基本介紹
- 中文名：煉鐵
- 外文名：ironsmelting
- 別稱：高爐煉鐵
- 常用方法：高爐法，直接還原法等
- 領域：冶金
- 本質：氧化還原反應
基本概述,化學原理,基本流程,發展過程,事故預防,生產安全,
基本概述
在高溫下，用還原劑將鐵礦石還原得到生鐵的生產過程。煉鐵的主要原料是鐵礦石、焦炭、石灰石、空氣。鐵礦石有赤鐵礦(Fe2O3)和磁鐵礦(Fe3O4)等。鐵礦石的含鐵量叫做品位，在冶煉前要經過選礦，除去其它雜質，提高鐵礦石的品位，然後經破碎、磨粉、燒結，才可以送入高爐冶煉。焦炭的作用是提供熱量並產生還原劑一氧化碳。石灰石是用於造渣除脈石，使冶煉生成的鐵與雜質分開。煉鐵的主要設備是高爐。冶煉時，鐵礦石、焦炭、和石灰石從爐頂進料口由上而下加入，同時將熱空氣從進風口由下而上鼓入爐內，在高溫下，反應物充分接觸反應得到鐵。高爐煉鐵是指把鐵礦石和焦炭，一氧化碳，氫氣等燃料及熔劑（從理論上說把金屬活動性比鐵強 的金屬和礦石混合後高溫也可煉出鐵來）裝入高爐中冶煉，去掉雜質而得到金屬鐵（生鐵）。
有高爐法，直接還原法，熔融還原法，等離子法。
其反應式為：
Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2(高溫) (還原反應）
Fe3O4+4CO==3Fe+4CO2(高溫)（還原反應）
爐渣的形成:
CaCO3=CaO+CO2 (條件：高溫）
CaO+SiO2=CaSiO3 (條件：高溫）
化學原理
高爐生產是連續進行的。一代高爐（從開爐到大修停爐為一代）能連續生產幾年到十幾年。生產時，從爐頂（一般爐頂是由料鐘與料斗組成，現代化高爐是鐘閥爐頂和無料鐘爐頂）不斷地裝入鐵礦石、焦炭、熔劑，從高爐下部的風口吹進熱風（1000～1300攝氏度），噴入油、煤或天然氣等燃料。裝入高爐中的鐵礦石，主要是鐵和氧的化合物。在高溫下，焦炭中和噴吹物中的碳及碳燃燒生成的一氧化碳將鐵礦石中的氧奪取出來，得到鐵，這個過程叫做還原。鐵礦石通過還原反應煉出生鐵，鐵水從出鐵口放出。鐵礦石中的脈石、焦炭及噴吹物中的灰分與加入爐內的石灰石等熔劑結合生成爐渣，從出鐵口和出渣口分別排出。煤氣從爐頂導出，經除塵後，作為工業用煤氣。現代化高爐還可以利用爐頂的高壓，用導出的部分煤氣發電。
基本流程
高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續生產過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐，並使爐喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內形成交替分層結構。
爐前操作
一、爐前操作的任務
1、利用開口機、泥炮、堵渣機等專用設備和各種工具，按規定的時間分別打開渣、鐵口（現今渣鐵口合二為一），放出渣、鐵，並經渣鐵溝分別流入渣、鐵罐內，渣鐵出完後封堵渣、鐵口，以保證高爐生產的連續進行。
2.完成渣、鐵口和各種爐前專用設備的維護工作。
3、製作和修補撇渣器、出鐵主溝及渣、鐵溝。
4、更換風、渣口等冷卻設備及清理渣鐵運輸線等一系列與出渣出鐵相關的工作。
高爐基本操作制度:
高爐爐況穩定順行：一般是指爐內的爐料下降與煤氣流上升均勻，爐溫穩定充沛，生鐵合格，高產低耗。
操作制度：根據高爐具體條件(如高爐爐型、設備水平、原料條件、生產計畫及品種指標要求)制定的高爐操作準則。
高爐基本操作制度：裝料制度、送風制度、爐缸熱制度和造渣制度。
高爐
橫斷面為圓形的煉鐵豎爐。用鋼板作爐殼，殼內砌耐火磚內襯。高爐本體自上而下分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹 、爐缸5部分。由於高爐煉鐵技 術經濟指標良好，工藝 簡單 ，生產量大，勞動生產效率高，能耗低等優點，故這種方法生產的鐵占世界鐵總產量的絕大部分。高爐生產時從爐頂裝入鐵礦石、焦炭、造渣用熔劑（石灰石），從位於爐子下部沿爐周的風口吹入經預熱的空氣。在高溫下焦炭（有的高爐也噴吹煤粉、重油、天然氣等輔助燃料）中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣，在爐內上升過程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵。煉出的鐵水從鐵口放出。鐵礦石中未還原的雜質和石灰石等熔劑結合生成爐渣，從渣口排出。產生的煤氣從爐頂排出，經除塵後，作為熱風爐、加熱爐、焦爐、鍋爐等的燃料。高爐冶煉的主要產品是生鐵 ，還有副產品高爐渣和高爐煤氣。
高爐熱風爐
熱風爐是為高爐加熱鼓風的設備，是現代高爐不可缺少的重要組成部分。提高風溫可以通過提高煤氣熱值、最佳化熱風爐及送風管道結構、預熱煤氣和助燃空氣、改善熱風爐操作等技術措施來實現。理論研究和生產實踐表明，採用最佳化的熱風爐結構、提高熱風爐熱效率、延長熱風爐壽命是提高風溫的有效途徑。
鐵水罐車
鐵水罐車用於運送鐵水，實現鐵水在脫硫跨與加料跨之間的轉移或放置在混鐵爐下，用於高爐或混鐵爐等出鐵。
發展過程
我國煉鐵始於春秋時代。那時候的煉鐵方法是塊煉鐵，即在較低的冶煉溫度下，將鐵礦石固態還原獲得海綿鐵，再經鍛打成的鐵塊。冶煉塊煉鐵，一般採用地爐、平地築爐和豎爐3種。我國在掌握塊煉鐵技術的不久，就煉出了含碳2%以上的液態生鐵，並用以鑄成工具。 戰國初期，我國已掌握了脫碳、熱處理技術方法，發明了韌性鑄鐵。戰國後期，又發明了可重複使用的“鐵范”(用鐵製成的鑄造金屬器物的空腹器)。
西漢時期，出現坩堝煉鐵法。同時，煉鐵豎爐規模進一步擴大。1975年，在鄭州附近古滎鎮發現和發掘出漢代冶鐵遺址，場址面積達12萬m2，發掘出兩座並列的高爐爐基，高爐容積約50m3。西漢時期還發明了“炒鋼法”，即利用生鐵“炒”成熟鐵或鋼的新工藝，產品稱為炒鋼。同時，還興起“百鍊鋼”技術。東漢(公元25～220年)，光武帝時，發明了水力鼓風爐，即“水排”。我國古代水排的發明，大約比歐洲早1100多年。
漢代以後，發明了灌鋼方法。《北齊書·綦母懷文傳》稱為“宿鋼”，後世稱為灌鋼，又稱為團鋼。這是中國古代煉鋼技術的又一重大成就。
總的來看，中國古代鋼鐵發展的特點與其他各國不同。世界上長期採用固態還原的塊煉鐵和固體滲碳鋼，而中國鑄鐵和生鐵煉鋼一直是主要方法。由於鑄鐵和生鐵煉鋼法的發明與發展，中國的冶金技術在明代中葉以前一直居世界先進水平。
19世紀下半葉清政府發展近代軍事工業，製造槍炮、戰艦，大量輸入西方國家生產的鋼鐵。1867年進口鋼約8250t，1885年約9萬t，1891年增加到170萬擔(約13萬t)。進口鋼逐漸占領了中國的市場，使傳統的冶鐵業難以維持生產，而國內鋼鐵消耗量又不斷增加。因此近代鋼鐵工業的興起就成為時代的需要。
1871年(清同治十三年)，直隸總督李鴻章、船政大臣沈葆楨請開煤鐵，以濟軍需，上允其請，命於直隸磁州、福建、台灣試辦。1875年，直隸磁州煤鐵礦向英國訂購熔鐵機器，因運道艱遠未能成交。此事表明，當時已開始注重舉辦新式鋼鐵事業。1886年，貴州巡撫潘蔚創辦青廠，先用土爐，後從英國訂購煉鐵、煉鋼設備，1888年安裝完畢。終因清廷腐敗，缺乏資金、煤和鐵礦石，加上不善管理，無人精通技術，而於1893年停辦。這是興辦近代鋼鐵廠的一次嘗試。
事故預防
1、煉鐵廠煤氣中毒事故危害最為嚴重，死亡人員多，多發生在爐前和檢修作業中。預防煤氣中毒的主要措施是提高設備的完好率，儘量減少煤氣泄漏；
2、在易發生煤氣泄漏的場所安裝煤氣報警器；
3、進行煤氣作業時，煤氣作業人員佩帶攜帶型煤氣報警器，並派專人監護。
4、爐前還容易發生燙傷事故，主要預防措施是提高裝備水平，作業人員要穿戴防護服。原料場、爐前還容易發生車輛傷害和機具傷害事故。
5、煙煤粉塵製備、噴吹系統，當煙煤的揮發分超過10%時，可發生粉塵爆炸事故。為了預防粉塵爆炸，主要採取控制磨煤機的溫度、控制磨煤機和收粉器中空氣的氧含量等措施。目前，我國多採用噴吹混合煤的方法來降低揮發分的含量。
生產安全
煉鐵安全生產的主要特點
煉鐵是將鐵礦石或燒結球團礦、錳礦石、石灰石和焦炭按一定比例予以混勻送至料倉，然後再送至高爐，從高爐下部吹入1000℃左右的熱風，使焦炭燃燒產生大量的高溫還原氣體煤氣，從而加熱爐料並使其發生化學反應。在1100℃左右鐵礦石開始軟化，1400℃熔化形成鐵水與液體渣，分層存於爐缸。之後，進行出鐵、出渣作業。
煉鐵生產所需的原料、燃料，生產的產品與副產品的性質，以及生產的環境條件，給煉鐵人員帶來了一系列潛在的職業危害。例如，在礦石與焦炭運輸、裝卸，破碎與篩分，燒結礦整粒與篩分過程中，都會產生大量的粉塵；在高爐爐前出鐵場，設備、設施、管道布置密集，作業種類多，人員較集中，危險有害因素最為集中，如爐前作業的高溫輻射，出鐵、出渣會產生大量的煙塵，鐵水、熔渣遇水會發生爆炸；開鐵口機、起重機造成的傷害等；煉鐵廠煤氣泄漏可致人中毒，高爐煤氣與空氣混合可發生爆炸，其爆炸威力很大；噴吹煙煤粉可發生粉塵爆炸；另外，還有煉鐵區的噪聲，以及機具、車輛的傷害等。如此眾多的危險因素，威脅著生產人員的生命安全和身體健康。
煉鐵生產的主要安全技術
1)高爐裝料系統安全技術
裝料系統是按高爐冶煉要求的料坯，持續不斷的給高爐冶煉。裝料系統包括原料燃料的運人、儲存、放料、輸送以及爐頂裝料等環節。裝料系統應儘可能的減少裝卸與運輸環節，提高機械化、自動化水平，使之安全的運行。
(1)運人、儲存與放料系統。大中型高爐的原料和燃料大多數採用膠帶機運輸，比火車運輸易於自動化和治理粉塵。儲礦槽未鋪設隔柵或隔柵不全，周圍沒有欄桿，人行走時有掉入槽的危險；料槽形狀不當，存有死角，需要人工清理；內襯磨損，進行維修時的勞動條件差；料閘門失靈常用人工捅料，如料突然崩落往往造成傷害。放料時的粉塵濃度很大，尤其是採用膠帶機加振動篩篩分料時，作業環境更差。因此，儲礦槽的結構應是永久性的、十分堅固的。各個槽的形狀應該做到自動順利下料，槽的傾角不應該小於50°，以消除人工捅料的現象。金屬礦槽應安裝振動器。鋼筋混凝土結構，內壁應鋪設耐磨襯板；存放熱燒結礦的內襯板應是耐熱的。礦槽上必須設定隔柵，周圍設欄桿，並保持完好。料槽應設料位指示器，卸料口應選用開關靈活的閥門，最好採用液壓閘門。對於放料系統應採用完全封閉的除塵設施。
(2)原料輸送系統。大多數高爐採用料車斜橋上料法，料車必須設有兩個相對方向的出入口，並設有防水防塵措施。一側應設有符合要求的通往爐頂的人行梯。卸料口卸料方向必須與膠帶機的運轉方向一致，機上應設有防跑偏、打滑裝置。膠帶機在運轉時容易傷人，所以必須在停機後，方可進行檢修、加油和清掃工作。
(3)頂爐裝料系統。通常採用鐘式向高爐裝料。鐘式裝料以大鐘為中心，有大鐘、料斗、大小鐘開閉驅動設備、探尺、旋轉布料等裝置組成。採用高壓操作必須設定均壓排壓裝置。做好各裝置之間的密封，特別是高壓操作時，密封不良不僅使裝置的部件受到煤氣沖刷，縮短使用壽命，甚至會出現大鐘掉到爐內的事故。料鐘的開閉必須遵守安全程式。為此，有關設備之間必須連鎖，以防止人為的失誤。
2)供水與供電安全技術
高爐是連續生產的高溫冶煉爐，不允許發生中途停水、停電事故。特別是大、中型高爐必須採取可靠的措施，保證安全供電、供水。
(1)供水系統安全技術。高爐爐體、風口、爐底、外殼、水渣等必須連續給水，一旦中斷便會燒壞冷卻設備，發生停產的重大事故。為了安全供水，大中型高爐應採取以下措施：供水系統設有一定數量的備用泵；所有泵站均設有兩路電源；設定供水的水塔，以保證柴油泵啟動時供水；設定回水槽，保證在沒有外部供水情況下維持循環供水；在爐體、風口供水管上設連續式過濾器；供、排水採用鋼管以防破裂。
(2)供電安全技術。不能停電的儀器設備，萬一發生停電時，應考慮人身及設備安全，設定必要的保全應急措施。設定專用、備用的柴油機發電組。
計算機、儀表電源、事故電源和通訊信號均為保全負荷，各電器室和運轉室應配緊急照明用的帶鉻電池螢光燈。
3)煤粉噴吹系統安全技術
高爐煤粉噴吹系統最大的危險是可能發生爆炸與火災。
為了保證煤粉能吹進高爐又不致使熱風倒吹入噴吹系統，應視高爐風口壓力確定噴吹罐壓力。混合器與煤粉輸送管線之間應設定逆止閥和自動切斷閥。噴煤風口的支管上應安裝逆止閥，由於煤粉極細，停止噴吹時，噴吹罐內、儲煤罐內的儲煤時間不能超過8～12h。煤粉流速必須大於18m/s。罐體內壁應圓滑，曲線過渡，管道應避免有直角彎。
4)高爐安全操作技術
(1)開爐的操作技術。開爐工作極為重要，處理不當極易發生事故。開爐前應做好如下工作：進行設備檢查，並聯合檢查；做好原料和燃料的準備；制定烘爐曲線，並嚴格執行；保證準確計算和配料。
(2)停爐的操作技術。停爐過程中，煤氣的一氧化碳濃度和溫度逐漸增高，再加上停爐時噴入爐內水分的分解使煤氣中氫濃度增加。為防止煤氣爆炸事故，應做好如下工作：處理煤氣系統，以保證該系統蒸氣暢通；嚴防向爐內漏水。在停爐前，切斷已損壞的冷卻設備的供水，更換損壞的風渣口；利用打水控制爐頂溫度在400℃～500℃之間；停爐過程中要保證爐況正常，嚴禁休風；大水噴頭必須設在大鐘下。設在大鐘上時，嚴禁開關大鐘。
5)高爐維護安全技術
高爐生產是連續進行的，任何非計畫休風都屬於事故。因此，應加強設備的檢修工作，儘量縮短休風時間，保證高爐正常生產。
為防止煤氣中毒與爆炸應注意以下幾點：
(1)在一、二類煤氣作業前必須通知煤氣防護站的人員，並要求至少有2人以上進行作業。在一類煤氣作業前還須進行空氣中一氧化碳含量的檢驗，並佩帶氧氣呼吸器。
(2)在煤氣管道上動火時，須先取得動火票，並做好防範措施。
(3)進入容器作業時，應首先檢查空氣中一氧化碳的濃度，作業時，除要求通風良好外，還要求容器外有專人進行監護。
煉鐵生產事故的預防措施和技術
煉鐵廠煤氣中毒事故危害最為嚴重，死亡人員多，多發生在爐前和檢修作業中。預防煤氣中毒的主要措施是提高設備的完好率，儘量減少煤氣泄漏；在易發生煤氣泄漏的場所安裝煤氣報警器；進行煤氣作業時，煤氣作業人員佩帶攜帶型煤氣報警器，並派專人監護。
爐前還容易發生燙傷事故，主要預防措施是提高裝備水平，作業人員要穿戴防護服。原料場、爐前還容易發生車輛傷害和機具傷害事故。
