上图是焦碳,下图是石灰石。
炼铁用的设备叫高炉,也称为鼓风炉。它的形状像一个筒。炼铁的方法就是从炉顶加入矿石、焦炭和石灰石,从炉底部向炉内通入加压空气,在焦炭燃烧时,矿石、石灰石与焦炭一起发生反应,最终形成铁水和炉渣。
上面是三张高炉的照片。
高炉内有这样几个区域,炉底是接装铁水的地方,叫炉缸,炉缸上面的部分叫炉腹,炉腹再往上的一段叫炉身(有时还可以再细分)。在炉身的顶部有一个加料装置,炉料(也就是矿石、焦炭和石灰石)就是从这里进入炉中的。在炉缸的上部沿炉子四周排列着十几到几十根鼓风的管子(见下图),管子接到炉子的风口,经过预热的空气和喷入炉内的燃料(如油或天然气等)就是通过这些管子喷入炉内的。
此时进入炉内的预热空气可达900至1250摄氏度高温,这样的高温气体进入炉内后会与焦炭发生剧烈反应,生成煤气(一氧化碳)同时沿炉子内部上升,达到1650摄氏度,使炉料变成铁水和渣。炉腹是高炉最热的部位,因为那里是空气与焦炭激烈反应(也就是燃烧)的地方。为了保护外壳为钢板的炉子不被烧坏,人们在炉子的内部砌上耐火材料。在炉壁内还嵌有冷水循环系统、喷水装置等。由矿石生成的铁水聚集在炉缸内,炉缸装着出铁水的出铁口和出渣的出渣口。因为炉渣比铁水要轻,是飘浮在铁水上的,所以出渣口在出铁口的上方。大型高炉的出铁口和出渣口都不只一个。看一些示意图吧。
高炉的生产是连续性的,一经点燃,没有特别情况就一直燃烧下去(通常高炉从开炉到停炉的时间可达十年以上)。炉身内会按层次地加装焦炭、矿石、石灰石。焦炭则是在炉底被点燃继而被热空气吹得剧烈燃烧,使矿石熔化出铁水,焦炭的灰烬则与石灰石、铁矿石残渣形成炉渣(见下图)。
炽热的煤气从燃烧区上升并加热了炉中添入的新炉料,然后再从炉顶的煤气管道导出。根据高炉的规模大小,出铁的多少及次数也不一样,一般的每昼夜出铁6~12次。大型高炉有2~5个铁口,轮流开口出铁(见下图)。
每次出铁间隔30~60分钟。放出来的铁水要流进铁水罐(见下图),然后被运到炼钢厂进行炼钢,也可以就近进行生铁的铸造。
出铁时用电钻将出铁口打通,让铁水顺着铁水沟流入铁水罐。出完铁水后,用一种叫泥炮的机器将封堵出铁口用的堵口泥打进出铁口,封住这个出口。出铁后过一会儿就开始排放炉渣。炉渣有专门的渣罐来盛接,装满后运走。因为高炉是连续作业的,所以下面出渣时,炉内的剧烈燃烧依旧,当炉渣快出完时,正在炉渣上面熊熊燃烧的炉料也到了出渣口附近,此时的场面将非常壮观——有火焰从出渣口喷出。这时就要将出渣口封堵住。一般高炉有两个出渣口,现代一些巨型高炉减少了出渣量,便不再设出渣口,让炉渣随着铁水一起从出铁口流出,然后再清理掉炉渣。高炉出铁出渣的地方也叫高炉出铁场,这里是高炉最繁忙的地方。我们一般在电影电视上看到工人们挥汗在炉前工作的景像,其实都是在高炉出铁场拍摄的。(见下图)
铁水罐和炉渣罐大多是靠火车来运输的,因此在高炉的旁边总是有火车和铁轨的。(下面三张图是铁水罐)
下面是各种形式的炉渣罐和炉渣车,有的是在轨道上行驶,有的是像汽车一样用轮胎行驶。
高炉有一个供料和装料系统为它服务,包括储存、输送、提升、装炉等设备。一般都是用火车或皮带运输机的方式将矿石、焦炭、石灰石等从原料场、炼焦厂运到高炉的贮料槽中。前面说过,高炉是连续作业不能中断的,所以这些贮料槽都与高炉的容积有一定的比率,要够高炉吃上几顿。这些原料在进入高炉前还要由筛分器筛分,再装到称量车中称量,再卸到高炉的料罐中,最后由料罐送上高炉顶部倒入炉内。现在大型高炉都使用带式输送机往炉内装料了(见下图)。
这种输送带有点像我们在超市使用的滚式电梯,只不过没有那么陡。它的上面都是炉料,以每秒2米的速度向高炉送料。在高炉顶部还要有一个装料设备,因为如果一股脑将炉料倒进炉中,会造成炉料在炉中分布不均匀。炉料分布不均匀就会形成局部气流堵塞,不能充分利用高温煤气的能量。还容易对高炉内部造成损坏。装料设备有多种布料方式。过去采用人工装料时,炉顶是敞开式的,现在则为封闭式。封闭后的炉顶内部压力一般在一到二个半大气压,最高可达3个大气压。这个压力已经超过小汽车轮胎的气压了。提高压力可提高产量和品质。
高炉另一个重要的辅助系统是高炉鼓风系统,它由鼓风机、热风炉和冷、热风管等组成。其中须要介绍的就是热风炉(见下图)。
接下来,我们再了解一下高炉炼铁所需的原料。这些原料主要有铁矿石、石灰石和焦炭。石灰石在炼铁原料中又被称为熔剂。矿石和焦炭等在熔炼的过程中会形成一些炉渣,如果这些炉渣形成的块儿过大,则不能在炉内流动下降,最终堵塞高炉。加入石灰石可以降低矿石和焦炭在形成炉渣时的熔点,这样就可以形成容易流动的小块儿炉渣了(见下图)。将运出来的炉渣顷倒,冷却后可以再利用。
另外,石灰石还可以除掉原料中的硫,提高生铁的质量。除了石灰石,白云
焦炭在炼铁的过程中不仅仅起燃烧加热矿石的作用,它还是一种还原剂。因为铁矿石中的铁是一种氧化铁,要它变成金属铁需要去掉其中的氧,鼓风机吹进高炉中的氧气与焦炭的燃烧会生产一氧化碳和氢气,这个过程中会除去矿石中的氧,从而得到还原铁,。所以焦炭也叫作还原剂。除此之外,焦炭在高炉中还承担着支撑其他原料的骨架作用。生产焦炭的成本很高,所以为了节省焦炭,可以从高炉的风口喷吹一些重油、天然气和煤粉。铁矿石的含铁量高叫富矿,含铁量低的则叫贫矿。贫矿不能直接进入高炉炼铁,要先经过选矿和造块,把它们变成人造富矿后再送入高炉。粉状铁矿不能直接加入到高炉中,它须要被造成粒状,称为造块。造块的方法是将它们与石灰石、焦炭等按比例配合并加水制成颗粒,然后在烧结机上进行烧结。(见下图)。
有的铁矿石中还会含有其他元素,这些元素有的会影响冶炼,有的会影响生铁的质量。这时就要对它们进行综合利用。矿石还必须经过破碎、筛分(就是用过筛子的方法将它们按颗粒大小进行区分)处理。进入高炉的矿石颗粒为0.8到2.5厘米大小。其他一些含铁原料有碎铁、高炉炉尘等也可以作为原料(因为它里面含有铁),但如果是粉状的原料,必须先把它做成块状才能送入高炉。当铁矿石从矿山采来后,它们先要被洗个澡,这个过程叫洗矿。它的作用是防止一些没用的杂质混入。矿石的大小也有讲究,如果过大,还要把它们弄碎。接下来,等待矿石的便是熊熊烈焰啦。
耐火砖是用耐火材料制成的,如耐火粘土、富含氧化铝的矿石、含硅的矿石、石墨、菱镁石、白云石等等。耐火砖的制作不同于一般建筑用砖,工艺比较复杂,有时还不只烧结一次。有些耐火砖还要做成多种形状
高炉的产品主要是生铁,副产品是炉渣和煤气。其中生铁有些要送到炼钢厂继续冶炼成钢,有些则被送到铸造厂去铸造成生铁制品(见下图)。炼钢用的生铁和铸造用的生铁在成分上会有所不同。有的铁矿石中含有铜、镍等金属,这样炼出的生铁也会含有这些元素而成为特殊生铁。特殊金属有一定的抗腐蚀性和机械性能,但含量过高也不好,可以对多余的金属成分进行脱除。炉渣可以用作建筑材料,比如制成水泥、铺路等。高炉中产生的煤气是一种可燃气体,它主要被用来对热风炉进行加热,除此以外,因为从高炉中出来的煤气具有很高的压力,人们便用它推动涡轮机旋转,带动发电机发电,然后再进入热风炉中燃烧。
前面我们说过,铁在生产、生活中大都是作为钢来应用的。钢与铁的区别主要在于含碳量。将生铁炼成钢的过程主要就是去掉其中多余的碳。我们还知道,钢也被称为铁和碳的合金。因此,炼钢就是将铁在高温中(约1600摄氏度)进行熔化、净化(或称精炼)和合金化的一个过程。一般来说,就是将生铁(铁水、铁块)和废旧钢制品在炉中精炼,得到不同性能的钢。精炼过程主要包括用燃烧的方法去除掉生铁中过量的碳和硅以及锰和磷等杂质。这些杂质要么变成气体冒出去,要么变成残渣被清除掉。精炼时还可以根据需要加入某些其他元素。
炼钢也是要在炉中进行的,炼钢炉有三种:转炉、平炉和电弧炉。转炉和平炉用来炼从高炉出来的铁水加废钢,电弧炉用来将废钢熔化再炼,个别情况下也可将某些处理过的铁矿石直接进行精炼(将矿石在低于矿石熔化温度下炼成“海绵铁”,用它作原料,然后用电炉冶炼成钢)。炼钢炉一次可炼数十到数百吨钢。
铁水罐正在向转炉中加入铁水
下面是转炉的构造示意图
电弧炉结构示意图,中间柱状物是电极。下面是电炉车间。
电弧炉内有石墨做成的电极,电极的端头与炉料之间可以发出强烈的电弧,类似我们看到的闪电,具有极高的热能。我们知道,在炼钢时主要是对铁水中的碳进行氧化以减少碳的含量,但有些钢的品种中需要含有一些容易氧化的其他元素时,如果吹入过多的氧,就会把那些元素也一起氧化了。在这时,用电弧炉炼钢就显得优越多啦。因此,电弧炉往往用来冶炼合金钢和碳素钢。电弧炉主要以废钢材为原料。装好炉料后,炉盖会盖上,随后电极就下降接近炉料表面。这时接通电源,电极就会发出电弧将电极附近的炉料熔化。然后加大电压,加快熔化速度。随着炉料的熔化程度,炉料(钢水)的位置会有变化,这时电极也会自动调整高度而不会淹没在钢水中。用电弧炉炼钢时也要吹进一些氧,以加快熔化速度。这个吹氧的时间必须掌握准确,否则会发生爆炸。在炉料将全部熔化时,钢水表面会漂浮着一层炉渣,这时工人们会取出一些钢水和炉渣来分析它们的成分,看看这炉钢炼得怎么样。如果里面有对钢质量有害的元素,还要继续精炼加以除掉。钢水和渣出来以后,要把炉内被钢水侵蚀的内壁进行修补,这叫补炉。补炉很紧张,因为要利用炉内的高温使修补材料与原来的炉内壁材料烧在一起,如果炉子凉下来就不好办啦。补炉完成后再趁热加入新的一炉原料。
前面我们知道了铁矿是如何被炼成铁水进而又被炼成钢。经过了两次冶炼,我们终于得到了钢水,下一步就是要将钢水变成钢制品了。钢水可以先被浇入一个模子(铸模)中,让它凝固成钢锭。以后根据需要再把钢锭加热进行各种轧制;也可以让钢水流入一个装置中,不等它冷却就直接进行轧制,这样的轧制是连续的,一头是流动的钢水,一头就是轧出的产品。这叫连续浇铸法。钢水也可以直接浇铸成多种产品,这需要先做出一个和产品完全对应的模具,然后将钢水浇进去,待钢水凝固后打碎模具取出产品。
对钢的加工分可为冷加工和热加工。热加工需要对钢进行加热,然后再进行锤击、冲压、模压和轧制。其中锤击和冲压又被称作锻造。轧制是应用最广的加工方法,它主要是使钢在两个转动的轧辊间通过,钢的温度和两个轧辊间的压力、距离及速度相配合,就能轧制出不同的钢制品。这有点像我们看到过的压面条的方法。冷加工也有轧制,还有挤压和拉制。冷加工通常比热加工得到的产品要精细些,一般都是在热轧后进行冷轧。
现代化的轧机(见下图)可以每秒一百多米的速度轧制出钢条,可以轧出五六米宽的厚钢板,有2000吨力量的大剪来切断厚厚的钢板,还能制出直径二米多的钢管。这些庞大的设备都在计算机的控制下轻松自如地运转。除这些以外,数万吨的水压机,可将数百吨重的大钢块像揉面团一样做出各种形状来。
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