有色金屬礦石中如何提煉鐵？

【專家解說(shuō)】：煉鐵過(guò)程實(shí)質(zhì)上是將鐵從其自然形態(tài)——礦石等含鐵化合物中還原出來(lái)的過(guò)程。煉鐵方法主要有高爐法、直接還原法、熔融還原法等，其原理是礦石在特定的氣氛中（還原物質(zhì)CO、H2、C；適宜溫度等）通過(guò)物化反應(yīng)獲取還原后的生鐵。生鐵除了少部分用于鑄造外，絕大部分是作為煉鋼原料。一、生鐵的幾個(gè)基本概念（一）鐵與鋼 鐵在自然界中蘊(yùn)藏量極為豐富，占地殼元素含量的5％，居地球物質(zhì)中的第四位。鐵元素很活潑，容易與其它物質(zhì)結(jié)合。習(xí)慣上常說(shuō)的鋼鐵是對(duì)鋼和鐵的總稱。鋼和鐵是有區(qū)別的，所謂鋼鐵，主要由兩個(gè)元素構(gòu)成，即鐵和碳，一般碳和元素鐵形成化合物，叫鐵碳合金。含碳量多少對(duì)鋼鐵的性質(zhì)影響極大，含碳量增加到一定程度后就會(huì)引起質(zhì)的變化。由鐵原子構(gòu)成的物質(zhì)叫純鐵，純鐵雜質(zhì)很少。含碳量多少是區(qū)別鋼鐵的主要標(biāo)準(zhǔn)。生鐵含碳量大于2.0％；鋼含碳量小于2.0％。生鐵含碳量高，硬而脆，幾乎沒(méi)有塑性。鋼不僅有良好塑性，而且鋼制品具有強(qiáng)度高、韌性好、耐高溫、耐腐蝕、易加工、抗沖擊、易提煉等優(yōu)良物化應(yīng)用性能，因此被廣泛利用。（二）白口鐵和灰口鐵 碳（C）在鐵中有石墨和碳化鐵兩種狀態(tài)。石墨是碳的一種形態(tài)。石墨是片狀的碳，滑潤(rùn)柔軟，像煤屑一樣，很不堅(jiān)固，散存在鐵中，將鐵基體割裂，好像鐵中有很多條狀的窟窿，破壞了鐵的堅(jiān)固性。這種以石墨狀態(tài)存在于鐵中的碳，將鐵染成灰色，所以叫灰口鐵。灰口鐵因含柔軟的石墨，做成機(jī)器零件，易被機(jī)床切削。石墨在液體鐵水中有“潤(rùn)滑”作用，使鐵水流動(dòng)性變好，適合于澆注鑄件，所以灰口鐵又叫鑄造鐵。碳化鐵是白色的，又硬又脆，含量過(guò)多時(shí)，鐵會(huì)像石頭一樣。失去可塑性。用這種鐵做的零件，切削困難，所以白口鐵主要用來(lái)煉鋼，故又叫煉鋼鐵。石墨和碳化鐵也可以互相轉(zhuǎn)化，決定性條件有兩個(gè)：一是鐵水的化學(xué)成分，如果鐵水含硅量高，能促進(jìn)碳化鐵分解，變成石墨所以鑄造鐵的含硅量總是高的；另一個(gè)因素是鐵水凝固的快慢在成分適合時(shí)，如果冷得太快，鐵水中的碳化鐵來(lái)不及分解，便成為白口鐵。如果冷得慢，碳化鐵分解成石墨和鐵，這樣就變成灰口鐵。 二、高爐煉鐵的冶煉原理 生鐵的冶煉雖原理相同，但由于方法不同、冶煉設(shè)備不同，所以工藝流程也不同。下面分別簡(jiǎn)單予以介紹。 高爐生產(chǎn)是連續(xù)進(jìn)行的。一代高爐（從開(kāi)爐到大修停爐為一代）能連續(xù)生產(chǎn)幾年到十幾年。生產(chǎn)時(shí)，從爐頂（一般爐頂是由料種與料斗組成，現(xiàn)代化高爐是鐘閥爐頂和無(wú)料鐘爐頂）不斷地裝入鐵礦石、焦炭、熔劑，從高爐下部的風(fēng)口吹進(jìn)熱風(fēng)，噴入油、煤或天然氣等燃料。裝入高爐中的鐵礦石，主要是鐵和氧的化合物。在高溫下，焦炭中和噴吹物中的碳及碳燃燒生成的一氧化碳將鐵礦石中的氧奪取出來(lái)，得到鐵，這個(gè)過(guò)程叫做還原。鐵礦石通過(guò)還原反應(yīng)煉出生鐵，鐵水從出鐵口放出。鐵礦石中的脈石、焦炭及噴吹物中的灰分與加入爐內(nèi)的石灰石等熔劑結(jié)合生成爐渣，從出鐵口和出渣口分別排出。煤氣從爐頂導(dǎo)出，經(jīng)除塵后，作為工業(yè)用煤氣。現(xiàn)代化高爐還可以利用爐頂?shù)母邏?，用?dǎo)出的部分煤氣發(fā)電。 高爐內(nèi)的還原氣體產(chǎn)生于風(fēng)口前的燃料燃燒，這一過(guò)程產(chǎn)生了兩大運(yùn)動(dòng)流：一個(gè)是上升的熱煤氣流，一個(gè)是下降的爐料流（鐵礦石、焦炭、熔劑等）。高爐內(nèi)的一切反應(yīng)均發(fā)生于煤氣和爐料的相向運(yùn)動(dòng)和相互作用之中。它包括爐料的加熱、蒸發(fā)、揮發(fā)和分解；鐵及其它元素的還原；爐料中非鐵氧化物的熔化、造渣和生鐵的脫硫；鐵的滲碳及生鐵的形成；爐料和煤氣之間的熱交換等等，是一系列物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的總和。