摘要：對海綿鐵生(sheng)(sheng)產(chan)的(de)(de)基本原(yuan)理(li)及公司的(de)(de)海綿鐵生(sheng)(sheng)產(chan)工藝進行了介(jie)紹。此外，對于在(zai)生(sheng)(sheng)產(chan)中容(rong)易出現的(de)(de)質量(liang)問(wen)題作了詳細的(de)(de)分析，同時相應地提出了質量(liang)控制(zhi)的(de)(de)辦法。

1、前言

目前，粉末(mo)冶金(jin)公司主要(yao)采用固體碳還原(yuan)法生產海(hai)綿鐵(tie)(tie)(tie)。原(yuan)料主要(yao)為軋(ya)鋼(gang)氧化鐵(tie)(tie)(tie)皮（俗稱(cheng)鐵(tie)(tie)(tie)鱗(lin)）或精(jing)礦(kuang)粉，經過烘干、篩(shai)分(fen)、磁選、研磨等一系列處(chu)理后(hou)的(de)鐵(tie)(tie)(tie)鱗(lin)與還原(yuan)劑(ji)通過環形裝具(ju)裝入耐火(huo)罐再(zai)裝車(che)之后(hou)進入隧(sui)道窯，整個還原(yuan)反應(ying)在隧(sui)道窯中發生。其工藝流程如(ru)圖1：

為了更好地控(kong)制(zhi)海綿(mian)鐵(tie)質量(liang)，了解(jie)其(qi)基(ji)本原(yuan)(yuan)理(li)和(he)生產工(gong)藝要(yao)求是(shi)必不可少的。本文(wen)就(jiu)海綿(mian)鐵(tie)生產的基(ji)本原(yuan)(yuan)理(li)及質量(liang)控(kong)制(zhi)作(zuo)一簡要(yao)敘(xu)述。 

2、還(huan)原反應基本原理

鐵的氧化物的還原過程是分階段進行的，即：Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe。

研究表明：用固體碳直接還原鐵(tie)的氧化物時(shi)，當溫度高于570℃時(shi)反應為：

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂

FeO+CO=Fe+CO₂

當溫度低于570℃時，由于FeO不能穩定存在，Fe₃O₄直接(jie)還原成金屬(shu)鐵：

Fe₃O₄+4CO=3Fe+4CO₂

雖然固體碳能直接還原鐵的氧化物，但是固體與固體之間接觸面積很有限，因而固—固反應速度慢。只要罐內有固體碳存在則碳的氣化反應總是在進行，即系統內總會發生C+CO₂=2CO這樣的反應，故達到一定溫度時系統內總有大量CO存在，它可以加快固體碳還原鐵氧化物的速度。因此固體碳還原鐵的氧化物實質上就是CO間接還原反應與CO₂和C的(de)氣化反應(ying)的(de)綜合反應(ying)，即固體碳還原(yuan)鐵的(de)氧化物的(de)原(yuan)理。

3、生產工藝要求

3.1 對鐵鱗的要(yao)求

鐵(tie)鱗(lin)的物理化(hua)學(xue)性能優劣將直接影(ying)響(xiang)海綿(mian)鐵(tie)的質量(liang)。生(sheng)產不同質量(liang)等級的海綿(mian)鐵(tie)對進廠鐵(tie)鱗(lin)的化(hua)學(xue)成(cheng)份(fen)要求如(ru)表1所示：

表1 品(pin)種等級及其對應的化學成分

品種	TFe ＞	S＜	Si＜	Mn＜	P＜	酸不溶物＜
Ⅰ級	72	0.020	0.10	0.35	0.020	0.20
Ⅱ級	71	0.020	0.15	0.40	0.020	0.35
Ⅲ級	70	0.030	0.20	0.50	0.030	0.60

在(zai)物理性(xing)能方面(mian)的(de)(de)(de)(de)要求(qiu)主要是(shi)鐵(tie)鱗(lin)(lin)的(de)(de)(de)(de)粒(li)(li)度(du)。研(yan)究表明(ming)，多相反(fan)應與界面(mian)有關，鐵(tie)鱗(lin)(lin)愈(yu)(yu)細其界面(mian)的(de)(de)(de)(de)面(mian)積愈(yu)(yu)大，還原反(fan)應愈(yu)(yu)快。但研(yan)究表明(ming)鐵(tie)鱗(lin)(lin)粒(li)(li)度(du)細到一定的(de)(de)(de)(de)程度(du)后(hou)，由(you)于顆粒(li)(li)與顆粒(li)(li)之(zhi)間的(de)(de)(de)(de)縫隙減(jian)小，透氣性(xing)變差，反(fan)應速度(du)會隨之(zhi)降低(di)。經過多年的(de)(de)(de)(de)生產實踐證明(ming)：鐵(tie)鱗(lin)(lin)的(de)(de)(de)(de)粒(li)(li)度(du)在(zai)20-60目范圍內，還原反(fan)應效(xiao)果較好。單一的(de)(de)(de)(de)某種(zhong)鐵(tie)鱗(lin)(lin)因其化學成(cheng)份有時難以(yi)滿足質量(liang)(liang)要求(qiu)，生產中通(tong)常是(shi)將兩(liang)種(zhong)或兩(liang)種(zhong)以(yi)上的(de)(de)(de)(de)鐵(tie)鱗(lin)(lin)搭配使用以(yi)滿足生產和質量(liang)(liang)控制需求(qiu)。

3.2 對還(huan)原劑(ji)的要求

應用廣泛的(de)還(huan)原(yuan)(yuan)劑主要(yao)有無煙煤和焦(jiao)末，粉末冶金公司采用焦(jiao)末，由于其硫含量較(jiao)高，因(yin)此焦(jiao)末中(zhong)還(huan)需(xu)要(yao)添加適量的(de)脫(tuo)硫劑（石灰）。對還(huan)原(yuan)(yuan)劑的(de)化學成(cheng)份要(yao)求(qiu)如表2所(suo)示：

表(biao)2 還原劑化學成(cheng)分

名稱	C固＞	S＜	揮發份＜	灰份＜	水份＜
焦末	70	1.0	3.0	18	10.0
名稱	CaO＞		MgO＜		SiO2＜
石灰	65		4		5

焦(jiao)末(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)粒度對還原過(guo)程影響較大，為了加快碳的(de)(de)(de)(de)(de)氣化反應，提高(gao)還原速(su)度，要求焦(jiao)末(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)粒徑≤8mm。焦(jiao)末(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)消耗(hao)量(liang)主(zhu)要根據(ju)鐵鱗的(de)(de)(de)(de)(de)含(han)氧量(liang)而(er)決定，生產中(zhong)考慮到(dao)焦(jiao)末(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)燒損(sun)及CO的(de)(de)(de)(de)(de)逸出(chu)等(deng)原因(yin)其(qi)(qi)使用量(liang)需要過(guo)量(liang)。脫硫(liu)劑的(de)(de)(de)(de)(de)摻入量(liang)視焦(jiao)末(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)S含(han)量(liang)而(er)定，摻入量(liang)不足會使焦(jiao)末(mo)(mo)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)S滲入到(dao)海綿鐵，致使其(qi)(qi)S含(han)量(liang)升高(gao)。

3.3 還(huan)原反應的工藝條件

還原過程中，還原溫度、還原時間（生產上體現為進車速度）、料層厚度、還原氣氛是一個互相制約的有機整體。理論上，只要將各項工藝參數調至較佳狀態，就會達到理想中的還原終點，即海綿鐵氧、碳含量都很低，相應的鐵含量很高。但是，實際生產中整個還原系統十分復雜，在多種影響因素并存的條件下還原終點很難實現，所以生產中采取的往往是過還原終點制度，即允許海綿鐵輕度滲碳（C：0.15%-0.30%）。即是實現Fe+C→Fe₃C的(de)(de)過程。實(shi)踐證明利用滲碳得到的(de)(de)一次(ci)粉(fen)在二次(ci)還(huan)原階段可快速而經濟(ji)地(di)除去海綿鐵(tie)冷卻過程中(zhong)氧化(hua)所造(zao)成的(de)(de)高氧含量。

經(jing)過(guo)長期的(de)(de)生產(chan)試驗(yan)，以目前公司的(de)(de)生產(chan)工(gong)藝和現有的(de)(de)設(she)備能力，對經(jing)過(guo)處理的(de)(de)試驗(yan)鐵鱗(lin)，各項性能如表(biao)3所示。

表3 試驗鐵鱗(lin)各(ge)項性能

TFe/%	S/%	Si/%	Mn/%	P/%	酸不溶物/%	松比/g·cm-3
73.05	0.018	0.09	0.34	0.011	0.17	2.50

按照產(chan)量相當的原(yuan)則，分別執行三種工藝，如表(biao)4所示 ：

表4 執行三(san)種工藝表

工藝	溫度/℃	時間/h	料厚/mm
1	1165±5	65	28
2	1160±5	68	30
3	1155±5	72	32

所得海(hai)綿鐵(tie)，經化(hua)驗結(jie)果如表5。

表(biao)5 海(hai)綿鐵化驗(yan)結果表(biao)

序號	TFe/%	C/%	S/%	Si/%	Mn/%	P/%	酸不溶物/%	O/%
1	97.26	0.14	0.020	0.09	0.33	0.011	0.19	1.25
2	97.65	0.20	0.020	0.09	0.32	0.011	0.19	1.12
3	97.96	0.26	0.017	0.08	0.34	0.010	0.18	0.97

根(gen)據以上數據得(de)出工(gong)藝(yi)3獲得(de)的海綿鐵質(zhi)量較好，同時成(cheng)本(ben)較低。因(yin)此公司主(zhu)要(yao)采用類似(si)工(gong)藝(yi)進(jin)行生產。

4、常見的質量問題及相(xiang)應控制措(cuo)施(shi)

4.1 夾(jia)生

若芯部(bu)出現(xian)黑色光(guang)亮帶(dai)的海(hai)綿鐵(tie)(tie)，即為(wei)夾生(sheng)海(hai)綿鐵(tie)(tie)。夾生(sheng)致使海(hai)綿鐵(tie)(tie)氧含量偏高會增加二次還(huan)原時間(jian)。

造成夾生的原因主要有(you)：

4.1.1 還原時(shi)間不足，即進車偏快；

4.1.2 料層太(tai)厚致使配碳量相對不足(zu)，此時應調整(zheng)環形(xing)裝具的規(gui)格降低料層厚度；

4.1.3 還(huan)原(yuan)溫度(du)偏低；

4.1.4 配碳量(liang)不(bu)足即是(shi)焦末固定碳含量(liang)低、投入使(shi)用的(de)量(liang)不(bu)足或是(shi)其顆粒太粗致使(shi)芯(xin)部反(fan)應不(bu)充分；

4.2 氧化

表面呈藍(lan)色或褐色的(de)海(hai)綿(mian)鐵即為(wei)氧(yang)化(hua)海(hai)綿(mian)鐵。氧(yang)化(hua)的(de)海(hai)綿(mian)鐵硬度較高且(qie)氧(yang)含量偏高，增加二次還(huan)原時間的(de)同(tong)時還(huan)會使破(po)碎困(kun)難。

造成氧(yang)化的(de)原因主(zhu)要有：

4.2.1 耐火(huo)罐密封不(bu)良，這將(jiang)致使窯內空(kong)氣進入耐火(huo)罐導致海綿鐵氧化 ；

4.2.2 耐火罐(guan)頂(ding)部焦(jiao)末燒損(sun)嚴(yan)重(zhong)，致使頂(ding)部海(hai)綿(mian)鐵發生氧化。為解(jie)決此(ci)問題，裝罐(guan)時在罐(guan)頂(ding)過量裝入還(huan)原劑封(feng)口可(ke)以(yi)(yi)有效防(fang)止焦(jiao)末燒損(sun)，同時還(huan)原后殘余的焦(jiao)末和灰份還(huan)可(ke)以(yi)(yi)將(jiang)海(hai)綿(mian)鐵覆蓋防(fang)止氧化 。

4.2.3 冷(leng)(leng)卻(que)速度慢。由于隧道窯(yao)冷(leng)(leng)卻(que)速段較長還原得到的(de)銀白色海(hai)綿鐵在(zai)冷(leng)(leng)卻(que)段將(jiang)被氧(yang)化(hua)成褐(he)色甚至藍色，致使氧(yang)含量(liang)升(sheng)高(gao)。目前公司(si)主要采用(yong)窯(yao)尾(wei)敞(chang)口同時加冷(leng)(leng)卻(que)水(shui)套實行水(shui)冷(leng)(leng)的(de)方式，基本可以滿足質量(liang)要求。

4.3 過燒

過燒的(de)海綿鐵因嚴重滲碳(tan)質地特別堅硬，敲擊時發出清脆的(de)金(jin)屬聲(sheng)響。

造成過(guo)燒的原因(yin)主要有：

4.3.1 還原(yuan)溫度太高；

4.3.2 還原(yuan)時間(jian)太長，即進車太慢。

4.3.3 焦末使(shi)用過量，配碳量過高。

在(zai)實際(ji)生產中，海綿鐵(tie)(tie)不(bu)(bu)合格(ge)的(de)形式多種多樣，除(chu)以上幾(ji)種常見(jian)的(de)形式外，還有(you)個(ge)別情況下(xia)產生的(de)不(bu)(bu)合格(ge)品(pin)是(shi)由(you)于人為的(de)操作不(bu)(bu)當所致(zhi)。另外，若焦(jiao)末或鐵(tie)(tie)鱗預處理(li)不(bu)(bu)善致(zhi)使水(shui)份偏高(gao)，則較有(you)可能造成海綿鐵(tie)(tie)表面結殼增加硬(ying)度，同(tong)時伴有(you)夾生。

5、結束語

海綿鐵生(sheng)產(chan)是整個還原鐵粉(fen)生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)中(zhong)重要工(gong)序(xu)之一(yi)，其質量水平直接決定了二次還原過(guo)程及成品粉(fen)的各項技術(shu)性(xing)能(neng)要求。正(zheng)確(que)理(li)解(jie)海綿鐵生(sheng)產(chan)的基本(ben)原理(li)、不斷(duan)探索(suo)新的生(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)、及時總結(jie)不合格品的產(chan)生(sheng)原因及解(jie)決措施(shi)，是保證海綿鐵生(sheng)產(chan)穩定運行的有效途(tu)徑。