生铁固态脱碳法制备工业纯铁

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1993.02.001 第15卷第2期 北京科技大学学报 Vol.15 No.2 1993年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar.1993 生铁固态脱碳法制备工业纯铁 张建良·秦民生*黎立* 贾大庸* 邱勤* 摘要：本文提出一种铁水粒化-固态脱碳-电炉重熔制备工业纯铁的新工艺。研究了时间，温 度，氧化气体成分和粒铁粒度对脱碳的影响、并找出了最佳脱碳条件。在实验室中制备出含碳 量低于0.025%合格的工业纯铁。这项新技术有显菩的经济效益，它为中小钢铁厂开发新产品找 到了出路。 关键词：铁水粒化，固态脱碳、电炉重熔，工业纯铁 Making Industrial Pure Iron by Solid State Decarbonization Zhang Jianliang'Qin Minsheng'Li Li'Jia Dayong'Qiu Qin' ABSTRACT:A new way for making industrial pure iron is put forward.It includes three steps-hot metal granulation,solid state decarbonization and electric furnace melting down. The influence of time,temperature,mixture gas composition and granulated pig iron size on decarbonization ratio has been stuided.The optimum decarbonization index is obtained.The qualified industrial pure iron whose carbon content is below 0.025%has been made in laboratory.This new technique has evident economic benifit and provides a new way to explore new product for medium and small scale iron and steel works. KEY WORDS:hot metal granulation,solid state decarbonization.electric furnace melting down,industrial pure iron 工业纯铁是一种含铁99%以上，杂质(C、Si、Mn、S、P等)在1%以下的一种产 品。目前我国主要用电炉冶炼工业纯铁，国外也有用氧气顶底复吹转炉。电炉治炼工业纯 铁对原料要求较为严格，必须使用C<0.55%,P<0.045%,S<0.03%及Ni<0.2%, Cr<015%优质废钢作原料，原料供应较为困难。它采用返回吹氧炼钢法，以较高的炼钢 温度，较大的供氧强度，脱除铁液中的碳，达到工业纯铁的碳含量规格以下，最后经还原 后出钢。由于铁液脱碳需要高温，因此，电炉冶炼工业纯铁周期长，电耗大，炉衬寿命 低，成本高，并且无法避免废钢中的Ni、C等元素进入工业纯铁。 *199205-12收稿 *怡金系(Department of Metallurgy) 第一作者：男.27岁，讲师.硕士

第 15 卷 第 2 期 北 京 科 技 大 学 学 报 19 3 年 3 月 J o u r n a l o f U n i v e r s it y o f S e i e n e e a n d T e c h n o l o gy B e ij i n g V O I . 1 5 N o . 2 M a r . 1 99 3 生铁 固态脱碳法制备工业纯铁 张 建 良 ` 秦 民生 * 黎 立 ` 贾大庸 ` 邱 勤 * 摘要 : 本 文提 出一种 铁水粒化一固态脱 碳一 电炉重 熔制 备工业 纯铁 的新工艺 。 研 究 了时间 , 温 度 , 氧化气体成 分和 粒铁粒度对脱碳 的影 响 , 并找 出 了最佳脱碳条件 。 在实验室 中制 备出含碳 量低于 0 . 0 25 % 合格 的工业纯 铁 。 这项新技术有显著的经济效益 , 它 为中小钢铁厂开 发新产 品找 到 了 出路 。 关键词 : 铁水粒化 , 固态脱碳 , 电炉重熔 , 工业纯铁 M a k i n g I n d u s t r i a l P u r e I r o n b y S o li d S t a t e D e e a r b o n i z a t i o n hZ a 馆 iaJ n lia 雌 * Q in 对in s h e 雌 ` L i L i ` iJ a D 即 。塔 ` Qs u Q in ` A B S T R A C T : A n e w w a y of r m a k i n g i n d u s t r i a l P u r e i r o n 1 5 Pu t of rw a r d . I t i n c l u d e s t h r e e s t e P s一 h o t m e t a l g r a n u l a t i o n , s o li d s t a t e d e c a r b o n i z a t i o n a n d e l e c t r i e fu r n a e e m e lt i n g d o w n . T h e i n fl u e n e e o f t im e , t e m P e r a t u r e , m i x t u r e g a s e o m P o s it i o n a n d g r a n u l a t e d Pi g i r o n s i z e o n d e e a r b o n i z a t i o n r a t i o h a s b e e n s t u id e d . T h e o Pt im u m d e e a r b o n i z a t i o n i n d e x 1 5 o b t a i n e d . T h e q u a liif e d i n d u s t r i a l Pu r e i r o n w h o s e c a r b o n e o n t e n t 1 5 b e l o w 0 . 0 2 5 0/乞 h a s b e e n m a d e i n l a b o r a t o r y . T h i s n e w t e c h n i q u e h a s e v id e n t e e o n o m i c b e n iif t a n d P r o v id e s a n e w w a y t o e x P l o r e n e w P r o d u e t fo r m de i u m a n d s m a ll s e a l e i r o n a n d s t e e l w o r k s . K E Y W O R D S : h o t m e t a l g r a n u l a t i o n , s o lid s t a t e d e e a r b o n i z a t i o n , e l e e t r i c fu r n a c e m e lt i n g d o w n , i n d u st ir a l P u r e i r o n 如、 工 业纯 铁 是 一种 含 铁 9 % 以上 , 杂 质 ( C 、 iS 、 M n 、 S 、 P 等)在 1 % 以 下 的一 种 产 品 。 目前我 国主要 用 电炉冶炼 工业纯铁 , 国外也有 用氧气顶底复 吹转 炉 。 电炉 冶炼 工业纯 铁 对 原 料 要 求 较 为 严 格 , 必 须 使 用 C < .0 5 % , P < .0 04 5% , S < .0 03 % 及 N i < .0 2 % , C r < 0 . 巧% 优质废钢作原料 , 原 料供应较 为困难 。 它采用返 回吹 氧炼钢法 , 以 较高 的炼钢 温 度 , 较大的供氧 强度 , 脱除铁液 中的碳 , 达到工业 纯铁的碳含量规 格 以下 , 最后经 还原 后 出钢 。 由 于铁 液脱碳 需 要高温 , 因此 , 电炉 冶炼 工业纯 铁周 期 长 , 电耗大 , 炉衬寿命 低 , 成本高 , 并且 无法避 免废 钢中 的 N i 、 C r 等元素 进入 工业纯铁 。 七 . 19 9 2司5一 12 收稿 冶金系( D e p a r tm e n t o f M e t a ll u r g y ) 第 一作者 : 男 、 27 岁 、 讲师 、 硕士 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 02. 001

·134· 北京科技大学学报 1993年No.2 30年代瑞典曾研究出RK法)生产低碳铁作为冶炼特殊钢的原料。该法用同转窑 培烧小粒度粒化生铁，可把生铁深度脱碳。顾飞等(2》研究证明，用粒化生铁脱碳法可 以生产3mm~12mm含碳1%以下脱碳粒铁，用作电炉炼钢原料。为了克服电炉冶炼工. 业纯铁脱碳速度慢，生：产率低，电耗大等缺点，并且为了使中小钢铁厂的产品拓宽，本文 研究了采用粒化生铁固相一次脱碳及脱碳后粒铁二次液态脱碳及精炼脱除其他元素的方 法，制备工业纯铁。 1理论分析 根据氧化铁还原平衡气相图（图1），可知在一定温度下（如700℃以上），置于一定的 CO,气氛中（如20%以下），铁可不被氧化、碳在铁非熔化的状态下可被CO,氧化成CO 而脱出。而在CO,/CO比较高的条件下，碳可加速氧化，但铁被氧化不多。粒化生铁内 部的碳在高温下是通过固相扩散到表面的。在900℃以上、碳的固相扩散速度总剃升备. 其反应机理由下列反应式表示： 6 r1114) 10 a(1.3a)- 400 800 600 TK 图1额化铁还原的平衡气相图 图2各元素被CO,氯化的标准自由 Fig.1 Iron oxides reduction 能变化与温度的关系曲线 equilibrium diagram Fig.2 The relation curve between free energy change and temperature C(内)=C(表)C(表HC02=2C02C0+02=2C0, 各元素被CO,氧化的标准自由能也能说明生铁中各元素的氧化顺序，各反应的△ G°一T关系式如下： C+C0,=2C0 △G1°=170.29-0.176TkJ/molC02 Fe+C02=Fe0+C0△G,°=22.78-0.025TkJ/molC02 Mn+CO2=MnO+COAG3=-108.64-0.013T kJ/mol CO2 2/3Cr+CO2=1/3Cr03+C0 △G4°=-95.93-0.0016TkJ/molC0 Si+C02=Si0+C0△G5°=234.92-0.259TkJ/molC02 作图即可得到图2。从图2中可以看出，温度小于1120℃时Mn最先被氧化；温度 人于1120℃时Si最先被氧化。各元素氧化顺序为：

13 4 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 3 年 N o . 2 30 年代瑞典曾研 究 出 R . K 法 〔 ’ 〕 ’ 仁产 低碳铁 作 为 冶炼特殊 钢 的 原 料 。 该 法 用 回转窑 焙烧 小粒 度 粒 化生铁 , 可把 生铁 深度 脱碳 。 顾 飞 等 ( 2 一 3 , 研究证 明 , 用粒 化生 铁脱碳法 可 以 生 产 3 m m 一 12 m m 含碳 1% 以 卜脱 碳 粒铁 , 用作电炉 炼钢 原 料 。 为 了 克服 电炉 冶炼 工 业纯 铁脱碳 速度 慢 , 生 产率低 , 电耗 大等缺 点 , 并且为 了使中小钢 铁厂的 产 品拓 宽 , 本文 研究 了 采用 粒 化生铁 固相 一 次脱 碳 及脱 碳后 粒 铁 二 次 液态 脱碳 及精炼 脱除 其他 元 素的 方 法 , 制备 工 业纯 铁 。 1 理论分析 根 据 氧 化铁 还 原 平 衡气相图 ( 图 l ) , 可 知在 一 定 温度 下( 如 7 0 0℃ 以 上 ) , 置 于 一定 的 C O : 气氛中(如 20 % 以 下 ) , 铁可 不 被氧 化 , 碳在 铁 非熔 化的 状态 下 可被 C O : 氧化 成 C O 而 脱出 。 而在 C 0 2 / C O 比较高的 条件 下 , 碳 可 加速 氧化 , 但铁被 氧 化不 多 口 粒化 ` :.l 铁 内 部 的碳 在 高 温 下是 通 过 固相扩 散 到表 面 的 。 在 90 0 ℃ 以 卜 . 、 碳 的 固 相扩 散 速 度急 剧 升高 . 其反应 机理 由 下列 反应式 表示 : 门 4 0 8田 1 2叫 T 丫 二丁 , * 下 琦 七 、 气 - 一 之上匕坦兰 孑、 !\ r一 、 - ~ 闷 r~ es 下 袖 昌匕州f 岁 d 4 0 切 4 1 ,` , 6 的 卜, U l 川 月」 1 2佣 不 K 圈 】 级 化铁还 原的平衡气相图 图 2 各元 素被 〔 0 2 氛化的标准 自由 F i g · 1 I r o n o x id es 耐 u e o o n 能变化与温度的关 系曲线 qe u il i卜ir . m d i a g r a m F i g · 2 1 1此 比I a iot n e o vr e 映tw e n fr e e 倪r g y e h a n g e a n d te m 衅r a tu r e C (内) 二 C (表 ) C (表 ) + C o Z = ZC o ZC o + 0 2 = 2C 0 2 各 元 素 被 C O : 氧化 的标 准 自由 能 也能 说 明 生 铁 中 各元 素 的 氧化 顺 序 , 各反 应 的△ G 。 一T 关系式 如 卜 C + C 0 2 = 2C 0 △ G I “ = 17 0 . 2 9 一0 . 1 7 6 T k J / m o l C O Z F +e C O Z = F e O + C O △ G Z 。 二 2 2 . 7 8一0 2 5 T k J / m o l C O Z M n + C O Z = M n O + C O △ G 〕 “ 二 一 10 8 . M 一O . o l 3 T k J / m o l C 0 2 2 / 3C r + C O Z = l / 3C r ZO 3+ C O △ G 4 “ = 一9 5 . 9 3一0 . 0 0 1 6 T k J / m o l C O Z 5 1+ C O Z = 5 10 + C O △G S “ = 2 3 4 . 9 2 一 0 . 2 5 9 T k J / m o l C O Z 作 图 即 可得 到 图 2 。 从 图 2 中 可 以看 出 , 温 度小 于 1 120 ℃ 时 M n 最 先被氧化 ; 温 度 大 f 1 12 0 ℃ 时 iS 最先 被氧化 。 各元 素氧 化顺 序为 :

Vol.15 No.2 生铁固态脱碳法制备工业纯铁 ·135 707C <T<1 010C Mn Cr Si C Fe;1 010C <T<1 120C Mn Si Cr C Fe; 1120C<T SiMn Cr C Fe 从热力学角度来讲、只要温度大于800℃碳就优于铁先氧化。由于C原子半径较 Si、M、Cr等原子半径小，有利于C在生铁中的扩散.所以从动力学角度来看，C有可 能较其他元素先被氧化) 2试验方法和试验装置 2.1铁水粒化 将符合要求的液态铁水浇制成0~6mm的粒化生铁。本实验采用S、P含量较低并且 不含其他合金元素的普通生铁为原料，其化学成分为：碳4.32%：硅1.30%：硫0.053%：磷 0.090%。 2.2固态脱碳 将一定量的粒化生铁放人回转窑内，在氧化气氛下培烧，在粒铁表面被少量氧化的问 时、脱除粒铁中的大部分碳。粒铁脱碳试验是在能模拟工业生产条件的台式规模(Bench Scale)的回转窑中进行的，炉管采用耐热合金材料制成，炉管内径130mm,恒温带长度 200mm,用可控硅温控电源控温，热电偶为Pt-PtRh,最高温度可达1100℃。 模拟高炉煤气燃烧后的产物作为氧化介质，在回转窑中进行一次氧化脱碳。由于脱碳 过程受温度，混合气体成分，脱碳时间和粒度等因素的影响，比较复杂。为确定各主要影 响因素的水平范围，用正交设计法制定出试验方案，并将试验结果进行方差分析，找出最 佳工艺条件。 2.3电炉重熔 将脱碳后的粒铁配入一定量的CO在感应炉中将脱碳粒铁熔化、利用粒铁表面上的 FeO去除Si和残留的C并通过造渣去除S、P,粒铁熔化脱碳仅需10~15min。 3试验结果及讨论 3.1粒化生铁脱碳 本文在固定气体流量为3.8L/min的条件下为确定脱碳试验过程中温度、粒度，时 间和气体成分对脱碳率的影响，选择了L9正交试验。试验结果表明当实验条件为：含氧 量为2%，温度为980℃，时间为4h,粒度为0~3mm时，脱碳率较高为82.6%。根据极 差值的大小可知反应时间对脱碳率的影响最大，反应时间、粒度和温度为显著性因素。根 据正交实验结果作图，从图3、4、5、6可以直观地看出每个因素对脱碳率的影响大小。 影响脱碳率大小的顺序是反应时间>粒度>反应温度>气体成分。 (1)反应时间对脱碳率的影响非常显著。时间增加脱碳率大幅度上升、但反应时间的 增加，生产成本也会迅速上升，所以时间长短应适宜、当选4脱碳率为69.2%。 (2)粒度对脱碳率的影响也非常显著，随粒度增加脱碳率明显下降。粒度为0~3mm 时脱碳率为628%，脱碳效果较理想。从动力学角度分析可以看出，粒度的大小主要影 响脱碳反应速度。反应速度与颗粒直径成反比关系，故粒径越大氧化气体介质与粒铁接触

o V l . N 1 5 o . 2 生铁固 态脱碳法制备 工业纯铁 3 1 5 ℃ 0 7 7 2 ℃ T < 0 1 T ℃ < < 0 0 1 1 M n C r 1 F 5 C e 2 O ℃ ; T < < 0 0 1 1 1 1 1 n M 5 C C r F C e ; 1 M 5 n C r F C e 。 从 热 力 学 角 度 来讲 , 只 要 温 度 大 于 8 0 ℃ 碳就 优 于 铁 先 氧 化 。 由 于 C 原 子 半 径较 iS 、 M n 、 C r 等原 子半径 小 , 有 利于 C 在 生铁 中的扩 散 , 所 以 从动 力学角 度来看 , C 有可 能较其他元素先 被氧化 〔4〕 。 2 试验 方法和试验装置 2 . 1 铁水粒化 将 符合要 求 的液 态 铁水浇制 成 0 一 6 m m 的 粒化 生 铁 。 本实 验 采用 S 、 P 含量 较低 并 且 不含其他合金元 素的普通 生铁为 原 料 , 其化学 成分 为: 碳 4 . 32 % ; 硅 】 . 30 % ; 硫 0 . 0 53 % ; 磷 0 . 0 9 0 % 。 .2 2 固 态脱碳 将一 定量 的粒化生 铁放 入 回转窑 内 , 在氧 化气氛 下焙烧 , 在 粒 铁表 面 被 少量 氧化 的同 时 , 脱除粒铁中 的 大部分 碳 。 粒铁脱 碳试 验是 在 能模 拟工 业 生 产条 件 的台 式 规 模( B en c l S c al e) 的 回 转 窑 中进 行 的 , 炉 管采 用 耐 热合 金 材料制 成 ,炉 管 内径 13 0 m m , 恒 温 带 长 度 20 0 m m , 用可控 硅温控 电源控温 , 热电偶 为 R 一 R R h , 最高 温度 可达 1 10 0 ℃ 。 模拟 高炉 煤气燃烧后 的产物 作为氧化 介质 , 在 回转 窑 中进行 一 次氧 化脱碳 。 由于 脱碳 过程 受 温度 , 混合气体成分 , 脱碳 时间和 粒度 等因素的影 响 , 比较复 杂 。 为 确定 各主 要影 响 因素的水平 范围 , 用 正交设计法制 定 出试验方案 , 并 将试验结果进行方 差分析 , 找 出最 佳工 艺条 件 。 .2 3 电炉重熔 将 脱碳后 的粒铁配 人一定量的 C a O 在感应 炉 中将脱碳粒铁熔 化 , 利用 粒铁表 面上 的 F e O 去 除 iS 和残 留的 C 并通 过造 渣 去除 S 、 P , 粒铁熔化脱 碳仅 需 10 一 15 m in 。 3 试验结果及讨论 .3 1 粒化生 铁脱碳 本 文在 固定 气体流 量为 3 . 8 L / m in 的条 件下 为确 定 脱碳 试验 过 程 中温 度 、 粒度 、 时 间和 气体成分对 脱碳率 的影响 , 选 择了 L g 正交 试验 。 试验结果表 明 当实验条 件 为: 含 氧 量 为 2 % , 温度为 98 0℃ , 时 间为 4 h , 粒度 为 O一 3 m m 时 , 脱碳 率较 高为 8 .2 6 % 。 根据 极 差值的大小可 知反 应 时 间对脱碳率的影响最大 , 反 应 时间 、 粒度 和温 度 为显 著性因素 。 根 据正 交实 验结果 作 图 , 从 图 3 、 4 、 5 、 6 可 以 直 观地看 出每个 因 素对 脱碳 率的影 响 大 小 。 影响 脱碳 率大 小的 顺序是反 应 时间 > 粒度 > 反应温度 > 气体成 分 。 ( l) 反 应时 间 对脱碳 率的影 响 非常显 著 。 时 间 增加 脱碳率大幅度 _ L 升 , 但 反应 时 间 的 增加 , 生 产成本 也会迅速上 升 , 所 以 时 间长 短 应适宜 , 当选 h4 脱碳 率为 69 . 2 % 。 (2 ) 粒度 对脱 碳率 的影 响也 非 常显 著 , 随粒度 增 加脱 碳 率明显 下 降 。 粒 度 为 O一 3 m m 时脱碳率为 62 . 8 % , 脱 碳效果较理想 。 从动 力 学 角 度 分 析可 以 看 出 , 粒度的 大 小主 要 影 响脱碳 反应速 度 。 反应速度与颗粒直 径成 反 比关系 , 故粒径越大 氧化气体介 质与粒铁接触

·136 北京科技大学学报 1993年No.2 的积越小，反应速度越慢：反之，反以速度越快。 800r 700 600 00 3U 40 00 90 1050 02,。 图3脱碳率与含氧量的关系 图4脱碳率与温度的关系 Fig.3 The relation between decarbonization Fig.4 The relation between decarbonization ratio and O,content ratio and temperature 800f 80.0r 70 70.0 ,”600 600 00 40 40.0 30 1 2U304 30.0 020304.050 1, 粒度mm 图5脱碳率与时间的关系 图6脱碳率与粒度的关系 Fig.5 The relation between decarbonization Fig.6 The relation between decarbonization ratio and time ratio and size (3)反成温度对脱碳率的光响也比较城芳，提高温度可以提高脱碳率。当温度达 到1050℃脱碳率达到最人值，脱碳率为59.4%。生铁固相脱碳反应是铁渗碳反应的逆反 应、有利于铁的渗碳的因索·则对生铁脱碳起到阻止作州，反之亦然。从式 N=(%CO)·P·K。/(100-%(CO)·I00可以看、降低温度，使平衡常数K,增加、提 高铁中碳的浓度Nc。所以提高反应温度有利」渗碳的逆过程一一气化脱碳的进行。从动 力学角度分析，温度也是影响扩散的重要因素。 (4)‘(体成分对脱碳率影响不大。增加氧含量，脱碳率有所提高，但由于铁的氧化增 加，阻碍脱碳反应的进彳行，使脱碳率增加不多、并且如果铁过分氧化会使回收率降低。原 因可能是在脱碳过程中，气体反应物要扩散到反应界面上才能进行脱碳反应、由于FO 比较致密、使气休反应物扩散的阴力增大，因此混合气体中的氧量要严格控制。 根据以上脱碳试验结果，以及实验室的条件、选择了最佳工艺条件：气体流量： 3.8L/min.:气体含氧量2%：i温温度1040℃；脱碳时间4.5h:生铁粒度0~3mm. 脱碳前和脱碳后的化学成分见表1

13 6 北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 3 年 N o Z 的 面积 越小 , 反 应速 度越 慢 ; 反之 , 反应 速 度越快 。 _ Z 才 沪卜口口 ` 日二产 一 删荆70653 罗 . 公哥裂 删们7U . 灿绷训 势替留犷 8 50 9 50 1 0 5 0 O : , “ o/ 图 3 脱碳率与含氧t 的关 系 Fi g . 3 T h e r e l a it o n be t w 既n dce a r bo n i z a t i o n r a it o a n d 0 2 e o n t e n t 图 4 脱碳率 与温 度的关系 F ig . 4 T h e r e l a it o n be tw e n d ce a r bo n i z a ti o n r a d o a n d t e m 碑r a tu r e 气、 \ 、 卜、 一 ` ` \ 807 4053 习刀劝 哥邵暇 / Z 一牙 / - 书60 0 阴 U0OU吵 4u7tj60SU如 告 当 泌 3 U 4 U s lJ 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 较度加功 图 5 脱碳率与时 间的关 系 图 6 脱碳率与粒度的 关系 Fi g . 5 T h e r e l a t i o n 阮t w e e n d e e a r b o n i z a t i o n F ig . 6 T h e r e l a d o n 映t w e e n d e e a r bo n i z a 6 o n r a t i o a n d t i m e r a ti o a n d s i z e ( 3) 反 应 温 度 对 脱 碳 率的 影 响 也 比 较 撇 著 , 提 高 温 度 可 以 提 高脱 碳 率 。 当温 度 达 到 1 0 50 ℃ 脱 碳率 达 到最 人 流 , 脱 碳 率 为 59 . 4 % 。 产卜铁固 相 脱碳 反应 是 铁 渗碳 反 应的 逆 反 应 , 有 利 J 铁 的 渗 碳 的 因 素 , 则 对 ` l : 铁 脱 碳 起 到 阻 止 作 用 , 反 之 亦 然 。 从 式 价 一 《% C O) · .P K 。 (/ 10 一 % C o) · ! 0 lf 以 翻l} , 降 低温 度 , 使 平衡 常数 凡 增加 , 提 高铁 中碳 的浓 度 价 。 所 以 提 高反 应温 度 有利 J 飞渗碳 的逆 过 程— 气 化脱碳 的进 行 。 从 动 力学 角 度分 析 , 温 度 也是 影响 扩 散的 重要 因索 。 ( 4) 产 一 毛体成 分对 脱碳 率影 响 不大 。 增加 氧 含量 , 脱碳 率有 所 提 高 , 但 由 于铁 的氧 化增 加 , 阻 碍脱 碳反应 的进 行 , 使脱碳 率增 加 不多 , 并 且 如果 铁过 分 氧化会使 回 收率 降低 。 原 因可 能 是 在脱碳 过程 中 , 气体 反应 物 要扩 散到 反应 界面 上才 能进 行脱 碳 反应 , 由 卜 F e O 比较 致 密 , 使气体 反 应物扩 散 的阻 力增 大 , 因此 混 合气休 中的氧 量要 严格控 制 。 根 据 以 卜脱 碳 试 验 结 果 , 以 及实 验 室 的 条 件 , 选 择 j 尸 最 佳工 艺 条 件 : 气 体流 量 : .3 8 L / m in . ; 气 体含 氧 量 2 % ; 恒 温温 度 ! 0 40 ℃ ; 脱碳 时 问 4 . h5 ; `仁铁粒 度 0 一 3 m m 。 脱碳 前 和脱碳 后的 化学 成分 见 表 l

Vol.15 No.2 生铁固态脱碳法制备工业纯铁 ·137· 表1脱碳前和脱碳后的化学成份 Table 1 Chemical composition before and after decarbonization C,% S,% Si. P,% 脱碳前 4.32 0.053 1.30 0.090 脱碳后 0.31 0.037 1.15 0.057 从表1中可以看出当采用最佳工艺条件时脱碳率可高达93%。在粒铁脱碳的同时， 生铁中的Si、S、P都有部分氧化。有关这方面的工作还有待进一步的研究 3.2脱碳粒铁的熔化试验 将脱碳后的粒铁进行熔化试验，分别使用了感应炉和等离子炉两种加热设备。将脱碳 后的粒铁配入一定碱度的石灰，混合均匀后放入MgO坩埚内进行熔化来进一步去除粒铁 中残余的碳。粒铁在脱碳过程中，表面有少量FO生成，熔化脱碳正是利用粒铁表层均 匀分布的FO作为氧化剂，进一步深度脱碳，并通过造渣脱硅、脱硫和脱磷。 熔化后的样品的化学成分见表2，大部分P在粒铁熔化过程中脱除。反应为： 4CaO(s)+2[P]+5[O]=4CaO P2O;(s) 为提高脱磷效果，要有高碱度高FO含量，因此在粒铁熔化过程中配入较高的碱度 (R=2.5~3)。熔化过程中的脱磷是间接氧化反应，溶解的氧主要由粒铁表面的FO0来提 供，粒铁在脱碳过程中表面有部分氧化对脱磷是有益的，但不能过分氧化，否则会影响粒 铁脱碳率及回收率。 表2脱碳粒铁熔化后的化学成分 Table 2 Chemical composition after melting down 粒度mm 温度℃ 碱度 C,% Si, S,% P,% 0-2 1620 3 0.009 0.020 0.010 0.003 0-3 1620 3 0.014 0.011 0.016 0.005 3.3工艺特点 (1)粒化生铁脱碳反应是自热过程。由理论计算可知，脱碳反应生成的CO燃烧放出 的热量，可以满足脱碳作业的热量需要。每公斤粒铁脱碳3%则可产生热量1015740J, 有217360J热量可供热损失。在实际固态脱碳过程中，如操作合理（生产率高，反应区热 量损失小，回转窑较大并连续操作时)，可不需另加燃料。在熔化过程中的脱硅反应也是 放热反应，每公斤生铁脱硅1%可放出121325J热量，降低电耗。 (2)比铁难还原的元素Cr、A1等不能进人生铁。比铁易还原的元素Ni、Co等及中等 还原元素M,可用选择生铁来源避免其进入，因此这种方法可达到最低含量的合金元 素。 4结论 (1)通过大量试验证明粒化生铁固态脱碳可以制备含碳量低于0.025%的工业纯铁 (2)影响粒化生铁固相脱碳的主要因素有：温度、时间、粒度、气体成分。建议粒化 生铁固相脱碳过程中操作温度控制在1040℃~1100℃较为合适，不仅能加快脱碳过程的 进行，还不会造成粒铁粘结。脱碳时间控制在4~4.5h

V o l . 1 5 N o . 2 生铁 固态脱碳法 制备工业纯 铁 13 7 表 1 T a b l e 1 C h e m i e a l 脱碳前和脱碳后的 化学成份 e o m po s iti o n b e of r e a n d a ft e r d e e a r b o nzi a ti o n C , % S , % 5 1 , % P , % 脱碳前 4 . 32 0刀 5 3 1 3 0 0 . 0 9 0 脱碳 后 0 . 3 1 0 . 0 37 1 . 1 5 0 乃5 7 从表 l 中 可 以 看 出 当采用最 佳工 艺 条 件时脱碳率可 高达 93 % 。 在粒 铁脱碳 的 同 时 , 生铁 中的 iS 、 S 、 P 都有 部分 氧化 。 有关这方面 的工 作还 有待 进一步的研 究 。 .3 2 脱碳粒铁的熔化试验 将脱碳后 的粒铁进 行熔化试验 , 分别使用 了感应炉 和等离 子 炉两种 加 热设备 。 将脱碳 后的粒铁 配人 一 定碱度 的石灰 , 混合均 匀后放 人 M g O 塔涡内 进行熔化来 进一 步 去除 粒铁 中残 余的碳 。 粒铁在 脱碳过 程 中 , 表 面有少 量 F e O 生成 , 熔化脱碳正 是利用粒铁表层均 匀分布的 F e O 作为 氧化剂 , 进 一步深 度脱碳 , 并通过造 渣脱硅 、 脱硫和脱磷 。 熔化后 的 样 品的化 学成分见 表 2 , 大部分 P 在粒铁熔 化过程 中脱除 。 反 应 为: 4 C a O ( s ) + 2【p ] + 5【0 1 = 4 C a O · P Z O S ( s ) 为提高脱磷效果 , 要 有高碱度高 F e O 含量 , 因此 在粒铁熔化 过程 中配 人较高的 碱度 ( R 二 2 . 5一 3) 。 熔化过 程中 的脱磷是间接 氧化反 应 , 溶 解 的氧 主 要 由粒铁表面 的 F e O 来提 供 , 粒铁在脱碳过 程 中表面 有部分氧化对 脱磷是有 益 的 , 但不能 过分 氧化 , 否则会影 响粒 铁脱碳率及 回收率 。 表 2 脱碳粒铁熔化后的 化学 成分 T a b l e 2 C h e m i e a l e o m p o s it i o n a ft e r m e lt i n g d o w n 粒度 m m 温度 ℃ 碱度 0一 2 0一 3 1 6 2 0 1 62 0 C , % O刀0 9 0 0 1 4 5 1 , % 0 . 0 2 0 0 . 0 1 1 S , % 0乃 10 0 刀 1 6 P , % 0 . 0 0 3 0 0 0 5 .3 3 工艺特点 ( l) 粒化 生铁脱碳反 应是 自热 过程 。 由理论计算可 知 , 脱碳反应 生成 的 C O 燃烧放出 的热量 , 可 以 满 足 脱碳作业 的热量需 要 。 每公斤 粒铁脱碳 3 % 则可 产生 热量 1 0 巧 7 4 0) , 有 2 17 3 6 0) 热量 可 供热损 失 。 在 实际固 态脱碳过程 中 , 如 操作合理 (生产率高 , 反 应 区 热 量损 失 小 , 回 转窑 较大 并 连续 操作时 ) , 可不 需 另加 燃 料 。 在熔化 过 程 中 的脱硅 反 应 也是 放热反应 , 每公斤生铁脱硅 1% 可 放出 12 1 3 2 5 ) 热量 , 降低电耗 。 (2 ) 比铁难还原 的元素 C r 、 lA 等不 能进入生 铁 。 比铁 易还 原的元素 N i 、 C o 等及中等 还 原元素 M n , 可用 选 择生 铁来源 避 免其进 人 , 因此这种 方法 可达 到 最低 含 量 的合 金元 素 。 4 结 论 ( l) 通 过大量试验证 明粒化生铁固态 脱碳 可 以 制备含碳量低于 0 . 0 25 % 的工业纯铁 。 (2 ) 影 响粒化生 铁固相 脱碳 的主要 因素有 : 温 度 、 时 间 、 粒度 、 气体成分 。 建议粒化 生铁 固相脱碳过程 中操作温 度控制在 1 04 0 ℃ 一 1 10 ℃ 较为合适 , 不仅 能 加快脱碳 过程的 进行 , 还不会造成粒铁粘结 。 脱碳时间控制在 4一 4 . h5