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，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

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。