鋼材的原材料與生產(chǎn)工藝

2009年02月20日 08:53
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一、原材料

鋼的源頭是鐵礦砂，即鐵元素(Fe)在自然界中的存在形式，純粹的鐵在自然界中是不存在的，鐵礦砂主要分為磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦三種，這些都是鐵的氧化物，不同之處在于它們的氧化方式。鐵礦砂中的含鐵量越高越好，理論上鐵礦砂中的最高含鐵量在72%左右，含鐵量在60%以上稱為富鐵礦。鐵礦砂先在熔爐內(nèi)還原成鐵(銑鐵)，再送入煉鋼爐內(nèi)脫碳精煉成鋼，廢鋼也可在煉鋼爐熔煉再生。一般鋼鐵依使用用途制成性質(zhì)、形狀各異的商品，既所謂的鋼鐵制品。通常鋼鐵制品是將鐵礦石還原，熔解成銑鐵(煉銑)，銑鐵精煉成鋼(煉鋼)，鋼再軋延、加工后制成各種鋼鐵制品，廣義的鋼鐵制品包含鑄鐵、鑄鋼、鍛造鋼品及鋼材加工的制品。

在討論鋼鐵的原料之前，我們先要弄清楚，究竟鋼和鐵有什么不同？是否有不同的成份呢？在日常生活上大家總是把鋼和鐵聯(lián)在一起稱為“鋼鐵的原可見(jiàn)鋼和鐵應(yīng)該是一種物質(zhì)才對(duì)；事實(shí)上，由科學(xué)的眼光來(lái)看，鋼和鐵是有少許不同的，它們的主要成份都是鐵元素，只是所含的碳元素量不同。我們通常以碳的含量在2%以上的叫“生鐵”，低于這個(gè)數(shù)值的叫“鋼鐵的因此，在冶煉鋼鐵的過(guò)程中，含鐵的礦石先在鼓風(fēng)爐(blast furnace)(高爐)中被冶煉成熔融生鐵，而后熔融生鐵再放到煉鋼爐(steel making furnace)中精煉成鋼。

生產(chǎn)鋼鐵所需要的原料分成四大類來(lái)分別討論：第一類討論的是各種含有鐵質(zhì)的礦石原料；第二類是煤和焦炭；第三類則討論在冶煉的過(guò)程中用來(lái)制造熔碴(slag)的熔劑(或稱助熔劑flux)，如石灰石等；最后一類是各種輔助原料，如廢鋼料(scrap)、氧氣等。

二、鐵礦石種類及分布

在理論上來(lái)說(shuō)，凡是含有鐵元素或鐵化合物的礦石都可以叫做鐵礦石。但是，在工業(yè)上或者商業(yè)上來(lái)說(shuō)，鐵礦石不但是要含有鐵的成份，而且必須有利用的價(jià)值才行?？墒?，由于很難絕對(duì)性的判定一個(gè)礦石是否有利用價(jià)值，所以在工業(yè)上很難訂立一個(gè)鐵礦石的標(biāo)準(zhǔn)。舉例來(lái)說(shuō)，歐洲所產(chǎn)的鐵礦品質(zhì)很差，而且含鐵量很低，只是因?yàn)樗麄冋也坏胶玫牡V石，所以他們就把這種礦石稱為鐵礦石；而澳洲目前因?yàn)槠焚|(zhì)好含鐵量高的礦石存量很多，所以像歐洲所用的那種礦石在澳洲已經(jīng)認(rèn)為毫無(wú)價(jià)值。那么，在歐洲所使用的鐵礦石，在美國(guó)就不被鋼鐵業(yè)界認(rèn)為是鐵礦石了。再譬如說(shuō)，在過(guò)去被認(rèn)為含鐵量太低沒(méi)有利用價(jià)值的礦石，由于現(xiàn)在工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展出許多廉價(jià)的方法來(lái)富化礦石中鐵的成份，于是這些含鐵量低的礦石也就成為有價(jià)值的鐵礦石了。于是這我們歸納出一個(gè)結(jié)論，就是在工業(yè)上對(duì)于鐵礦石判定的標(biāo)準(zhǔn)是隨著地區(qū)性的供求關(guān)系、工業(yè)技術(shù)水準(zhǔn)的改變及交通運(yùn)輸?shù)臓顩r而改變的。以目前的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，礦石中的平均含鐵量大約在25%以上，才被稱為有利用價(jià)值的鐵礦石。

鐵都是以化合物的狀態(tài)存在于自然界中，尤其是以氧化鐵的狀態(tài)存在的量特別多。現(xiàn)在將幾種比較重要的鐵礦石提出來(lái)說(shuō)明：(前三種是主要種類)

(1)磁鐵礦(Magnetite)是一種氧化鐵的礦石，主要成份為Fe3O4，是Fe2O3和FeO的復(fù)合物，呈黑灰色，比重大約5.15左右，含F(xiàn)e 72.4%，O 27.6%，具有磁性。在選礦(Beneficiation)時(shí)可利用磁選法，處理非常方便；但是由于其結(jié)構(gòu)細(xì)密，故被還原性較差。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化作用后即變成赤鐵礦。

(2)赤鐵礦(Hematite)也是一種氧化鐵的礦石，主要成份為Fe2O3，呈暗紅色，比重大約為5.26，含F(xiàn)e 70%，O 30%，是最主要的鐵礦石。由其本身結(jié)構(gòu)狀況的不同又可分成很多類別，如赤色赤鐵礦(Red Hematite)、鏡鐵礦(Specularhematite)、云母鐵礦(Micaceous hematite)、粘土質(zhì)赤鐵(Red Ocher)等。

(3)褐鐵礦(Limonite)這是含有氫氧化鐵的礦石。它是針鐵礦(Goethite)HFeO2和鱗鐵礦(Lepidocrocite)FeO(OH)兩種不同結(jié)構(gòu)礦石的統(tǒng)稱，也有人把它主要成份的化學(xué)式寫(xiě)成m Fe2O3nH2O，呈現(xiàn)土黃或棕色，含有Fe約62%，O 27%，H2O 11%，比重約為3.6～4.0，多半是附存在其它鐵礦石之中。

(4)菱鐵礦(Siderite)是含有碳酸鐵的礦石，主要成份為FeCO3，呈現(xiàn)青灰色，比重在3.8左右。這種礦石多半含有相當(dāng)多數(shù)量的鈣鹽和鎂鹽。由于碳酸根在高溫約800～900℃時(shí)會(huì)吸收大量的熱而放出二氧化碳，所以我們多半先把這一類礦石加以焙燒之后再加入鼓風(fēng)爐。(5)鐵的硅酸鹽礦(Silicate Iron)此類礦石是一種復(fù)合鹽，沒(méi)有一定的化學(xué)式，成份的變化很大，一般呈現(xiàn)深綠色，比重為3.8左右。含鐵成份很低，是一種較差的鐵礦石。

(6)硫化鐵礦(Sulphide iron)這種礦石含有FeS2，含F(xiàn)e只有46.6%而S的含量達(dá)到53.4%。呈現(xiàn)灰黃色，比重大約為4.95～5.10。由于這種礦石常常含有許多其它較貴重的金屬如銅(Copper)、鎳(Nickel)、鋅(Zinc)、金(Gold)、銀(Silver)等，所以常被用做他種金屬冶煉工業(yè)的原料；又由于它含有大量的硫，所以常被用來(lái)提制硫磺，鐵反而變成了副產(chǎn)品，所以事實(shí)上已不能稱為鐵礦石。

鐵在地球表面，分布非常廣泛，而且存量也極為豐富，幾乎所有的巖石和動(dòng)植物的殘骸之中都含有少許鐵的成份；根據(jù)地質(zhì)學(xué)家的估計(jì)，地殼中大約有4～5%是鐵的元素。

雖然這許多含鐵的物質(zhì)中只有極少部份是具有價(jià)值的鐵礦石，但是它的存量已經(jīng)是極為豐富。對(duì)于地球上鐵礦石貯存量的估計(jì)，目前沒(méi)有一個(gè)可以確信的數(shù)字。目前已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的主要產(chǎn)鐵礦國(guó)有美國(guó)、加拿大、巴西、澳洲、南非、印度、法國(guó)、英國(guó)、瑞典、西班牙、蘇俄、中國(guó)、委內(nèi)瑞拉等。

中國(guó)鐵礦資源有兩個(gè)特點(diǎn)：一是貧礦多，貧礦出儲(chǔ)量占總儲(chǔ)量的80%；二是多元素共生的復(fù)合礦石較多。此外礦體復(fù)雜，有些貧鐵礦床上部為赤鐵礦，下部為磁鐵礦。

(1)東北地區(qū)鐵礦東北的確鐵礦主要是鞍山礦區(qū)，它是目前我國(guó)儲(chǔ)量開(kāi)采量最大的礦區(qū)，大型礦體主要分布在遼寧省的鞍山(包括大弧山、櫻桃園、東西鞍山、弓長(zhǎng)嶺等)、本溪(男芬、歪頭山、通遠(yuǎn)堡等)，部分礦床分布在吉林省通化附近。鞍山礦區(qū)是鞍鋼、本鋼的主要原料基地。東北的確鐵礦

鞍山礦區(qū)礦石的主要特點(diǎn)：

1)除極少富礦外，約占儲(chǔ)量的98%為貧礦，含鐵量20～40%，平均30%左右。必須經(jīng)過(guò)選礦處理，精選后含鐵量可達(dá)60%以上。

2)礦石礦物以磁鐵礦和赤鐵礦為主，部分為假象赤鐵礦和半假象赤鐵礦。其結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬，脈石分布均勻而致密，選礦比較困難，礦石的還原性較差。

3)脈石礦物絕大部分是由石英石組成的，SiO2在40～50%。但本溪通遠(yuǎn)堡鐵礦為自溶性礦石，其堿度(Ca+Mg/SiO2)在1以上。且含錳1.29～7.5%可代替錳礦使用。

4)礦石含S、P雜質(zhì)很少，本溪男芬鐵礦含P很低，是冶煉優(yōu)質(zhì)生鐵的好原料。

(2)華北地區(qū)鐵礦主要分布在河北省宣化、遷安和邯鄲、邢臺(tái)地區(qū)的武安、礦山村等的地區(qū)以及內(nèi)蒙和山西各地。是首鋼、包鋼、太鋼和邯鄲、宣化及陽(yáng)泉等鋼鐵廠的原料基地。主要分布在河

遷灤礦區(qū)礦石為鞍山式貧磁鐵礦，含酸性脈石，S、P雜質(zhì)少，礦石的可選性好。

邯邢礦區(qū)主要是赤鐵礦和磁鐵礦，礦石含鐵量在40%-55%之間，脈石中含有一定的堿性氧化物，部分礦石S高。

(3)中南地區(qū)鐵礦中南地區(qū)鐵礦以湖北大冶鐵礦為主，其他如湖南的湘潭，河南省的安陽(yáng)、舞陽(yáng)，江西和廣東省的海南島等地都有相當(dāng)規(guī)模的儲(chǔ)量，這些礦區(qū)分別成為武鋼、湘鋼及本地區(qū)各大中型高爐的原料供應(yīng)基地。中南地區(qū)鐵礦

大冶礦區(qū)是我國(guó)開(kāi)采最早的礦區(qū)之一，主要包括鐵山、金山店、成潮、靈鄉(xiāng)等礦山，儲(chǔ)量比較豐富。礦石主要是鐵銅共生礦，鐵礦物主要為磁鐵礦，其次是赤鐵礦，其他還有黃銅礦和黃鐵礦等。礦石含鐵量40-50%，最高的達(dá)54-60%。脈石礦物有方解石、石英等，脈石中含SiO28%左右，有一定的溶劑性(CaO/SiO2為0.3左右)，礦石含P低，(一般0.027%)，含S高且波動(dòng)很大(0.01-1.2%)，并含有Cu(0.2-1.0%)和Co(0.013%-0.025%)等含有色金屬。礦石的還原性較差，礦石經(jīng)燒結(jié)、球團(tuán)造塊后入高爐冶煉。

(4)華東地區(qū)鐵礦華東地區(qū)鐵礦產(chǎn)區(qū)主要是自安徽省蕪湖至江蘇南京一帶的凹山，南山、姑山、桃沖、梅山、鳳凰山等礦山。此外還有山東的金嶺鎮(zhèn)等地也有相當(dāng)豐富的鐵礦資源儲(chǔ)藏，是馬鞍山鋼鐵公司及其他一些鋼鐵企業(yè)原料供應(yīng)基地。華東

蕪寧礦區(qū)鐵礦石主要是赤鐵礦，其次是磁鐵礦，也有部分硫化礦如黃銅礦和黃鐵礦。鐵礦石品位較高，一部分富礦(含F(xiàn)e50%-60%)可直接入爐冶煉，一部分貧礦要經(jīng)選礦精選、燒結(jié)造塊后供高爐使用。礦石的還原性較好。脈石礦物為石英、方解石、磷灰石和金紅石等，礦石中含S、P雜質(zhì)較高(含P一般為0.5%，最高可達(dá)1.6%，梅山鐵礦含S平均可達(dá)2%-3%)，礦石有一定的溶劑性(如凹山及梅山的富礦中平均堿度可達(dá)0.7-0.9)，部分礦石含V，Ti及Cu等有色金屬。

(5)其他地區(qū)鐵礦除上述各地區(qū)鐵礦外，我國(guó)西南地區(qū)、西北地區(qū)各省，如四川、云南、貴州、甘肅、新疆、寧夏等地都有豐富的不同類型的鐵礦資源，分別為攀鋼、重鋼和昆鋼等大中型鋼鐵廠高爐生產(chǎn)的原料基地。