【正文】 度達(dá)到終點(diǎn)，定期從爐內(nèi)排入爐渣和生鐵。熾熱的 CO氣體在爐內(nèi)上升過(guò)程中加熱緩慢下降的爐料，并把鐵礦石中鐵氧化物還原為金屬鐵，鐵礦石在 5701200℃ 之間受到 CO氣體和紅熱焦炭的還原，形成了海綿鐵。爐腰和爐身中則是鐵礦石、焦炭和石灰石，層層相間，一直裝到爐喉。 ? 4 工藝流程： ? 高爐冶煉過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過(guò)程，全過(guò)程是在爐料自上而下，煤氣自下而上的相互接觸過(guò)程中完成的。在爐缸的底部設(shè)有鐵口，可周期性或連續(xù)性地排放出液態(tài)生鐵和爐渣。由于高爐煉鐵是在高溫下進(jìn)行的，所以它的工作空間是用耐火材料圍砌而成，外面再用鋼板作爐殼。風(fēng)機(jī)出來(lái)的鼓風(fēng)都要經(jīng)熱風(fēng)加熱到 1000℃ 以上，然后送入高爐。當(dāng)脈石中堿性氧化物含量較高時(shí)，則用酸性熔劑，常用的有硅石等。目前世界各國(guó)的噴煤數(shù)量占單位生鐵總?cè)剂舷牡?3050%。 ? 強(qiáng)度好的塊狀焦炭是高爐煉不可缺少的燃料。 ? 圖 22 燒結(jié)生產(chǎn)流程 ? 所謂球團(tuán)生產(chǎn)就是將極細(xì)的精礦粉與添加劑混合后，在旋轉(zhuǎn)著的造球機(jī)（圓盤式和圓筒式兩種）上加水制成 815mm的圓球。然后將基本上都是小球的混合料鋪在有箅子的燒結(jié)臺(tái)車上，厚度在 400700mm。 ? 當(dāng)鐵礦石含鐵量過(guò)低，就需要將它們粉碎 (－ )，然后富選成含鐵高的精礦粉，一般精礦粉的含鐵量在 63%68%之間。 ? (3)褐鐵礦石 常為含不同分子結(jié)晶水的赤鐵礦，褐鐵礦吸附著大量水分，加熱時(shí)失去結(jié)晶水和游離水，使礦石氣孔率增加，故還原性好，同時(shí)，由于去掉了水分，相應(yīng)提高了礦石的品位。 ? (2)赤鐵礦石。 ? （ 1） 含鐵原料 ? 鐵礦石種類較多，在自然界中已發(fā)現(xiàn)的有 300多種含鐵礦物。 ? 經(jīng)過(guò)了幾個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代高爐技術(shù)已經(jīng)達(dá)到非常高的水平。生鐵除了少部分用于鑄造外，絕大部分是作為煉鋼原料。煉鐵用的多數(shù)是鐵的氧化物。 ? (3)19世紀(jì)中期至今，以生鐵為原料在高溫下精煉成鋼，一直是鋼鐵生產(chǎn)的主要方法。 ? (2)13世紀(jì)末至 19世紀(jì)中葉，隨著鐵的需要以及鼓風(fēng)技術(shù)的發(fā)展，爐子越來(lái)越高，逐漸形成現(xiàn)代高爐的雛形 木炭爐。在世界各國(guó)鐵產(chǎn)量中，大部分是作為煉鋼原料，而只有 10%左右用于鑄造各種部件和零件。但當(dāng)純鐵中含有一定量的碳后，就變成我們?cè)诟鞣矫媸褂玫匿撹F了。為什么非常古老的鋼鐵有這樣強(qiáng)的生命力呢？這首先決定于鋼鐵的基體特性。但后兩種在實(shí)際生產(chǎn)中很少單獨(dú)使用，故黑色金屬就泛指鋼、鐵。本文主要講述有關(guān)鋼鐵冶煉的基本知識(shí)。 ? 鐵是元素周期表上第 26位元素，原子量為 ，在大氣壓下于 1534℃ 熔化， 2740℃ 氣化。 ? 鋼與生鐵都是以鐵為主，并含有少量碳，硅，錳，硫等元素的鐵碳合金，根據(jù)碳和其它元素含量的不同而區(qū)分為鋼和生鐵，特別是碳含量的差別，引起鐵碳合金在不同溫度下所處的狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化，因而使鋼和生鐵具有不同的性能和用途。 圖 11 鋼鐵的分類 鋼 碳素鋼 合金鋼 結(jié)構(gòu)鋼 工具鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼 合金工具鋼 特殊性能鋼 合金模具鋼 黑色金屬 白口鑄鐵 灰口鑄鐵鋼 生鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鑄造生鐵 煉鋼鑄鐵 合金鑄鐵 鐵合金 第二章 鋼鐵的冶煉 ? 鋼鐵的冶煉歷史 ? 鐵的生產(chǎn)工藝 ? 鋼的生產(chǎn)工藝 鋼鐵的冶煉歷史 ? 鋼鐵冶煉技術(shù)大致可分為三個(gè)發(fā)展階段。由于爐容增大，采用鼓風(fēng)技術(shù)，使單位時(shí)間內(nèi)燃燒的燃料量增加了，爐內(nèi)溫度提高，能得到熔融狀態(tài)的生鐵，這種生鐵冷卻后很脆，不能鍛造成器具。在此期間，高爐鼓風(fēng)由熱風(fēng)代替冷風(fēng)，并建產(chǎn)了蓄熱式熱風(fēng)爐，鼓風(fēng)動(dòng)力采用電力。含鐵比較多的、并且具有冶煉價(jià)值的礦物稱為鐵礦石。 ? 下面分別介紹這三種冶煉方法的工藝?，F(xiàn)代巨型高爐的爐容積已有 40005000m3,年產(chǎn)生鐵達(dá) 250萬(wàn) 300萬(wàn)噸。目前世界上常用的鐵礦石，主要有磁鐵礦石，赤鐵礦石，褐鐵礦石和菱鐵礦石等。顏色呈紅色或紅褐色，故又稱為紅礦。 ? (4)菱鐵礦石。由于高爐煉鐵需要?dú)饬魍〞常灾荒芗尤雺K礦，精礦粉要通過(guò)燒結(jié)的辦法制成燒結(jié)礦或通過(guò)球團(tuán)的辦法焙燒成球團(tuán)礦。將混合料中的燃料顆粒點(diǎn)著燃燒，產(chǎn)生 12501500℃ 的高溫，與此同時(shí)，在箅子下面抽空氣，使混合料的燃料從上往下燃燒，直到料層底部。這種圓球經(jīng)過(guò)干燥、焙燒成為強(qiáng)度很高的球團(tuán)礦。但因煉焦煤資源的匱乏，而且煉焦生產(chǎn)還給環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。 ? （ 3）熔劑 ? 礦石中的脈石與焦炭中的灰分，其主要成分是酸性氧化物，它們的熔點(diǎn)均較高（ SiO2 1713℃ ,Al2O3 2050℃ ），在高爐冶煉條件下很難熔化，為使其形成低熔點(diǎn)物質(zhì)，需加入一定數(shù)量助熔劑（簡(jiǎn)稱熔劑），以形成許多低熔點(diǎn)的化合物和共熔體，即所謂的爐渣，并能達(dá)到完全熔化，且具有良好的流動(dòng)性，使渣鐵容易分離。為充分利用鋼鐵工業(yè)廢棄物，有些高爐用高堿度的轉(zhuǎn)爐鋼渣代替堿性熔劑。 ? 3 主要設(shè)備 ? 高爐是用焦炭、鐵礦石和熔劑煉鐵的一種豎式的反應(yīng)爐（如圖 23）。 ? 圖 23 高爐的結(jié)構(gòu) ? 1爐底耐火材料； ? 2爐殼； ? 3生產(chǎn)后爐內(nèi)磚襯侵蝕線； ? 4爐喉鋼磚； ? 5煤氣導(dǎo)出管； ? 6爐體夸襯； ? 7帶凸臺(tái)鑲磚冷卻壁； ? 8鑲磚冷卻壁； ? 9爐底碳磚； ? 10爐底水冷管； ? 11光面冷卻壁； ? 12耐熱基墩； ? 13基座 ? 在高爐爐頂設(shè)有裝料裝臵，通過(guò)它將冶煉用的爐料（由焦炭和礦石按一定比例組成）按批裝入爐內(nèi)。在風(fēng)口和鐵口之間還設(shè)有渣口以排放部分爐渣，減輕鐵口負(fù)擔(dān)。如圖 24所示。 ? 從風(fēng)口鼓入的熱風(fēng)溫度高達(dá) 10001300℃ ，爐料中焦炭在風(fēng)口前燃燒，迅速產(chǎn)生大量的熱，使風(fēng)口附近爐腔中心溫度高達(dá) 1800℃ 以上。海綿鐵在 10001100℃ 的高溫下溶入大量的碳，因而鐵的熔點(diǎn)下降，形成了生鐵。上升的高爐煤氣流，由于將能量傳給爐料而溫度不斷下降，最終形成高爐煤氣從爐頂導(dǎo)出管排出。以FeO與 CO為例，反應(yīng)式是： ? FeO ┼ CO ─ Fe ┼ CO 2 ? 鐵的直接還原是指利用固體碳和鐵氧化物反應(yīng)生成鐵的過(guò)程。 ? （ 2）造渣過(guò)程 ? 造渣過(guò)程是物料尚處在固體狀態(tài)下就開始的。隨著成分的變化，爐渣的熔點(diǎn)逐步升高，但它進(jìn)入了高溫區(qū)，有足夠的熱量對(duì)它加熱，保證它透過(guò)爐內(nèi)的焦炭區(qū)，而匯集在爐缸中，在鐵液的上面形成渣層。隨著爐料從還原地帶向下方運(yùn)動(dòng)，煤氣中 CO分解形成的碳黑具有很高的活性，它附著或覺(jué)積在海綿鐵表面的孔隙里，使其滲 C，形成鐵的碳化物。 ? 生鐵形成過(guò)程中，還伴隨著有害元素硫，磷等的去除。 ? 直接還原煉鐵法已有百余年的歷史，先后提出各種不同的工藝方法 400余種，但是真正成為工業(yè)生產(chǎn)方法的只有少數(shù)幾種，而且是到 20世紀(jì) 60年代才有重大突破，這是因?yàn)椋? ? （ 1）冶金焦的價(jià)格大幅度上漲，而石油、天然氣大量開發(fā)使用，特別是高效率天然氣轉(zhuǎn)化法的應(yīng)用，提供了直接還原煉鐵法需要的還原煤氣，解決能源的來(lái)源和價(jià)格問(wèn)題。因而需要加入直接還原鐵來(lái)稀釋它們。海綿鐵的穩(wěn)定增長(zhǎng)和電爐煉鋼的增長(zhǎng)有顯著關(guān)系。所以直接還原煉鐵法使用的礦石要求 SiO Al2O3等的含量＜ 3% 5%。 ? 3 幾種主要的直接還原煉鐵法 ? 根據(jù)使用的燃料不同，直接還原煉鐵法分為兩大類：用煤氣作氣體還原劑和載熱體的氣基法；以固體煤作為還原劑和熱源的煤基法。 ? 氣基法的典型代表是 Midrex法。圖 24是它的生產(chǎn)流程示意圖。爐料在爐內(nèi)停留約 6小時(shí)，含鐵礦石被 CO和 H2還原，被還原的海綿鐵的金屬鐵含量在 92%以上。煤基法使用的煤還要求灰分含量低（ 25%）和含硫量低 (%)。 ? 此法的重要設(shè)備是回轉(zhuǎn)窯，它的示意圖如圖 25所示。 ? 沿窯長(zhǎng)方向分兩個(gè)區(qū)：預(yù)熱區(qū) 煤燃燒將原料的混合物加熱至還原溫度；還原區(qū) 煤進(jìn)一步燃燒為生產(chǎn)海綿鐵提供熱量。圖 26為SL/RN法工藝流程。形成的廢氣則由窯尾排出。 ? 若爐料在回轉(zhuǎn)窯中經(jīng)過(guò)預(yù)熱和還原后，再進(jìn)一步提高溫度（ 1250℃ ）進(jìn)入粒鐵帶，金屬鐵與爐渣開始軟化，在半熔化狀態(tài)下金屬鐵由小顆粒堆集成卵狀粒鐵，爐料出爐后經(jīng)水淬冷卻后很容易用磁選或重選把粒鐵與脈石分開，這就是回轉(zhuǎn)窯粒鐵法。 ? 熔融還原煉鐵法與直接還原煉鐵法不同，熔融還原的發(fā)展目標(biāo)是代替高爐煉鐵法，產(chǎn)品是與高爐鐵水性質(zhì)相近的液態(tài)生質(zhì)，仍是轉(zhuǎn)爐煉鋼的原料；而直接還原煉鐵法產(chǎn)品是海綿鐵，代替廢鋼供電爐煉鋼使用。 ? 2 工藝流程 ? 熔融還原發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)兩種方法：一步法和二步法。 ? Corex 法是奧地利和德國(guó)于 20世紀(jì) 70年代末聯(lián)合開發(fā)的，是目前惟一已形成生產(chǎn)能力的熔融還原煉鐵法，而且其投資、生產(chǎn)成本、鐵水質(zhì)量等幾個(gè)方面已經(jīng)基本上可以與傳統(tǒng)的焦炭高爐煉鐵法相竟?fàn)帯Ｈ缓笥上虏康牡穆菪o料器將金屬化的爐料連續(xù)均勻地輸入熔融制氣爐。還原的金屬鐵滲碳，爐料熔化而使渣鐵分離。生鐵和鋼所以在性能上有較大的差異，主要原因是由于含碳量的不同使鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)不同而造成的。碳含量不但是引起生鐵和鋼性能差異的決定性因素，同樣也是控制鋼性能的最主要元素。 ? （ 2 ）脫氧：由于在氧化精煉過(guò)程中，會(huì)鋼液中溶入一定量的氧，它將大大影響鋼的質(zhì)量。 ? 3 調(diào)整鋼液成分和溫度。生成的 FeO溶解在鐵液中，與鐵液中其它元素發(fā)生反應(yīng)。此時(shí)，鋼液中剩余相當(dāng)多的 FeO，因此要在煉鋼爐中和盛鋼桶中加入適量的錳鐵、硅鐵和鋁等脫氧劑進(jìn)行脫氧，來(lái)還原鋼液中的 FeO，以改善鋼的力學(xué)性能。但是，貝塞麥發(fā)明的轉(zhuǎn)爐是酸性轉(zhuǎn)爐，在酸性轉(zhuǎn)爐環(huán)境中，磷很難被氧化除掉。 ? 氧氣煉鋼法分為氧氣斜吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法、臥式轉(zhuǎn)爐雙管吹氧法、純氧頂吹的轉(zhuǎn)爐煉鋼法等。純氧頂吹煉鋼法出現(xiàn)后，世界鋼產(chǎn)量急劇增長(zhǎng)，各種高質(zhì)量的特種鋼也煉制出來(lái)。各部分用鋼板成型后再焊接成整體。 ? 托圈：其主要作用是支撐爐體，傳遞傾動(dòng)力矩。為此，轉(zhuǎn)爐有兩根旋轉(zhuǎn)耳軸，一側(cè)耳軸與傾動(dòng)機(jī)構(gòu)相連而帶動(dòng)爐子旋轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)如圖 29所示。 ? 內(nèi)層管通氧氣，上端用壓緊密封裝臵牢固地裝在槍尾，下端焊接在噴頭上。經(jīng)中間管與外層管形成的環(huán)狀通路上升至槍尾流出。如圖 210所示。 ? （ 2）裝入廢鋼和兌入鐵水后，搖正爐體，下降氧槍并同時(shí)加入第一批渣料（石灰、螢石、氧化鐵皮、礦石），其量約為總渣量的 2/31/2。隨著氧化的進(jìn)行，熔池溫度升高，火焰亮度增加，爐渣起泡，并有小鐵粒從爐口噴濺出來(lái)，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低氧槍高度。最后根據(jù)火焰狀況、供氧數(shù)理和吹煉時(shí)間等因素，按所煉鋼種的成分和溫度要求，確定吹煉終點(diǎn)。在出鋼過(guò)程中，向盛鋼桶內(nèi)加入鐵合金，進(jìn)行脫氧和合金化。西