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炼铁过程实质上是将铁从其自然形态 ── 矿石等含铁化合物中还原出来的过程。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条件下(还原物质──CO、H2、C和适宜温度等)通过物化反应获取还原后的生铁。生铁除了一少部分用于铸造外,绝大部分是作为炼钢原料。
一、生铁的几个基本概念
(一)铁与钢
铁在自然界中蕴藏量极为丰富,居地球物质中的第四位。由铁原子构成的物质叫纯铁,纯铁杂质很少。但铁元素很活泼,容易与其它物质结合。习惯上常说的钢铁是对钢和铁的总称。钢和铁既有相同点也是有区别的。钢和铁,均由两种主要元素构成,即铁和碳。一般碳和元素铁形成化合物,叫铁碳合金。含碳量多少是区别钢和铁的主要标准,含碳量增加到一定程度后就会引起质的变化。生铁含碳量大于2.0%,固含碳量高,硬而脆,几乎没有塑性。钢含碳量小于2.0%,不仅有良好塑性;而且钢制品具有强度高、韧性好、耐高温、耐腐蚀、易加工、抗冲击、易提炼等优良物化应用性能,因此被广泛利用。
(二)白口铁和灰口铁
碳(C) 在铁中有石墨和碳化铁两种状态。
石墨是碳的一种形态,是片状的碳,滑润柔软,像煤屑一样,很不坚固,散存在铁中,将铁基体割裂,好像铁中有很多条状的 窟窿。这种以石墨状态存在于铁中的碳,将铁染成灰色,所以叫灰口铁。灰口铁因含柔软的石墨,做成机器零件,易被机床切削。石墨在液体铁水中有“润滑”作用,使铁水流动性变好,适合于浇注铸件。所以灰口铁又叫铸造铁。
碳化铁是白色的,又硬又脆,碳化性含量过多时,铁会像石头一样失去可塑性。用这种铁做的零件,切削困难。所以白口铁主要用来炼钢,故又叫炼钢铁。
石墨和碳化铁也可以互相转化,决定性条件有两个:一是铁水的化学成分,如果铁水含硅量高,能促进碳化铁分解,变成石墨,所以铸造铁的含硅量总是高的;另一个因素是铁水凝固的快慢,在成分适合时,如果冷得太快,铁水中的碳化铁来不及分解,便成为白口铁,如果冷得慢,碳化铁分解成石墨和铁,就变成灰口铁。
二、高炉炼铁的冶炼原理
生铁的冶炼虽原理相同,但由于方法不同、冶炼设备不同,所以工艺流程也不同。下面分别简单予以介绍。
高炉生产是连续进行的。一代高炉(从开炉到大修停炉为一代)能连续生产几年、十几年甚至二十多年。生产时,从炉顶(高炉炉顶分为两种,即由料钟与料斗组成的钟式炉顶和由旋转溜槽进行布料的无料钟式炉顶)不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂,从高炉下部的风口吹进热风,喷入油、煤或天然气等燃料。装入高炉中的铁矿石,主要是铁和氧的化合物。在高温下,焦炭和喷吹物中的碳以及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来,得到铁,这个过程叫做还原。铁矿石通过还原反应炼出生铁,铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣,从出铁口和出渣口分别排出。煤气从炉顶导出,经除尘后,作为工业用煤气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压,用导出的部分煤气发电。
高炉内的还原气体产生于风口前的燃料燃烧,这一过程产生了上升的热煤气流;炉料的不断加入则产生了下降的炉料流(铁矿石、焦炭、熔剂等)。高炉内的一切反应均发生于煤气和炉料的相向运动和相互作用之中。它包括炉料的加热、蒸发、挥发和分解,铁及其它元素的还原,炉料中非铁氧化物的熔化、造渣和生铁的脱硫,铁的渗炭及生铁的形成,炉料和煤气之间的热交换等,是一系列物理化学反应过程的总和。
三、高炉冶炼用的原料。
高炉冶炼用的原料主要由铁矿石、燃料和熔剂三部分组成。

  1. 铁矿石

高炉冶炼用的铁矿石要求成分稳定、含铁品位高、脉石(矿石中有用部分与没有工业价值的岩石或其它矿物伴生在一起,这些没有用的部分叫脉石)少、有害杂质少、矿石粒度均匀、强度高、还原性好。铁矿石含铁量的多少(即品位高低),直接影响到炼铁生产的各项指标。一般含铁量在30%以上的铁矿石才有开采价值;含铁量在45%以下的矿石,一般需经选矿和造块,才能入炉冶炼;含铁量在55%以上的铁矿石可以作为高炉富矿,经破碎后直接入炉冶炼。当前作为炼铁原料的铁矿石主要有:
1、磁铁矿。构造致密,晶粒细小,有黑色条痕,具有强磁性,含硫、磷较高,还原性差,是我国当前主要的矿种。
2、赤铁矿。颜色和条痕均为樱红色,无磁性,一般含硫、磷低,还原性好。我国的鞍山和宣化等地有相当储量,纯矿石最高含铁量为70.0%。
3、褐铁矿。颜色为浅褐色、深褐色、黑色,一般含铁低,但受热脱水后,含铁品位升高,含硫低,含磷有高有低,还原性能好。
4、菱铁矿。是铁的碳酸盐,经过焙烧,二氧化碳从矿石中分解出来,矿石品位立刻提高。所以,菱铁矿是很易富集的矿石。
5、钒钛磁铁矿。除含铁外,还含有金属钒和轻金属钛,理论上钒钛磁铁矿的含铁量为36.8%,含钛31.6%,其余是钒和氧。
现代化高炉以上述铁矿石经造块形成的烧结矿、球团矿等人造富矿(品位≥50%)作为主要原料,并搭配使用上述天然铁矿石。

  1. 燃料

高炉用燃料包括焦炭和喷吹燃料两大类。高炉对焦炭的要求是:含碳高、灰分和硫磷等有害杂质含量低、强度高。焦炭在炼铁过程中有三种作用:一是燃烧供给热量(热源);二是作为料柱骨架(气窗);三是作还原剂。因此,焦炭中的含碳量越高越好。除了强度和骨架作用外,高炉对喷吹燃料的要求及其作用与焦炭相同,但对其可磨性、燃烧性、粒度等有特殊的要求。
硫和磷极容易转到铁里而破坏铁的优良性能,因此,希望燃料中含硫、磷等杂质越少越好。
燃料中的灰分要低,灰分高会降低燃料的发热值。
焦炭的机械强度要好,如果没有足够的冷强度和热强度,在炉料下降到风口之前,焦炭就被压成碎末,堵塞炉料的空隙,影响高炉的透气性。
高炉炼铁主要用焦炭作为燃料。焦炭含碳量较高,气孔率高,最大的特点是机械强度(以转鼓指数表示)高,能满足大型高炉的要求。二十世纪六十年代开始盛行喷吹技术(喷煤、油、天然气等),目的在于部分取代宝贵的焦炭资源,但只能取代焦炭的还原剂和热源两个作用,而料柱骨架作用取代不了。因此,焦炭是高炉炼铁必不可少的主要燃料。
(三)熔剂
在铁矿石中,除铁以外,还有脉石及硫等有害杂质;在焦炭及煤粉中,含有灰分。所以炼铁时要加入熔剂,与脉石、焦炭及煤粉中的灰分、有害杂质化合,形成炉渣,以达到降低脉石熔点并使杂质、灰分与铁水分离的目的。
高炉冶炼采用的熔剂主要有石灰石、白云石、蛇纹石等。对熔剂的要求是:碱性氧化物(主要是氧化钙)的含量要高,而酸性氧化物(主要是二氧化硅和三氧化二铝)的含量要低,有害杂质硫、磷的含量也要尽可能少。目前,炼铁生产多以高碱度烧结矿形式将熔剂带入高炉,直接投入高炉的熔剂要求强度、粒度合适。
在渣量少、使用高碱度烧结矿冶炼铸造铁时,添加硅石(熔剂)会取得良好效果。
在特殊情况下,如洗刷炉墙粘结物、消除炉缸堆积、改善炉渣流动性时,要加入特殊熔剂,主要有莹石(CaF2)和均热炉渣(FeO),目的是生成低熔点、低粘度的炉渣;在炉缸薄弱、有烧出危险时,也要加入特殊熔剂-----含钛化合物或含钛炉渣,以便冶炼时钛的化合物转化为熔点很高(约3000°C)的TiC、TiN或Ti(C、N),在炉缸受侵蚀部位形成难熔保护层以延长炉缸寿命。
四、直接还原铁和熔融还原铁的生产
直接还原铁和熔融还原铁的冶炼统称为非高炉法炼铁。
(一)直接还原法
直接还原法是指在低于熔化温度下将铁矿石还原成海绵铁的炼铁生产过程,其产品为直接还原铁(即DRI),也称海绵铁。该产品未经熔化,仍保持矿石外形,由于还原失氧形成大量气孔,在显微镜下观察因形似海绵而得名。海绵铁的特点是含碳低(<1%), 并保存了矿石中的脉石。这些特性使其不宜大规模用于转炉炼钢,只适于代替废钢作为电炉炼钢的原料。
直接还原法分气基法和煤基法两大类。气基法是用天然气经裂化产出H2和CO气体作为还原剂,在竖炉、罐式炉或流化床内将铁矿石中的氧化铁还原成海绵铁。主要有 Midrex法、HYLⅢ法、FIOR法等。煤基法是用煤作还原剂,在回转窑、隧道窑等设备内将铁矿石中的氧化铁还原。主要有FASTMET法等。
直接还原法的优点有:
1、流程短,直接还原铁加电炉炼钢。
2、不用焦炭,不受炼焦煤短缺的影响。
3、污染少,取消了焦炉、烧结等工序。
4、海绵铁中硫、磷等有害杂质与有色金属含量低,有利于电炉冶炼优质钢种。
直接还原法的缺点有:
1、对原料要求较高:气基要有天然气;煤基要用灰熔点高、反应性好的煤。
2、海绵铁的价格一般比废钢要高。
直接还原法已有上百年的发展历史,但直到二十世纪60年代才获得较大突破。进入二十世纪90年代,其生产工艺日臻成熟并获得长足发展。其主要原因是:
1、天然气的大量开发利用,特别是高效率天然气转化法的采用,提供了适用的还原煤气,使直接还原法获得了来源丰富、价格相对较低的新能源。
2、电炉炼钢迅速发展以及冶炼多种优质钢的需要,大大扩展了对海绵铁的需求。
3、选矿技术提高,可大量提供高品位精矿,矿石中的脉石量降低到还原冶炼过程中不需加以脱除的程度,从而简化了直接还原技术。
当前世界上直接还原铁量的90%以上是采用气基法生产的。我国天然气主要供应化工和民用,不可能大量用于钢铁工业。由于我国煤炭储量相对丰富,二十世纪90年代以来煤基直接还原法已在我国天津、辽宁、吉林、山东等地形成一定的生产规模。
(二)熔融还原法
熔融还原法是指不用高炉而在高温熔融状态下还原铁矿石的方法,其产品是成分与高炉铁水相近的液态铁水。开发熔融还原法的目的是取代或补充高炉法炼铁。与高炉法炼铁流程相比,熔融法炼铁有如下特点:
1、燃料用煤而不用焦炭,可不建焦炉,减少污染。
2、可用与高炉一样的块状含铁原料或直接用矿粉作原料。如用矿粉作原料,可不建烧结厂或球团厂。
3、全用氧气而不用空气,氧气消耗量大。
4、可生产出与高炉铁水成分、温度基本相同的铁水,供转炉炼钢。
5、除生产铁水外,还产生大量的高热值煤气。

目前世界上的熔融还原法很多, 其中只有Corex法技术比较成熟并已形成工业生产规模,其它诸法仍在发展和工业化过程中。熔融还原法在我国尚未得到发展,目前处于实验室试验和半工业试验阶段。