[科普中国]-钢铁冶金原料

简介

随着钢铁工业的发展，矿物资源中富铁矿已日趋枯竭，贫铁矿资源相继被开发与利用，制成铁精矿，进而生产人造富矿。条件及加工方法的不同，人造富矿有烧结矿及球团矿两种。冶金工厂有大量的含铁废料，其中炉尘、氧化铁皮和钢渣可作为烧结矿的原料，废钢经过加工可作为炼钢原料。熔剂是钢铁冶金必需的辅助原料，常用的碱性熔剂有石灰石、石灰、活性石灰、白云石;酸性熔剂有石英石;中性熔剂有萤石。

钢铁冶炼钢铁冶炼（iron and steel smelting），钢、铁冶金工艺的总称。工业生产的铁根据含碳量分为生铁（含碳量2%以上）和钢（含碳量低于2%）。基本生产过程是在炼铁炉内把铁矿石炼成生铁，再以生铁为原料，用不同方法炼成钢，再铸成钢锭或连铸坯。1

铁冶炼现代炼铁绝大部分采用高炉炼铁，个别采用直接还原炼铁法和电炉炼铁法。高炉炼铁是将铁矿石在高炉中还原，熔化炼成生铁，此法操作简便，能耗低，成本低廉，可大量生产。生铁除部分用于铸件外，大部分用作炼钢原料。由于适应高炉冶炼的优质焦炭煤日益短缺，相继出现了不用焦炭而用其他能源的非高炉炼铁法。直接还原炼铁法，是将矿石在固态下用气体或固体还原剂还原，在低于矿石熔化温度下，炼成含有少量杂质元素的固体或半熔融状态的海绵铁、金属化球团或粒铁，作为炼钢原料（也可作高炉炼铁或铸造的原料）。电炉炼铁法，多采用无炉身的还原电炉，可用强度较差的焦炭（或煤、木炭）作还原剂。电炉炼铁的电加热代替部分焦炭，并可用低级焦炭，但耗电量大，只能在电力充足、电价低廉的条件下使用。

钢冶炼炼钢主要是以高炉炼成的生铁和直接还原炼铁法炼成的海绵铁以及废钢为原料，用不同的方法炼成钢。主要的炼钢方法有转炉炼钢法、平炉炼钢法、电弧炉炼钢法3类（见钢，转炉，平炉，电弧炉）。以上3种炼钢工艺可满足一般用户对钢质量的要求。为了满足更高质量、更多品种的高级钢，便出现了多种钢水炉外处理（又称炉外精炼）的方法。如吹氩处理、真空脱气、炉外脱硫等，对转炉、平炉、电弧炉炼出的钢水进行附加处理之后，都可以生产高级的钢种。对某些特殊用途，要求特高质量的钢，用炉外处理仍达不到要求，则要用特殊炼钢法炼制。如电渣重熔，是把转炉、平炉、电弧炉等冶炼的钢，铸造或锻压成为电极，通过熔渣电阻热进行二次重熔的精炼工艺；真空冶金，即在低于1个大气压直至超高真空条件下进行的冶金过程，包括金属及合金的冶炼、提纯、精炼、成型和处理。
钢液在炼钢炉中冶炼完成之后，必须经盛钢桶（钢包）注入铸模，凝固成一定形状的钢锭或钢坯才能进行再加工。钢锭浇铸可分为上铸法和下铸法。上铸钢锭一般内部结构较好，夹杂物较少，操作费用低；下铸钢锭表面质量良好，但因通过中注管和汤道，使钢中夹杂物增多。近年来，在铸锭方面出现了连续铸钢、压力浇铸和真空浇铸等新技术。

铁矿石凡是含有可经济利用的铁元素的矿石叫做铁矿石。铁矿石的种类很多，用于炼铁的主要有磁铁矿Fe3O4）、赤铁矿（Fe2O3）和菱铁矿（FeCO3）等。铁矿石试样经盐酸溶解后，其中的铁转化为Fe3+。在强酸性条件下，Fe3+可通过SnCl2还原为Fe2+。Sn2+将Fe3+还原完毕后，甲基橙也可被Sn2+还原成氢化甲基橙而褪色，因而甲基橙可指示Fe3+还原终点。Sn2+还能继续使氢化甲基橙还原成N，N-二甲基对苯二胺和对氨基苯磺酸钠。铁矿石是国际大宗商品，战略物资，属于经济命脉一类的东西。2

世界铁矿资源集中在澳大利亚、巴西、俄罗斯、乌克兰、哈萨克斯坦、印度、美国、加拿大、南非等国。中国作为世界上最大的铁矿石需求国，自身的铁矿石储量虽然不算少，但品位不幸比较低，从工业经济的角度来讲，倒不如从盛产富铁矿的澳大利亚、巴西等国进口。

可以直接投入炼钢炉炼钢的铁矿石旧称“平炉富矿”，可以直接用于炼铁的铁矿石旧称“高炉富矿”，都带个“富”字。这些富矿最好是磁铁矿和赤铁矿，它们的含铁量都在70%以上。

铁都是以化合物的状态存在于自然界中，尤其是以氧化铁的状态存在的量特别多。将几种比较重要的铁矿石说明如下：

磁铁矿MagnetITe是一种氧化铁的矿石，主要成份为Fe3O4，是Fe2O3和FeO的复合物，呈黑灰色，比重大约5.15磁铁矿左右，含Fe72.4%，O 27.6%，具有磁性。在选矿（Beneficiation）时可利用磁选法，处理非常方便；但是由于其结构细密，故被还原性较差。经过长期风化作用后即变成赤铁矿。

赤铁矿Hematite也是一种氧化铁的矿石，主要成份为Fe2O3，呈暗红色，比重大约为5.26，含Fe70%，O 30%，是最主要的铁矿石。由其本身结构状况的不同又可分成很多类别，如赤色赤铁矿（Red hematite）、镜铁矿（SPEcularhematite）、云母铁矿（Micaceous hematite）、粘土质赤铁（Red Ocher）等。

褐铁矿Limonite这是含有氢氧化铁的矿石。它是针铁矿（Goethite）HFeO2和鳞铁矿（LepidoCRocite）FeO（OH）两种不同结构矿石的统称，也有人把它主要成份的化学式写成mFe2O3．nH2O，呈现土黄或棕色，含有Fe约62%，O 27%，H2O 11%，比重约为3.6～4.0，多半是附存在其它铁矿石之中。

菱铁矿Siderite是含有碳酸亚铁的矿石，主要成份为FeCO3，呈现青灰色，比重在3.8左右。这种矿石多半含有相当多数量的钙盐和镁盐。由于碳酸根在高温约800～900℃时会吸收大量的热而放出二氧化碳，所以我们多半先把这一类矿石加以焙烧之后再加入鼓风炉。

熔剂钢铁冶金原料中的一类重要造渣材料。连续铸钢|炼铁过程中，它与铁矿石或铁水中的杂质形成易熔炉渣，将杂质从铁中分离出来，从而提高生铁的质量。在炼钢过程中熔剂是脱硫、脱磷、脱氧以及脱除各种非金属夹杂物，提高钢液净度和减少热损失不可缺少的造渣材料。熔剂可分为碱性熔剂、酸性熔剂和中性熔剂3种。3

原理熔剂的选择受冶炼过程高温物理化学反应规律所控制，其中最主要的是酸性物质与碱性物质相互作用而成渣的原理。一般地说，渣相化合物或混合物的熔点均比反应物的熔点低，因此高熔点杂质成渣后变得易熔，从而达到金属与熔渣分离的目的。在钢铁冶炼及精炼过程中矿石本身带入酸性或碱性杂质，必须选择一种相应的强碱性或强酸性的熔剂来与矿石中的杂质组成低熔点炉渣，才能使杂质与金属分离，达到冶炼的目的。此外，有些中性物质也可以用来作为熔剂降低渣的熔点，并改进其流动性，这要从熔渣的离子结构来解释。

分类碱性熔剂 碱性熔剂的主要化学成分为CaO及MgO等碱性物质。常用的有石灰石、白云石、石灰及消石灰。钢铁冶炼对碱性熔剂的要求是：含碱性氧化物(CaO及MgO)要高，含酸性氧化物(SiO2及Al2O3)及有害杂质(S、P)要低，并要有一定的强度和粒度。高炉直接入炉用的碱性熔剂主要是石灰石；为了增加高炉渣中的MgO含量以提高炉渣的流动性及脱硫能力，炉料中配加白云石，最好使用白云石化石灰石。为了节约高炉内熔剂分解的热耗，尽可能避免碱性熔剂直接入炉，而是把需要入炉的熔剂配加于烧结料或球团料中制成熔剂性烧结矿或自熔性球团矿。为了强化烧结生产，在烧结料中配加部分石灰或消石灰。炼钢用的碱性熔剂主要是石灰，要求石灰含CaO高，活性度高，其块度大小与工艺要求及冶炼时间长短有关。碱性平炉开始冶炼造渣时及电炉冶炼熔化期、氧化期也使用石灰石，主要利用石灰石分解出CO2气体来活跃熔池，排出钢中气体和杂质，降低含硫量。为了使炉渣中含一定MgO量以保护炉衬，炼钢过程中加入少量的焙烧白云石。