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钢材的原材料与生产工艺
浏览: 发布日期:2018-09-17
一、原材料 


  钢的源头是铁矿砂,即铁元素(Fe)在自然界中的存在形式,纯粹的铁在自然界中是不存在的,铁矿砂主要分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿三种,这些都是铁的氧化物,不同之处在于它们的氧化方式。铁矿砂中的含铁量越高越好,理论上铁矿砂中的最高含铁量在72%左右,含铁量在60%以上称为富铁矿。铁矿砂先在熔炉内还原成铁(铣铁),再送入炼钢炉内脱碳精炼成钢,废钢也可在炼钢炉熔炼再生。一般钢铁依使用用途制成性质、形状各异的商品,既所谓的钢铁制品。通常钢铁制品是将铁矿石还原,熔解成铣铁(炼铣),铣铁精炼成钢(炼钢),钢再轧延、加工后制成各种钢铁制品,广义的钢铁制品包含铸铁、铸钢、锻造钢品及钢材加工的制品。 


  在讨论钢铁的原料之前,我们先要弄清楚,究竟钢和铁有什么不同?是否有不同的成份呢?在日常生活上大家总是把钢和铁联在一起称为“钢铁”,可见钢和铁应该是一种物质才对;事实上,由科学的眼光来看,钢和铁是有少许不同的,它们的主要成份都是铁元素,只是所含的碳元素量不同。我们通常以碳的含量在2%以上的叫“生铁”,低于这个数值的叫“钢”。因此,在冶炼钢铁的过程中,含铁的矿石先在鼓风炉(blast 
furnace)(高炉)中被冶炼成熔融生铁,而后熔融生铁再放到炼钢炉(steel making furnace)中精炼成钢。 


  生产钢铁所需要的原料分成四大类来分别讨论:第一类讨论的是各种含有铁质的矿石原料;第二类是煤和焦炭;第三类则讨论在冶炼的过程中用来制造熔碴(sl*g)的熔剂(或称助熔剂flux),如石灰石等;最后一类是各种辅助原料,如废钢料(scrap)、氧气等。 


  二、铁矿石种类及分布 


  在理论上来说,凡是含有铁元素或铁化合物的矿石都可以叫做铁矿石。但是,在工业上或者商业上来说,铁矿石不但是要含有铁的成份,而且必须有利用的价值才行。可是,由于很难绝对性的判定一个矿石是否有利用价值,所以在工业上很难订立一个铁矿石的标准。举例来说,欧洲所产的铁矿品质很差,而且含铁量很低,只是因为他们找不到好的矿石,所以他们就把这种矿石称为铁矿石;而澳洲目前因为品质好含铁量高的矿石存量很多,所以像欧洲所用的那种矿石在澳洲已经认为毫无价值。那么,在欧洲所使用的铁矿石,在美国就不被钢铁业界认为是铁矿石了。再譬如说,在过去被认为含铁量太低没有利用价值的矿石,由于现在工业技术的进步,发展出许多廉价的方法来富化矿石中铁的成份,于是这些含铁量低的矿石也就成为有价值的铁矿石了。于是,我们归纳出一个结论,就是在工业上对于铁矿石判定的标准是随着地区性的供求关系、工业技术水准的改变及交通运输的状况而改变的。以目前的标准来看,矿石中的平均含铁量大约在25%以上,才被称为有利用价值的铁矿石。 


  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。现在将几种比较重要的铁矿石提出来说明:(前三种是主要种类) 


  (1)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左右,含Fe 
72.4%,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。 


  (2)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Fe 70%,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。 


  (3)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m 
Fe2O3nH2O,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。 


  (4)菱铁矿(Siderite)是含有碳酸铁的矿石,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。(5)铁的硅酸盐矿(Silicate 
Iron)此类矿石是一种复合盐,没有一定的化学式,成份的变化很大,一般呈现深绿色,比重为3.8左右,含铁成份很低,是一种较差的铁矿石。 


  (6)硫化铁矿(Sulphide 
iron)这种矿石含有FeS2,含Fe只有46.6%而S的含量达到53.4%。呈现灰黄色,比重大约为4.95~5.10。由于这种矿石常常含有许多其它较贵重的金属如铜(Copper)、镍(Nickel)、锌(Zinc)、金(Gold)、银(Silver)等,所以常被用做他种金属冶炼工业的原料;又由于它含有大量的硫,所以常被用来提制硫磺,铁反而变成了副产品,所以事实上已不能称为铁矿石。 


  铁在地球表面,分布非常广泛,而且存量也极为丰富,几乎所有的岩石和动植物的残骸之中都含有少许铁的成份;根据地质学家的估计,地壳中大约有4~5%是铁的元素。 


  虽然这许多含铁的物质中只有极少部份是具有价值的铁矿石,但是它的存量已经是极为丰富。对于地球上铁矿石贮存量的估计,目前没有一个可以确信的数字。目前已经被发现的主要产铁矿国有美国、加拿大、巴西、澳洲、南非、印度、法国、英国、瑞典、西班牙、苏俄、中国、委内瑞拉等。 


  中国铁矿资源有两个特点:一是贫矿多,贫矿出储量占总储量的80%;二是多元素共生的复合矿石较多。此外矿体复杂,有些贫铁矿床上部为赤铁矿,下部为磁铁矿。 


  (1)东北地区铁矿 
东北的确铁矿主要是鞍山矿区,它是目前我国储量开采量最大的矿区,大型矿体主要分布在辽宁省的鞍山(包括大弧山、樱桃园、东西鞍山、弓长岭等)、本溪(男芬、歪头山、通远堡等),部分矿床分布在吉林省通化附近。鞍山矿区是鞍钢、本钢的主要原料基地。 


  鞍山矿区矿石的主要特点: 


  1)除极少富矿外,约占储量的98%为贫矿,含铁量20~40%,平均30%左右。必须经过选矿处理,精选后含铁量可达60%以上。 


  2)矿石矿物以磁铁矿和赤铁矿为主,部分为假象赤铁矿和半假象赤铁矿。其结构致密坚硬,脉石分布均匀而致密,选矿比较困难,矿石的还原性较差。 


  3)脉石矿物绝大部分是由石英石组成的,SiO2在40~50%。但本溪通远堡铁矿为自溶性矿石,其碱度(Ca+Mg/SiO2)在1以上。且含锰1.29~7.5%可代替锰矿使用。 


  4)矿石含S、P杂质很少,本溪男芬铁矿含P很低,是冶炼优质生铁的好原料。 

  (2)华北地区铁矿 
主要分布在河北省宣化、迁安和邯郸、邢台地区的武安、矿山村等的地区以及内蒙和山西各地。是首钢、包钢、太钢和邯郸、宣化及阳泉等钢铁厂的原料基地。 


  迁滦矿区矿石为鞍山式贫磁铁矿,含酸性脉石,S、P杂质少,矿石的可选性好。 


  邯邢矿区主要是赤铁矿和磁铁矿,矿石含铁量在40%-55%之间,脉石中含有一定的碱性氧化物,部分矿石S高。 


  (3)中南地区铁矿 
中南地区铁矿以湖北大冶铁矿为主,其他如湖南的湘潭,河南省的安阳、舞阳,江西和广东省的海南岛等地都有相当规模的储量,这些矿区分别成为武钢、湘钢及本地区各大中型高炉的原料供应基地。 


  大冶矿区是我国开采最早的矿区之一,主要包括铁山、金山店、成潮、灵乡等矿山,储量比较丰富。矿石主要是铁铜共生矿,铁矿物主要为磁铁矿,其次是赤铁矿,其他还有黄铜矿和黄铁矿等。矿石含铁量40-50%,最高的达54-60%。脉石矿物有方解石、石英等,脉石中含SiO28%左右,有一定的溶剂性(CaO/SiO2为0.3左右),矿石含P低,(一般0.027%),含S高且波动很大(0.01-1.2%),并含有Cu(0.2-1.0%)和Co(0.013%-0.025%)等含有色金属。矿石的还原性较差,矿石经烧结、球团造块后入高炉冶炼。 


  (4)华东地区铁矿 
华东地区铁矿产区主要是自安徽省芜湖至江苏南京一带的凹山,南山、姑山、桃冲、梅山、凤凰山等矿山。此外还有山东的金岭镇等地也有相当丰富的铁矿资源储藏,是马鞍山钢铁公司及其他一些钢铁企业原料供应基地。 


  芜宁矿区铁矿石主要是赤铁矿,其次是磁铁矿,也有部分硫化矿如黄铜矿和黄铁矿。铁矿石品位较高,一部分富矿(含Fe50%-60%)可直接入炉冶炼,一部分贫矿要经选矿精选、烧结造块后供高炉使用。矿石的还原性较好。脉石矿物为石英、方解石、磷灰石和金红石等,矿石中含S、P杂质较高(含P一般为0.5%,最高可达1.6%,梅山铁矿含S平均可达2%-3%),矿石有一定的溶剂性(如凹山及梅山的富矿中平均碱度可达0.7-0.9),部分矿石含V,Ti及Cu等有色金属。 


  (5)其他地区铁矿 
除上述各地区铁矿外,我国西南地区、西北地区各省,如四川、云南、贵州、甘肃、新疆、宁夏等地都有丰富的不同类型的铁矿资源,分别为攀钢、重钢和昆钢等大中型钢铁厂高炉生产的原料基地。