徐 宏
（酒鋼集團榆中鋼鐵有限責任公司，甘肅 蘭州 730100）
摘 要 ：高爐容易受到生產(chǎn)條件、高爐爐況等因素影響，導致鐵水含碳量下降，尤其使用時間長的高爐下降幅度較為顯著，現(xiàn)根據(jù)榆鋼1號高爐實際生產(chǎn)條件，根據(jù)冶煉學原理并結(jié)合生產(chǎn)積極，找出原因，為下一步改善雙高爐爐況提供理論依據(jù)。
關鍵詞 ：高爐 ；滲碳 ；煉鐵 ；含碳量
高爐煉鐵是鐵礦石中鐵的氧化物被還原成單質(zhì)鐵的過程，即使用焦炭做燃料和還原劑，在高溫下將鐵礦石（如Fe2O3 、Fe3O4 、Fe2 SiO4 、Fe3O4 ·TiO2 等）還原為液態(tài)生鐵，如圖1所示。在鐵礦石冶煉時，爐料（礦石、熔劑、焦炭）通過裝料設備按照一定的比例一定的順序從爐頂裝入高爐內(nèi)。冶煉時，高溫吹氧，熱風從下部風口鼓入與焦炭反應生成高溫還原性煤氣 ；爐料逐漸被熔化并逐漸下降，在下降過程時，鐵礦石被加熱、還原、熔化、造渣，發(fā)生一系列物理化學變化，生成的液態(tài)渣、鐵聚集于爐缸內(nèi)，周期地從高爐排出。煤氣流上升過程中，溫度不斷降低，成分逐漸變化，最后形成高爐煤氣從爐頂排出。
高爐冶煉的主要產(chǎn)品是生鐵。生鐵是鐵與碳及其它一些元素的合金。通常，生鐵含鐵94%左右，含碳4%左右。其余為硅、錳、磷、硫等少量元素。一般來說，生鐵和鋼的化學成分主要差別是含碳量。鋼中含碳量最高不超過2.11%。當鑄鐵中含碳量大于5.0%時，鑄鐵脆性很大。生鐵可分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵。煉鋼生鐵供轉(zhuǎn)爐、電爐煉鋼使用，約占生鐵產(chǎn)量的80-90%。鑄造生鐵又稱為翻砂鐵或灰口鐵，主要用于生產(chǎn)耐壓鑄件，約占生鐵產(chǎn)量的10%左右。鑄造生鐵的主要特點是含硅較高，在1.25~4.25%之間。硅在生鐵中能促進石墨化，即使化合碳游離成石墨碳，增強鑄件的韌性和耐沖擊性并易于切削加工。高爐還可生產(chǎn)特殊生鐵，如錳鐵、硅鐵、鏡鐵（Mn10-25%）、硅鏡鐵（Si9-13%，Mn18-24%）等，主要用作煉鋼脫氧劑和合金化劑。
2 高爐鐵中含碳量
碳溶解在固態(tài)或液態(tài)鐵中的過程稱。當爐料融化時，在高爐上部已有部分鐵礦石逐漸還原成金屬鐵。隨滲碳著溫度的不斷升高逐漸有更多的鐵被還原出來，剛還原出來的鐵呈多孔海綿狀，稱為海綿鐵，早期出現(xiàn)的海綿鐵成分較純，這種鐵幾乎不舍碳，而在后期高爐內(nèi)形成的生鐵(除了硅、錳、磷和硫等元素的滲入或去除外)的主要是經(jīng)過滲碳，提高其含碳量。爐內(nèi)滲碳大致可分三個階段 ：第一階段，海綿鐵的滲碳.在400℃ -600℃時在高爐內(nèi)的海綿鐵發(fā)生CO煙碳析反應，固體海綿鐵開始發(fā)生如下的滲碳過程，2C→CO2 +[C]，其中一部分碳參與還原反應，一部分碳吸附在海綿鐵上進入生鐵，即2CO+3Fe=Fe3C+CO2 ，當反應
達到平衡時，海綿鐵中含碳量可達1.5%，這一階段的滲碳量占全部滲碳量的l.5%左右。第二階段，液態(tài)鐵的滲碳。經(jīng)初步滲碳的金屬鐵在1400℃左右時與熾熱的焦炭繼續(xù)進行固相滲碳，開始熔化為鐵水，穿過焦炭滴入爐缸。第三階段，爐缸內(nèi)的滲碳過程。
爐缸部分只進行少量的滲碳，一般只有0.1%-0.5%。經(jīng)過以上階段鐵水在向爐缸滴落的過程中，除了滲碳反應外，還有硅、錳、磷進入生鐵，脫除硫等有害雜質(zhì)，形成最終成分的生鐵。爐渣對高爐的爐況和生鐵的質(zhì)量有著決定性的影響。要想煉好鐵，必須造好渣。但實驗表明，未融化的海綿鐵含碳量小于1.0%，當其熔化后，在滴落過程中與焦炭等有良好的接觸反應條件，滲碳迅速進行 ：3Fe+C=Fe 3 C在爐腰部位含碳量可達2.5%-3.0% ；在滴落帶下部達到最大，近乎飽和 ；在風口區(qū)又被氧化一部分，在爐缸仍有少量滲碳過程。
鐵中的最終含碳量與溫度的關系。在Fe-C平衡相圖（如圖2所示）上1153℃處共晶點飽和碳量為4.3%，隨著溫度的提高，飽和碳量高。%C=1.3+2.57×10 -3 T,其中T為鐵水溫度。按照F e -C相圖分析如下所示 ：鐵碳合金是鐵與碳組成的合金，在合金中當碳含量超過固溶體的溶解限度后，剩余的碳以兩種存在方式 ：滲碳體Fe 3 C或石墨。凡成分貫穿包晶轉(zhuǎn)變恒溫線的鐵碳合金（w(C)＝0.09%-0.53%），冷卻到1495℃，w(C)＝0.53%的液相與w(C)＝0.09%的δ相發(fā)生包晶反應，生成w(C)＝0.17% 的 γ 相 即 奧 氏 體 A。2）共 晶 轉(zhuǎn) 變（1148 ℃），w(C) ＝2.11-6.69%的合金冷卻時，在1148℃都發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共晶體（γ＋Fe 3 C）是奧氏體與滲碳體的機械混合物，稱為萊氏體,用符號Ld表示。萊氏體體中，滲碳體是一個連續(xù)分布的基體相，奧氏體則呈顆粒狀分布在滲碳體基體中。由于滲碳體很脆，所以萊氏體是一種塑性很差的組織。
鐵中的最終含碳量與其他元素的關系，碳在鐵水中的溶解度還受鐵中其他元素的影。由于Mn、Ti、V、Cr等元素也能與C生成化合物并溶于鐵，因而提高了碳的溶解度。
反之鐵水中的S、P、Si的增加則使Fe3C等碳化物分解，從而使鐵水含碳量降低冶煉普通生鐵計算式如下 ：
% C = 1 . 3 4 + 2 . × 1 0- 3 T - 0 . 3 5 [ P ] - 0 . 3 [ S i ] -0.54[S]+0.04[Mn]+0.17[Ti]
3 榆鋼高爐鐵水含碳量低原因分析
高爐鐵水成分以1#號高爐9月3日夜班與9月7日夜班鐵次為例進行對比 ：
對兩日數(shù)據(jù)指標的對比可以看出 ：（1）高爐鐵水溫度下降較為明顯，這與1#高爐近期爐況轉(zhuǎn)差有一定聯(lián)系，高爐為提高煤氣利用率，采取抑制邊緣的裝料制度，導致爐內(nèi)風量減小，風壓高，但是煤氣利用率未見好轉(zhuǎn)，操作時工長爐溫控制相比有所下降，同時風溫使用水平下降，致使鐵水物理熱下降，影響爐內(nèi)鐵水滲碳。（2）由于高爐原料結(jié)構(gòu)有所變化，黑鷹鐵礦粉的含Mn量較高，在燒結(jié)礦中的配比由原來的15%下調(diào)至12%，使高爐入爐料的Mn含量下降，最終導致鐵水Mn含量下降影響鐵水滲碳。另外鐵水中Ti含量下降，S含量整體上升，也是導致鐵水含碳量低的原因。（3）由于高爐爐況順行轉(zhuǎn)差，加之高爐有減風坐料，高爐爐缸活躍度受到影響，這也使得鐵水在爐缸滲碳的效果減弱，從而影響鐵水滲碳。
通過對高爐鐵水含碳量理論分析和1#高爐鐵水含碳量實踐檢驗可以得出影響鐵水含碳量的主要因素有 ：鐵水溫度的影響、鐵水溫度越高，則滲碳越多 ；焦炭用量及其質(zhì)量 ；鐵水中的其他化學元素 ；爐缸的活躍程度。
4 提高高爐鐵水含碳量采取的措施
針對以上原因?qū)Ω郀t鐵水含碳量低的問題可以采取的應對措施有 ：（1）調(diào)整裝料制度，改善爐況，提高煤氣利用率，降低工長操作難度，控制爐溫在合理的范圍內(nèi) ；并且對高爐送風管道及送風制度進行改造，滿足高風溫需要 ；提高送風裝置質(zhì)量，使之滿足1220℃風溫水平要求，使平均風溫水平提高達到1190℃，以提高鐵水物理熱，最終提高鐵水含碳量。（2）對高爐制定合理的爐料結(jié)構(gòu)，做好原燃料的合理配置，使高爐入爐料的成分穩(wěn)定，保證鐵水的含碳量穩(wěn)定。（3）確保爐況長期穩(wěn)定順行，減少減風坐料，保證爐缸活躍，提高鐵水在爐缸的滲碳效果。