第三章 炼 铁
第一节 炼铁生产概述
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。
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，占地壳元素含量的5％，居地球物质中的第四位。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。钢和铁是有区别的，所谓钢铁，主要由两个元素构成，即铁和碳，一般碳和元素铁形成化合物，叫铁碳合金。含碳量多少对钢铁的性质影响极大，含碳量增加到一定程度后就会引起质的变化。由铁原子构成的物质叫纯铁，纯铁杂质很少。含碳量多少是区别钢铁的主要标准。生铁含碳量大于2.0％；钢含碳量小于2.0％。生铁含碳量高，硬而脆，几乎没有塑性。钢不仅有良好塑性，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。石墨是片状的碳，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，破坏了铁的坚固性。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，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，这样就变成灰口铁。
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）能连续生产几年到十几年。生产时，从炉顶（一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）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，焦炭中和喷吹物中的碳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，这一过程产生了两大运动流：一个是上升
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的热煤气流，一个是下降的炉料流（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；铁的渗碳及生铁的形成；炉料和煤气之间的热交换等等，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。 （一）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、强度好、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。这类铁矿主要产于鞍山、本溪、河北迁安等地，纯矿石最高含铁量为72.4％。
（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。这种铁矿石主要产于山西省平定和广东省云浮等地，纯矿石
含铁量在48％～63％之间。
（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。我国四川省威远、湖南省新化等地有少量生产，储量不算多。
（5）钒钛磁铁矿。除含铁外，还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。我国西南地区重要钢铁基地攀枝花钢铁公司所用的矿石就是钒钛磁铁矿。攀枝花铁矿是我国大型矿山，储量丰富，前景极佳。安徽马鞍山和河北承德等地也有部分矿是含钒钛磁铁矿。
生铁冶炼除用以上天然铁矿石外，还用烧结矿、球团矿等人造富矿（品位级≥50％）作为主要原料。 （二）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：具有合适的反应性，且含碳高、灰分和杂质低、强度好。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。除了强度好和骨架作用外，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热值。
焦炭的机械强度要好，如果没有足够的强度，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。因此，目前在高炉炼铁中一般都采用焦炭作主要燃料。20世纪60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。焦炭是高炉炼铁必不可少的燃料。 （三）熔剂
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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，与脉石和焦炭及煤粉中的灰分及其它杂质化合，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）的含量尽可能低，有害杂质硫、磷含量也要低，强度高，块度适宜。
四、直按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）直接还原法生产生铁
直接还原法是指在低于熔化温度之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，在显微镜下观察团形似海绵而得名。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。前者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、HYL Ⅲ法、FIOR法等。后者是用煤作还原剂，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FASMET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：
（l）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20世纪60年代才获得较大突破。进入20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、价格相对便宜的新能源。
（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，可提供大量高品位精矿，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，20世纪90年代以来煤基直接还原法已在天津、辽宁、吉林、山东等地形成了一定的生产规模。
（二）熔融还原法生产生铁
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，熔融法炼铁有以下特点：
（l）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，
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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很大发展，目前处于实验室试验和半工业试验阶段。
第二节 炼铁产品分类及统计指标结构
一、炼铁产品种类
炼铁产品按其生产方法、用途及类型分，可分为生铁、直接还原铁、熔融还原铁、炼铁副产品、球墨铸铁和铸铁管等几大类。 （一）生铁
生铁是指用高炉冶炼的合格生铁，但不包括用高炉冶炼的锰铁，也不包括化铁炉重熔铁。
生铁主要化学成分是铁、硅、锰、磷、硫、碳及其它元素。根据生铁中各化学成分含量与用途的不同，在统计上通常有几种划分方法。
l. 炼钢生铁
化学成分的主要特点是含硅量比铸造生铁低，含硅量一般小于0.85％，是炼钢的主要原料。
2.非炼钢生铁 非炼钢生铁有：
（l）铸造生铁，含硅量较炼钢生铁高，一般含硅量大于1.2％，有多种牌号，主要用于铸造生产。
铸造生铁可分为球墨铸铁用生铁和普通铸造用生铁（其它铸造用生铁）。球墨铸铁用生铁与普通铸造用生铁相比，锰、磷、硫的含量要求更低一些，主要用于铸造球墨化铁铸件（在铸造时还要加入金属镁或稀土铁合金），各项性能优于普通铸造用生铁。 球墨铸铁用生铁不包括用生铁冶炼的球墨铸铁。
（2）含钒生铁。是指用含钒钛铁矿石冶炼的含钒钛的生铁。冶炼时大量钛金属都富集到高炉渣里去，把钒留在生铁里。含钒生铁在提钒后还可以炼钢。含钒生铁还可用于铸造。含钒生铁属高耐磨生铁，用其铸出的铸件，耐磨性特别好。 以上各种生铁的共同特点是含碳量达到饱和程度，这是生铁与钢在化学成分上的根本区别。
生铁是高炉产品（指高炉冶炼生铁），而高炉的产品不只是生铁，还有锰铁等，属于铁合金产品。锰铁高炉不参加炼铁高炉各种指标的计算。高炉炼铁过程中还产生副产品水渣、矿渣棉和高炉煤气等。 （二）直接还原铁
直接还原铁是指用直接还原法在低温固态下还原的金属铁。按生产方法可分为煤基直接还原铁和气基直接还原铁；按用途可分为炼钢用直接还原铁和其它用直接还原铁；按产品形式可分为海绵铁（DRI）和压块铁（HBI）。 （三）熔融还原铁
熔融还原铁是指用熔融还原法从铁矿石中还原出的液态金属铁。按生产方法可分为一步法产熔融还原铁和二步法产熔融还原铁；按用途可分为炼钢用熔融还原铁和其它用熔融还原铁。
（四）炼铁副产品
炼铁副产品包括出格生铁、炼铁水渣、矿渣棉、矿渣和高炉煤气等。 （五）球墨铸铁
球墨铸铁分为高炉生铁产球墨铸铁和其它球墨铸铁。 （六）铸铁管
铸铁管分为铸铁直管和异形管及管件。铸铁直管中按其生产方式可分为连续式生产、离心式生产和其它方式生产。 （1）连续式生产。连续式生产可分为灰铁铸铁管和球墨铸铁管。铸管口径分别按大口径、中口径和小口径进行统计。
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