冶金过程中铁素流的变化

1、分析钢铁制造流程中铁素流的状态变化，从热力学角度分析各工序的理论能耗。钢铁生产过程的物理本质是物质流（铁素流）在能量流（主要是碳素流）的驱动和作用下，按照设定的“程序”，沿着特定的流程网络做动态-有序的运作。从热力学角度，钢铁制造过程是一类开放的，非平衡的，不可逆的，不断缩聚和适配的铁素流与提供能量的碳素流之间的耦合过程。铁素流是一类多因子流，是被加工的主体。铁元素含在铁矿石中，但只有其中铁含量大于40%才具有开采价值。为了提高冶炼效率，减低单位能耗，除了一少部分富铁矿可以直接入炉外，大部分铁矿都需要经过筛选，提高入炉铁矿的铁含量。在铁矿石中，铁元素以铁氧化物的形式存在。赤铁矿主要含铁矿物是无水的Fe2O3，因其条痕呈红色，亦称红矿。磁铁矿主要含铁矿物是磁性的Fe3O4，故而得名。Fe3O4可以看作是复杂的铁氧化物FeO·Fe2O3，在它当中除了三价铁以外，还有大量的二价铁。磁铁矿石一般具有较高的含铁品味（45%~70%），通常含有有害杂质，特别是硫。结构致密，质地坚硬，难以破碎，还原性较差。褐铁矿主要含铁矿物是含水的铁氧化物nFe2O3·mH2O（n=1~3，m=1~4），根据n、m值的不同形成不同的矿物，一般因条痕呈黄褐色而统称为褐铁矿。常见矿物主要是2Fe2O3·3H2O，而3Fe2O3·4H2O属于水针铁矿。菱铁矿主要含铁矿物是FeCO3，这种矿石的特点是含CO2高，含铁量较低（30%~40%），含S、P量较低，易碎，还原性尚可。筛选的富矿通过球团或烧结得到高炉炼铁所需的一定强度和粒度的矿石，其中烧结过程的物料平衡如图1所示。图1烧结系统物料及能量平衡由图可以看出生产一吨烧结矿需要895.5kg的精粉矿，需要消耗焦粉51.04kg，煤气（COG）3.12m3，电40.13kWh，蒸汽1.1kg。根据钢铁行业的统计数据，2005年我国大中型重点企业的烧结工序能耗为64.83kgce/t，占钢铁冶金总能耗的10%左右[周继程，郦秀萍，上官方钦，张春霞．我国烧结工序能耗现状及节能技术和措施．冶金能源，2010，29（2）：23-26．]。烧结矿在高炉内经过的是一个复杂的耦合的非线性的过程。铁矿石中的铁主要以Fe2O3和Fe3O4状态存在，烧结矿中除前两者外，还有2FeO•SiO2和CaO•Fe2O3等化合物。铁氧化物主要被高炉中的焦炭和CO还原。高炉内铁氧化物还原是由高价向低价分步进行的，其顺序为：Fe2O3一Fe3O4一FeO一Fe。当温度低于570℃时，FeO不能稳定存在，生成Fe和Fe3O4，此时铁氧化物的还原顺序为Fe2O3一Fe3O4一Fe。高炉内可以作为铁氧化物还原剂的有气态CO和H2以及固态炭。使用不同还原剂时铁氧化物的还原规律不同。间接还原用CO作还原剂，还原产物为CO2的还原反应称为间接还原。铁氧化物的间接还原反应分步如下：高于570℃Fe2O3十CO—2Fe3O4+CO2（1）Fe3O4+mCO一3FeO+CO2+(m-1)CO（2）FeO+nCO一Fe+CO2+(n-1)CO（3）低于570℃3Fe2O3+CO一2Fe3O4+C02（4）Fe3O4+4pCO一3Fe+4CO2+4(p-1)CO（5）直接还原以固态炭为还原剂，还原产物为气态CO的还原反应称为直接还原。铁氧化物的直接还原反应如下：高于570℃3Fe2O3+C一2Fe3O4+CO（6）Fe3O4+C一3FeO+CO（7）FeO+C—Fe+CO（8）低于570℃3Fe2O3+C一2Fe3O4+CO（9）Fe3O4+4C一3Fe+4CO（10）高炉里面的物质流很复杂，其物质流如图2所示，由图我们可以看出生产吨铁需要烧结矿1314.17kg，需要生矿269.17kg，在鼓风区以上既有铁的氧化物，又有生铁，在鼓风区以下的铁水中主要是生铁。炼铁过程耗能最大，根据2006年的数据，我国高炉炼铁工序每吨刚耗能457kg标煤。出来的铁水被进一步送到转炉中冶炼，转炉中的物质能流图如图3所示，铁元素在炼钢中基本没有变化，炼钢主要是减少铁水的含碳量和一些有害元素，也可加入一些稀有元素调节钢的特性。炼钢只需要很少的能量，有的企业已能做到负能炼钢。钢水通过连铸连轧机，做成我们需要的热轧产品和冷轧产品。在这个过程消耗的热量也是比较少的。通过前面的分析，我们知道铁元素沿着采矿—选矿—烧结—高炉冶炼—转炉冶炼—连铸—连轧这样一个有序的过程成为我们所需的产品。整个钢铁冶金过程的铁素流如图图2高炉炼铁系统中物料平衡图3转炉炼钢系统物料平衡4所示。图4钢铁工业生产铁素流过程我国大中型钢铁企业烧结工序能耗65kgce·t-1钢，高炉炼铁工序能耗457kgce·t-1钢，转炉炼钢工序能耗36kgce·t-1钢，轧钢工序能耗89kgce·t-1钢，其他工序耗能90kgce·t-1钢。Kgce:千克标准煤