

    >>鐵的還原

    在高爐中,鐵並不是直接從高價氧化物中還原出來的,而是要經過一個由高價氧化物還原成低價氧化物,再由低價氧化物還原出鐵的過程:

    Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe

    鐵的還原,主要依靠一氧化碳氣體和固體碳作為還原劑來實現。通常把一氧化碳的還原稱為間接還原,把固體碳的還原稱為直接還原。

    間接還原總反應為:

    3Fe2O3+9CO→6Fe+9CO2

    直接還原總反應為:

    3Fe2O3+C→2Fe3O4+CO

    >>鐵的碳化

    從礦石中還原出來的鐵,是固體海綿狀的,它的含碳量極低,通常不超過1%。由於CO在較低的溫度下分解,而分解出的C具有很強的活性,當它與鐵接觸時,很容易形成鐵碳合金。

    因此,固態海綿狀鐵在較低的溫度下(400℃~600℃)就開始了滲碳作用。其化學反應如下:

    2CO+3Fe→Fe3C+CO2

    或3Fe(液)+C(固)→Fe3C

    ④造渣過程

    造渣過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程。高爐中的成渣情況常見的有以下兩種:

    用普通酸性礦石冶煉時,熔劑以石灰石形態裝入高爐,熔劑中的CaO並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。由於渣中有FeO存在,降低了爐渣的熔點,並有較好的流動性,在它往下降落的過程(同時也是溫度升高的過程)中,所含的FeO逐漸被還原而失去,而CaO的含量隨之增多,最後形成末渣流入爐缸。

    用自熔性礦石冶煉時,由於礦石中含有較多的CaO,並且它與酸性的SiO2能很好地接觸,所以在冶煉開始時CaO就立即參加了造渣反應,尤其是採用自熔性燒結礦冶煉時,早在燒結過程中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,在下降過程中爐渣的成分變化也較小。

    高爐產品:生鐵+鐵合金

    高爐冶煉的產品主要是生鐵、鐵合金,副產品有爐渣、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。

    根據用途和成分,可將生鐵分成兩大類。一類是鍊鋼生鐵:這種生鐵中的碳以化合物形態存在,其斷面為銀白色,也叫做白口鐵;另一類是鑄造生鐵:直接用來製造機器零部件的。

    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)。鐵合金的種類很多,有矽鐵、錳鐵、鉻鐵、鉬鐵、鎢鐵等。

    爐渣、爐氣和爐塵是高爐的副產品,以前作為廢物而拋棄,現在已經廣泛用於建築材

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