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鐵金屬-煉鐵

Posted in: Chemknowledge 化學知識- 十二月 15, 2010 No Comments

現今煉鐵效果最好的方法-高爐

現今使用的最有經濟效益的煉鐵法是高爐法

高爐:

目前所知最古老高爐是中國西漢時代(紀元前1世紀)熔爐。在紀元前5世紀中國文物中就發現鑄鐵出土可見該時代熔煉已經實用化。初期熔爐內壁是用粘土蓋的,用來提煉含磷鐵礦。西方最早的熔爐則是於瑞典1150年到1350年間出現。這兩國的熔爐都是自行發展摸索出現,沒有互相傳達關係。

使用石炭的近代高爐出現於1709年。由於歐洲當時森林多用途砍伐導致木炭產量減少、被迫開發使用石炭的煉鐵法導致新技術出現,大幅增加煉鐵效率。

日本第一個現代高爐是釜石市大橋高爐。由大島高任設計,安政4年(1857年)11月26日點火,12月1日第一批鐵產出。這天也定為日本打鐵業紀念日。

高爐生產法

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。礦石料在下降過程中逐步被還原、熔化成鐵和渣,聚集在爐缸中,定期從鐵口、渣口放出。

鼓風機送出的冷空氣在熱風爐加熱到800~1350℃以後,經風口連續而穩定地進入爐缸,熱風使風口前的焦炭燃燒,產生2000℃以上的熾熱還原性煤氣。上升的高溫煤氣流加熱鐵礦石和熔劑,使成為液態;並使鐵礦石完成一系列物理化學變化,煤氣流則逐漸冷卻。下降料柱與上升煤氣流之間進行劇烈的傳熱、傳質和傳動量的過程。

下降爐料中的毛細水分當受熱到100~200℃即蒸發,褐鐵礦和某些脈石中的結晶水要到500~800℃才分解蒸發。主要的熔劑石灰石和白雲石,以及其他碳酸鹽和硫酸鹽,也在爐中受熱分解。石灰石中CaCO3和白雲石中MgCO3的分解溫度分別為900~1000℃和740~900℃。鐵礦石在高爐中於 400℃或稍低溫度下開始還原。部分氧化鐵是在下部高溫區先熔於爐渣,然後再從渣中還原出鐵。

石炭在高爐中不熔化,只是到風口前才燃燒氣化,少部分焦炭在還原氧化物時氣化成CO。而礦石在部分還原並升溫到1000~1100℃時就開始軟化;到1350~1400℃時完全熔化;超過1400℃就滴落。焦炭和礦石在下降過程中,一直保持交替分層的結構。由於高爐中的逆流熱交換,形成了溫度分布不同的幾個區域:

1區是礦石與焦炭分層的干區,稱塊狀帶,沒有液體;

2區為由軟熔層和石炭夾層組成的軟熔帶,礦石開始軟化到完全熔化;

3區是液態渣、鐵的滴落帶,帶內只有石炭仍是固體;

4風口前有一個袋形的石炭迴旋區,在這裡,焦炭強烈地迴旋和燃燒,是爐內熱量和氣體還原劑的主要產生地。

1.燒結礦、石灰石 2.石炭 3.輸送帶 4.投入口 5.燒結礦、礦石、石灰石 6.石炭 7.熱風管 8.礦渣 9.溶銑 10.礦渣車 11.混洗車 12.氣體分離器 13.熱風爐 14.煙囪 15.冷風 16.微粉炭 17.粉碎機 18.分配器

反應過程

炭的燃燒產生一氧化碳二氧化碳

\rm C + \frac{1}{2}O_2 \longrightarrow CO

?

\rm C + O_2 \longrightarrow CO_2
\rm CO_2 + C \ \overrightarrow\longleftarrow \ 2CO

一氧化碳和鐵產生氧化還原反應公式。

\rm Fe_2O_3 + 3CO \longrightarrow 2Fe + 3CO_2

實際上還原反應又細分以下三階段。

\rm Fe_2O_3 \longrightarrow Fe_3O_4 \longrightarrow FeO \longrightarrow Fe

反應過程溫度以 T 表示

320 < T < 620

\rm 3Fe_2O_3 + CO \longrightarrow 2Fe_3O_4 + CO_2

620 < T < 950

\rm Fe_3O_4 + CO \longrightarrow 3FeO + CO_2

950 < T

\rm FeO + CO \longrightarrow Fe + CO_2

雜質除去

原礦SiO2 普遍含有雜質。通常會加入石灰石(主成分 CaCO3)產生粘性反應去除雜質產生礦渣 CaSiO3

\rm SiO_2 + CaCO_3 \longrightarrow CaSiO_3 + CO_2

子反應。

\rm CaCO_3 \longrightarrow CaO + CO_2
\rm CaO + SiO_2 \longrightarrow CaSiO_3?

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