摘要：對(duì)海綿鐵生產(chǎn)的基本原理及公司的海綿鐵生產(chǎn)工藝進(jìn)行了介紹。此外，對(duì)于在生產(chǎn)中容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題作了詳細(xì)的分析，同時(shí)相應(yīng)地提出了質(zhì)量控制的辦法。

1、前言

目前，粉末冶金公司主要采用固體碳還原法生產(chǎn)海綿鐵。原料主要為軋鋼氧化鐵皮（俗稱鐵鱗）或精礦粉，經(jīng)過烘干、篩分、磁選、研磨等一系列處理后的鐵鱗與還原劑通過環(huán)形裝具裝入耐火罐再裝車之后進(jìn)入隧道窯，整個(gè)還原反應(yīng)在隧道窯中發(fā)生。其工藝流程如圖1：

為了更好地控制海綿鐵質(zhì)量，了解其基本原理和生產(chǎn)工藝要求是必不可少的。本文就海綿鐵生產(chǎn)的基本原理及質(zhì)量控制作一簡(jiǎn)要敘述。

2、還原反應(yīng)基本原理

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

研究表明：用固體碳直接還原鐵的氧化物時(shí)，當(dāng)溫度高于570℃時(shí)反應(yīng)為：

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂

FeO+CO=Fe+CO₂

當(dāng)溫度低于570℃時(shí)，由于FeO不能穩(wěn)定存在，F(xiàn)e₃O₄直接還原成金屬鐵：

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(yīng)速度慢。只要罐內(nèi)有固體碳存在則碳的氣化反應(yīng)總是在進(jìn)行，即系統(tǒng)內(nèi)總會(huì)發(fā)生C+CO₂=2CO這樣的反應(yīng)，故達(dá)到一定溫度時(shí)系統(tǒng)內(nèi)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(shí)質(zhì)上就是CO間接還原反應(yīng)與CO₂和C的氣化反應(yīng)的綜合反應(yīng)，即固體碳還原鐵的氧化物的原理。

3、生產(chǎn)工藝要求

3.1 對(duì)鐵鱗的要求

鐵鱗的物理化學(xué)性能優(yōu)劣將直接影響海綿鐵的質(zhì)量。生產(chǎn)不同質(zhì)量等級(jí)的海綿鐵對(duì)進(jìn)廠鐵鱗的化學(xué)成份要求如表1所示：

表1 品種等級(jí)及其對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分

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

在物理性能方面的要求主要是鐵鱗的粒度。研究表明，多相反應(yīng)與界面有關(guān)，鐵鱗愈細(xì)其界面的面積愈大，還原反應(yīng)愈快。但研究表明鐵鱗粒度細(xì)到一定的程度后，由于顆粒與顆粒之間的縫隙減小，透氣性變差，反應(yīng)速度會(huì)隨之降低。經(jīng)過多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明：鐵鱗的粒度在20-60目范圍內(nèi)，還原反應(yīng)效果較好。單一的某種鐵鱗因其化學(xué)成份有時(shí)難以滿足質(zhì)量要求，生產(chǎn)中通常是將兩種或兩種以上的鐵鱗搭配使用以滿足生產(chǎn)和質(zhì)量控制需求。

3.2 對(duì)還原劑的要求

應(yīng)用廣泛的還原劑主要有無煙煤和焦末，粉末冶金公司采用焦末，由于其硫含量較高，因此焦末中還需要添加適量的脫硫劑（石灰）。對(duì)還原劑的化學(xué)成份要求如表2所示：

表2 還原劑化學(xué)成分

名稱	C固＞	S＜	揮發(fā)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

焦末的粒度對(duì)還原過程影響較大，為了加快碳的氣化反應(yīng)，提高還原速度，要求焦末的粒徑≤8mm。焦末的消耗量主要根據(jù)鐵鱗的含氧量而決定，生產(chǎn)中考慮到焦末的燒損及CO的逸出等原因其使用量需要過量。脫硫劑的摻入量視焦末的S含量而定，摻入量不足會(huì)使焦末中的S滲入到海綿鐵，致使其S含量升高。

3.3 還原反應(yīng)的工藝條件

還原過程中，還原溫度、還原時(shí)間（生產(chǎn)上體現(xiàn)為進(jìn)車速度）、料層厚度、還原氣氛是一個(gè)互相制約的有機(jī)整體。理論上，只要將各項(xiàng)工藝參數(shù)調(diào)至較佳狀態(tài)，就會(huì)達(dá)到理想中的還原終點(diǎn)，即海綿鐵氧、碳含量都很低，相應(yīng)的鐵含量很高。但是，實(shí)際生產(chǎn)中整個(gè)還原系統(tǒng)十分復(fù)雜，在多種影響因素并存的條件下還原終點(diǎn)很難實(shí)現(xiàn)，所以生產(chǎn)中采取的往往是過還原終點(diǎn)制度，即允許海綿鐵輕度滲碳（C：0.15%-0.30%）。即是實(shí)現(xiàn)Fe+C→Fe₃C的過程。實(shí)踐證明利用滲碳得到的一次粉在二次還原階段可快速而經(jīng)濟(jì)地除去海綿鐵冷卻過程中氧化所造成的高氧含量。

經(jīng)過長(zhǎng)期的生產(chǎn)試驗(yàn)，以目前公司的生產(chǎn)工藝和現(xiàn)有的設(shè)備能力，對(duì)經(jīng)過處理的試驗(yàn)鐵鱗，各項(xiàng)性能如表3所示。

表3 試驗(yàn)鐵鱗各項(xiàng)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(chǎn)量相當(dāng)?shù)脑瓌t，分別執(zhí)行三種工藝，如表4所示 ：

表4 執(zhí)行三種工藝表

工藝	溫度/℃	時(shí)間/h	料厚/mm
1	1165±5	65	28
2	1160±5	68	30
3	1155±5	72	32

所得海綿鐵，經(jīng)化驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 海綿鐵化驗(yàn)結(jié)果表

序號(hào)	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

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出工藝3獲得的海綿鐵質(zhì)量較好，同時(shí)成本較低。因此公司主要采用類似工藝進(jìn)行生產(chǎn)。

4、常見的質(zhì)量問題及相應(yīng)控制措施

4.1 夾生

若芯部出現(xiàn)黑色光亮帶的海綿鐵，即為夾生海綿鐵。夾生致使海綿鐵氧含量偏高會(huì)增加二次還原時(shí)間。

造成夾生的原因主要有：

4.1.1 還原時(shí)間不足，即進(jìn)車偏快；

4.1.2 料層太厚致使配碳量相對(duì)不足，此時(shí)應(yīng)調(diào)整環(huán)形裝具的規(guī)格降低料層厚度；

4.1.3 還原溫度偏低；

4.1.4 配碳量不足即是焦末固定碳含量低、投入使用的量不足或是其顆粒太粗致使芯部反應(yīng)不充分；

4.2 氧化

表面呈藍(lán)色或褐色的海綿鐵即為氧化海綿鐵。氧化的海綿鐵硬度較高且氧含量偏高，增加二次還原時(shí)間的同時(shí)還會(huì)使破碎困難。

造成氧化的原因主要有：

4.2.1 耐火罐密封不良，這將致使窯內(nèi)空氣進(jìn)入耐火罐導(dǎo)致海綿鐵氧化 ；

4.2.2 耐火罐頂部焦末燒損嚴(yán)重，致使頂部海綿鐵發(fā)生氧化。為解決此問題，裝罐時(shí)在罐頂過量裝入還原劑封口可以有效防止焦末燒損，同時(shí)還原后殘余的焦末和灰份還可以將海綿鐵覆蓋防止氧化 。

4.2.3 冷卻速度慢。由于隧道窯冷卻速段較長(zhǎng)還原得到的銀白色海綿鐵在冷卻段將被氧化成褐色甚至藍(lán)色，致使氧含量升高。目前公司主要采用窯尾敞口同時(shí)加冷卻水套實(shí)行水冷的方式，基本可以滿足質(zhì)量要求。

4.3 過燒

過燒的海綿鐵因嚴(yán)重滲碳質(zhì)地特別堅(jiān)硬，敲擊時(shí)發(fā)出清脆的金屬聲響。

造成過燒的原因主要有：

4.3.1 還原溫度太高；

4.3.2 還原時(shí)間太長(zhǎng)，即進(jìn)車太慢。

4.3.3 焦末使用過量，配碳量過高。

在實(shí)際生產(chǎn)中，海綿鐵不合格的形式多種多樣，除以上幾種常見的形式外，還有個(gè)別情況下產(chǎn)生的不合格品是由于人為的操作不當(dāng)所致。另外，若焦末或鐵鱗預(yù)處理不善致使水份偏高，則較有可能造成海綿鐵表面結(jié)殼增加硬度，同時(shí)伴有夾生。

5、結(jié)束語(yǔ)

海綿鐵生產(chǎn)是整個(gè)還原鐵粉生產(chǎn)工藝中重要工序之一，其質(zhì)量水平直接決定了二次還原過程及成品粉的各項(xiàng)技術(shù)性能要求。正確理解海綿鐵生產(chǎn)的基本原理、不斷探索新的生產(chǎn)工藝、及時(shí)總結(jié)不合格品的產(chǎn)生原因及解決措施，是保證海綿鐵生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的有效途徑。