生铁是怎样炼成的

供稿|王维兴 / WANG Wei-xing

生铁是怎样炼成的

How Is the Iron Produced ？

供稿|王维兴 / WANG Wei-xing

内容导读

中华民族开创了世界最早的陶瓷和冶金技术，镌写了五千年的中华文明史。夏商时代中华民族祖先就掌握了生铁的冶炼技术，有力地支撑了长达几千年的农业社会兴盛发展。生活中也常用“陶冶情操”来形容一个人的成长要经过千锤百炼。生铁冶炼技术应该与“四大发明”一样成为中华民族的骄傲。中国金属学会的王维兴老师从冶金专家的角度，在文章中详细介绍了我国生铁冶炼的现状、生铁冶炼技术以及生铁高炉冶炼过程。

铁具有优异的性能：磁性好、强度高、易于塑性加工或铸造成型。铁元素在地壳中的含量为5.6%，排在氧、硅和铝之后，位居第四。在自然界中铁通常以矿物形式存在，需要通过高炉冶炼等技术进行提炼。

生铁和熟铁

生铁一般指含碳量超过2.11%并有一定数量非铁杂质的铁碳合金。“生铁”的古代汉语命名源于出炉后未经炒制(精炼)的铁器。如今，生铁是炼铁高炉的产品，按其用途可分为炼钢生铁和铸造生铁两大类。习惯上把炼钢生铁叫做生铁，把铸造生铁简称为铸铁。生铁质硬且脆、缺乏韧性。铸铁通过锻化、变质、球化等方法可以改变其内部结构，改善并提高其机械性能。

熟铁一般指含碳量低于0.1%并含有少量杂质的铁碳合金，又称软铁或锻铁。“熟铁”的古代汉语命名源于“生铁”加热熔化后炒制(精炼)的铁器。熟铁最早用木炭在“低温”(<950℃)下还原铁矿石制得，后来用生铁和氧化铁在反射炉 中搅炼制得，并且，在炽热的半熔融状态下，用锻打的方法去除炉渣等杂质制成产品。熟铁质软，延展性、韧性好，导磁率高，类似于含碳量低且不能淬火硬化的软钢。在亚洲，公元前2000年人们就开始以熟铁代替青铜；公元前3世纪，中国、印度等即开始用熟铁制作工具和武器；19世纪开始用来制作横梁等建筑结构，此后逐渐被钢产品代替。在现代，熟铁主要用于制作手工艺品。

中国生铁生产现状

目前，中国有870多家钢铁企业，处于多种层次，不同结构，先进与落后技术并存的阶段；中国有1400多座高炉，大于1000 m³以上容积的高炉有420多座，高炉平均炉容偏低，约530 m³；不同容积的高炉设计、设备制造、施工、投产、操作均已实现国产化。宝钢、武钢、莱钢、鞍钢、首钢等企业高炉的部分技术已接近或达到世界先进水平。2012年，中国生铁产量为65790.5万t(世界总产量110427.9万t)，占世界总产量的59.58%。

生铁冶炼技术

高炉炼铁

高炉是一个逆向反应的竖炉。高炉炉体包括五个部分：炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸。从炉顶装入烧结球团、块矿、焦炭等炉料，炉料在高炉内向下运动。从风口鼓入热风、富氧空气、喷入煤粉，焦炭燃烧生成还原气体，向上运动，对炉料进行加热和还原。温度为1400～1550℃ 熔化为液体。从炉顶出来的煤气经过除尘(干法除尘和湿法除尘)进行回收利用。炉渣和液态铁水从炉缸流出。

高炉炼铁生产系统有：上料系统、装料系统、送风系统、回收煤气与除尘系统、造渣系统、喷吹系统以及动力系统。炉前设备主要有开口机、泥炮、主沟、流铁沟等。高炉的冷却设备有方水箱、扁水箱(或冷却板)、冷却壁、水(风)冷炉底管等类型。炉顶装料设备有钟阀式炉顶(双钟、三钟)、无料钟炉顶等几种类型。上料设备有斜桥式料车上料、皮带式上料等。

目前，我国生铁的生产95%以上仍以高炉炼铁流程为主，估计50年内生铁生产依然要依赖高炉技术。相对其他生铁生产设备而言，高炉是效率最高、能耗最低、污染物排放最少的炼铁设备。

非高炉炼铁

2012年，世界生铁总产量110427.9万t，其中非高炉炼铁产量为5536.2万t，而且主要分布在南非、印度、墨西哥、阿联酋等几个国家和地区。非高炉炼铁技术指高炉炼铁之外的炼铁技术和方法，包括直接还原炼铁、熔融还原炼铁、粒铁法、生铁水泥法和电炉炼铁等。

熔融还原炼铁技术有COREX、FINXX、HHII---SMELT、Midex等。其中COREX法工艺设备主要有预还原竖炉、熔融气化炉和煤气除尘调温系统。预还原竖炉与Midex法直接还原竖炉类似，熔融气化炉与高炉的炉缸和炉腹类似。熔融气化炉所用的煤和熔剂由封闭料斗送入加压料仓，再用螺旋给料机加入熔融气化炉。铁矿石(或氧化球团)由还原竖炉顶部的双钟式装料器加入炉内，受到煤气加热及还原。从还原竖炉排出的预还原矿石金属化率平均为95%，由螺旋给料机加入熔融气化炉内在下降过程中被熔化还原为铁水。矿石中脉石和熔剂形成炉渣。炉内生成的渣铁存放在炉缸内定期从炉缸渣、铁口放出。

直接还原技术有：竖炉直接还原技术、链篦机-回转窑直接还原技术等。其中，竖炉直接还原工艺设备由4部分组成。(1) 重整器：内装若干支重整管，管内装有催化剂，把天然气转化成CO+H2高温还原气。(2) 还原竖炉：自上而下分为5个带——预热带、上还原带、下还原带、过渡带、冷却带。铁矿石加入炉内经干燥、预热、还原成直接还原铁经冷却达到较低的温度。(3) 炉顶气和冷却气净化装置：炉顶气和冷却气通过洗涤器和压缩机，其中1/3供重整气做燃烧气，2/3在进入重整器前加入CH4进入重整器进行重整。(4) 直接还原铁处理装置：出炉的直接还原铁经热压机和打碎机压成热压块。

高炉冶炼过程简介

铁矿石还原

在高炉内，温度≤800℃，气体还原剂CO、H2与铁的氧化物发生还原反应，称为间接还原；铁矿石在温度为850～1000℃时开始进行固体直接还原——用固体还原剂C直接还原铁的氧化物生成铁；800～1100℃的区间为两种还原共存区。

直接还原是个吸热反应，消耗热量多，消耗还原剂较少。间接还原是个放热反应，但需要有过量还原剂来保证，因此作为还原剂的碳消耗较多。通常用煤气中CO2利用率来表示间接还原的程度，CO2利用率以45%～50%为好，煤气中CO2含量以20%以上为好。

在高炉内，铁矿石中MnO2、SiO2等氧化物也被还原。MnO2在1100～1200℃被还原为MnO与SiO2组成硅酸盐进入炉渣。SiO2是难还原物质，在高炉内的还原率为5%～10%，抑制SiO2的还原——冶炼低硅铁有利于节能。P2O5在高炉内全部被还原，并且P在高炉内全部进入生铁，是有害杂质。铌、钛等金属氧化物部分被还原。

影响因素

煤气中CO和H2的浓度高则铁矿石还原反应速度加快。H2的扩散速度是CO的3.74倍，因此H2对铁矿石还原反应速度的影响力大。间接还原铁矿石的海绵铁生产，要求H2+ CO浓度＞90%。

温度是加速还原反应的关键，气体扩散速度和矿石表面化学反应随煤气温度的升高而加快。800～1000℃是CO间接还原区。

高速煤气流可以冲散铁矿石固体氧化物周围阻碍还原剂扩散的气体薄膜层，使还原剂直接达到氧化物表面。但气体流速需要有一个适当范围，否则对铁矿石还原不利。

提高煤气压力有利于扩大间接还原区，对加快铁矿石还原速度有利。

矿石粒度越小，矿石与煤气接触面积越大，煤气利用率越高。

矿石气孔度是影响矿石还原性的主要因素之一。气孔度大且分布均匀的矿石还原性好。

高炉造渣

炉渣主要成分为SiO2、CaO、MgO、Al2O3，还有CaF2、TiO2、BaO、MnO等氧化物，以及少量的FeO和硫化物。

炉渣的作用：促进合金元素还原、脱硫，影响高炉软熔带及滴落带形状和煤气流分布。另外，炉渣会附着在炉墙上形成渣皮，起到保护炉衬的作用。

炉渣碱度：二元碱度用CaO/SiO2=R2表示，R2＞1.0为碱性炉渣，R2<1.0为酸性渣。炼钢铁为1.05～1.20，铸造铁为0.95～1.05。另外，也可以设定高炉炉渣四元碱度(CaO + MgO)/(SiO2+ Al2O3)一般在1.5左右为佳。

炉渣熔化温度一般为1400～1550℃：炉渣能自由流动，脱硫效率高，且熔化温度允许波动范围大的称为长渣，熔化温度允许波动范围区间窄的称为短渣。炉渣中含有Al2O3等成分时炉渣熔化温度将升高，Al2O3含量高于10%时，渣流动性和脱硫性能均会变差，需要增加MgO配比从而改善炉渣性能。高炉原料和燃料

◆ 铁矿石

自然界中铁是以氧化物和盐类形式存在的。铁的矿物形式主要有：赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、褐铁矿(Fe2O3· nH2O)、菱铁矿(FeCO3)等。我国有些铁矿的矿石中含有一些珍贵的元素，例如：包钢铁矿石含稀土、钒、铌等；攀钢铁矿含钒、钛。但是，我国铁矿石含铁品位相对较低，一般为27%～32%。

评价铁矿石的质量标准：1) 最重要的指标是含铁量要高。含铁在55%以上称为富矿。2) 脉石中SiO2、CaO、Al2O3等的含量越少越好。一般情况下SiO2、Al2O3含量高的铁矿石价值低，而CaO、MgO含量高的铁矿石价值高。3) 含P、S、Pb、Zn、K、Na等有害杂质越少越好。4) 铁矿石越容易还原越好。一般情况下，铁矿石的还原性磁铁矿差，赤铁矿居中，褐铁矿和菱铁矿最好。5) 铁矿石一般都有较高的软化温度，常常大于1100℃，铁矿石软熔特性以软熔温度区间窄的矿石为好。 6) 铁矿石粒度越均匀越好。小于5 mm的粒度的矿石比例要低于5%，粒度为5～10 mm的比例要低于30%。一般要求，磁铁矿粒度低于40 mm，赤铁矿和褐铁矿低于50 mm，中小高炉要求矿粒度在20～35 mm。7) 铁矿石成分要稳定，要求含铁波动在±0.5%以内、碱度波动在±0.08以内。8) 铁矿石抗爆裂性要好，还原度要高、含结晶水要少。

◆ 炼铁用燃料

木炭(巴西用)、天燃气(欧洲和俄罗斯用)、焦炭、无烟煤、烟煤(喷吹用)。

其中，无烟煤、烟煤中灰分含量/有害杂质含量应低于焦炭中的含量。

结束语

拥有世界最早的陶瓷和冶金技术镌写了中华民族五千年的中华文明史。生铁冶炼技术应该与“四大发明”一样成为中华民族的骄傲。本文简单介绍了我国生铁冶炼的现状、生铁冶炼技术以及生铁高炉冶炼过程，希望有利于读者了解相关知识，理解当前我国的生铁生产。

中国金属学会，北京 100711

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.07