华道安 钢铁生产大跃进的背景
中文翻译:杨盛

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高炉操作技术说明


高炉操作

以焦炭为燃料的现代高炉 操作。最常见的高度为 20–30 米。炉内的等温线如图所示。图右侧为在炉内发生的化学反应式,带下划线 的元素是包含在铁水中的元素。

 

关于高炉的描述大部分来自于 J. G. Peacey & W. G. Davenport 的 The iron blast furnace: Theory and practice [冶铁高炉:理论与实践], 1979 年, 牛 津大学, 和 Terkel Rosenqvist 的 Principles of extractive metallurgy [冶炼原理], 纽约, 1974 年。

根据实验来研究现代高炉内的各种反应,给我们提供了相当多的细节内容,下 面我们将详细介绍现代高炉内发生的各种反应。四 川地 区使用的以木炭为燃料的传统大高炉,可以说与现代高炉的基本原理是相同的,但最主要的区别在于 炉内各部分的温度都低于现代高炉。而在大 别山地 区使用的以木炭为燃料的小高炉,基本原理与现代高炉也是大致相同的,但是有些方面还是存在巨 大的差异。

请参阅图表。一个现代化的高炉通常连续工作数月或数年的时间,焦 炭矿石助 熔剂由炉顶装料送入高炉,空气从高炉下部的多 个风口吹进炉内,高炉底部的铁水炉 渣分别由出铁口和排渣口放出。高炉持 续工作直到炉衬在高温下被损坏,则需进行必要的维修。

铁矿石在装料前需要烧结(或烘烤),使铁元素完全 存在于 Fe2O3 的形式中(三氧化二铁,赤铁矿)。高炉中的基本反应是先由 CO(一氧化碳)将 Fe2O3 还原为 Fe3O4(四氧化三铁,磁铁矿),再还原成 FeO(氧化亚铁,魏氏体),并最终生产成金属铁。这种金属铁的含碳量通常在4%(重量),溶解在铁水的底部附近,这种 含碳量的铁的熔点低于 1200℃。

风口处焦炭的燃烧会产生 CO2(二氧化 碳),再与碳进行反应可以产生必需的 CO。产生的 CO 与氧化铁反应,再次生成 CO2, 再与碳进行生成 CO 等反应。每个反应的必要条件如上图。重要的是,高温和炉内气氛中高浓度的 CO 是还原 FeO 所必需的。使用木炭作为燃料可以比使用焦炭作为燃料更容易地获得必要的 CO 反应浓度(因为木炭更具有反应活性),因此,使用木炭的高炉可以在较低的温度下工作。


假如铁矿石中只含 有氧化铁一种组分,那么钢铁的冶炼会非常容易。但是事实上,所有的铁矿石中都有显著含量的SiO2(二 氧化硅),以及其他矿物。这种杂质材料统称为矿石的脉石。如果高炉是连续的不停运转,则脉石 杂质必须在熔融态去除,但脉石杂质的熔点通常会远远高于氧化铁所需的还原温度。因此,我们需要助熔剂的 帮助,典型的助熔剂有 CaCO3(石灰石),随着矿石和燃料一起装入炉中。选择的合适 的助熔剂与脉石结合形成具有低熔点(在现代高炉中小于 1400℃)的炉渣。CaCO3 在高炉中分解为 CaO(石灰)和 CO2,CaO 同 SiO2 结合生成化合物的熔点具有比各自单一熔点低得多。在装料时,脉石中包含的一些矿物,和炉工有意添加的一些矿物, 都有可能进一步压低炉渣的熔点。例如添加了重要的助熔剂 Al2O3(氧 化铝)。

石灰石不仅仅是一个优秀助熔剂,它还是脱硫剂,其具有与铁水中的硫 (S)进行如图所示的反应将其去除的性质。在现代生产实践中,使用的燃料焦炭具有相当高的含硫量,石灰石的大量 使用,使得 CaO/SiO2 型炉渣的排出比例高达 1.2,在使用木炭作为燃料的高炉,很少会有硫的问题,所以只需要使用少量的石灰石。

在一些古代的中国传统高炉中没有使用助熔剂。这似乎存在一些特殊的情况,在这些特殊情况中,必须满足下列一项或几 项条件:(1)所用的矿石可能是品位非常高,即只包含少量脉石;(2)矿石可能具有“自造渣功能”,即脉石中含有一 定比例的石灰石或氧化铝;(3)使用的木炭可能来自于是从生长在白垩土质地面上的树木,因此木炭中包含一定比例的石 灰成分;(4)在生产工作中炉衬提供了足够的一定量的氧化铝或其他矿物来造渣;(5)在炉的内部结构中可能设置一种 结构,使得在炉底部分少量还原态的铁再度被氧化成FeO,这样一种方式提供了一种对二氧化硅非常有效的助熔剂。在古 代高炉生产中,似乎生产出粘稠度很高的铁渣混合物也可以被接受,这种铁渣产品可以被铸铁工匠和炒钢工匠所使用,而没 有太大的问题。

规模经济效益

在图中可以看出,在一个进行正常生产冶铁高炉,在其中轴的上半部分有一个 “相对恒温反应区域”,在这个区域内温度的变化非常小。这个区域的存在具有非常重要意义,因为它作为一个缓冲区屏蔽 其他区域对中轴的下半部分的扰动。这意味着,即使这样的高炉按比例放大到一个巨大尺寸,也可以在极其稳定的条件下生 产操作。因此,冶铁高炉是现代工业中使用的最大机器,体积范围通常在 1500 至 3000 立方米,每天的产量一般为 2500–5000 吨,甚至高达 10000 吨/天。

一般来说,要发挥高炉最大的生产效率,就需要原材料和 劳动力的充足供应,还有产品的市场足够稳定可靠。高炉的建造也不能过大,因为只有保证高炉可以连续工作才能保证最大 的生产效率。劳动力或原材料短缺所造成的工作中断,抑或是由于生铁产品的需求不足所造成的工作中断,都将迅速蚕食规 模经济效益。

主要有两点技术原因,可以说明一个更大的高炉是更具有 效率。第一,整体容积较大的高炉意味着更少的热量散失到周围环境。第二,还原区域的温度更高和体积更大意味着还原反 应越快。这两个因素提高燃料利用率。此外,大型高炉可以利用较少的投资获得相对较高生产能力,而且需要劳动力也相对 较少。

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