摘要：對海綿鐵生產的基本原理及公司的海綿鐵生產工藝進行了介紹。此外，對于在生產中容易出現的質量問題作了詳細的分析，同時相應地提出了質量控制的辦法。

1、前言

目前，粉末冶金公司主要采用固體碳還原法生產海綿鐵。原料主要為軋鋼氧化鐵皮（俗稱鐵鱗）或精礦粉，經過烘干、篩分、磁選、研磨等一系列處理后的鐵鱗與還原劑通過環形裝具裝入耐火罐再裝車之后進入隧道窯，整個還原反應在隧道窯中發生。其工藝流程如圖1：

為了更好地控制海綿鐵質量，了解其基本原理和生產工藝要求是必不可少的。本文就海綿鐵生產的基本原理及質量控制作一簡要敘述。

2、還原反應基本原理

鐵的氧化物的還原過程是分階段進行的，即：Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe。

研究表明：用固體碳直接還原鐵的氧化物時，當溫度高于570℃時反應為：

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂

FeO+CO=Fe+CO₂

當溫度低于570℃時，由于FeO不能穩定存在，Fe₃O₄直接還原成金屬鐵：

Fe₃O₄+4CO=3Fe+4CO₂

雖然固體碳能直接還原鐵的氧化物，但是固體與固體之間接觸面積很有限，因而固—固反應速度慢。只要罐內有固體碳存在則碳的氣化反應總是在進行，即系統內總會發生C+CO₂=2CO這樣的反應，故達到一定溫度時系統內總有大量CO存在，它可以加快固體碳還原鐵氧化物的速度。因此固體碳還原鐵的氧化物實質上就是CO間接還原反應與CO₂和C的氣化反應的綜合反應，即固體碳還原鐵的氧化物的原理。

3、生產工藝要求

3.1 對鐵鱗的要求

鐵鱗的物理化學性能優劣將直接影響海綿鐵的質量。生產不同質量等級的海綿鐵對進廠鐵鱗的化學成份要求如表1所示：

表1 品種等級及其對應的化學成分

品種	TFe ＞	S＜	Si＜	Mn＜	P＜	酸不溶物＜
Ⅰ級	72	0.020	0.10	0.35	0.020	0.20
Ⅱ級	71	0.020	0.15	0.40	0.020	0.35
Ⅲ級	70	0.030	0.20	0.50	0.030	0.60

在物理性能方面的要求主要是鐵鱗的粒度。研究表明，多相反應與界面有關，鐵鱗愈細其界面的面積愈大，還原反應愈快。但研究表明鐵鱗粒度細到一定的程度后，由于顆粒與顆粒之間的縫隙減小，透氣性變差，反應速度會隨之降低。經過多年的生產實踐證明：鐵鱗的粒度在20-60目范圍內，還原反應效果較好。單一的某種鐵鱗因其化學成份有時難以滿足質量要求，生產中通常是將兩種或兩種以上的鐵鱗搭配使用以滿足生產和質量控制需求。

3.2 對還原劑的要求

應用廣泛的還原劑主要有無煙煤和焦末，粉末冶金公司采用焦末，由于其硫含量較高，因此焦末中還需要添加適量的脫硫劑（石灰）。對還原劑的化學成份要求如表2所示：

表2 還原劑化學成分

名稱	C固＞	S＜	揮發份＜	灰份＜	水份＜
焦末	70	1.0	3.0	18	10.0
名稱	CaO＞		MgO＜		SiO2＜
石灰	65		4		5

焦末的粒度對還原過程影響較大，為了加快碳的氣化反應，提高還原速度，要求焦末的粒徑≤8mm。焦末的消耗量主要根據鐵鱗的含氧量而決定，生產中考慮到焦末的燒損及CO的逸出等原因其使用量需要過量。脫硫劑的摻入量視焦末的S含量而定，摻入量不足會使焦末中的S滲入到海綿鐵，致使其S含量升高。

3.3 還原反應的工藝條件

還原過程中，還原溫度、還原時間（生產上體現為進車速度）、料層厚度、還原氣氛是一個互相制約的有機整體。理論上，只要將各項工藝參數調至較佳狀態，就會達到理想中的還原終點，即海綿鐵氧、碳含量都很低，相應的鐵含量很高。但是，實際生產中整個還原系統十分復雜，在多種影響因素并存的條件下還原終點很難實現，所以生產中采取的往往是過還原終點制度，即允許海綿鐵輕度滲碳（C：0.15%-0.30%）。即是實現Fe+C→Fe₃C的過程。實踐證明利用滲碳得到的一次粉在二次還原階段可快速而經濟地除去海綿鐵冷卻過程中氧化所造成的高氧含量。

經過長期的生產試驗，以目前公司的生產工藝和現有的設備能力，對經過處理的試驗鐵鱗，各項性能如表3所示。

表3 試驗鐵鱗各項性能

TFe/%	S/%	Si/%	Mn/%	P/%	酸不溶物/%	松比/g·cm-3
73.05	0.018	0.09	0.34	0.011	0.17	2.50

按照產量相當的原則，分別執行三種工藝，如表4所示 ：

表4 執行三種工藝表

工藝	溫度/℃	時間/h	料厚/mm
1	1165±5	65	28
2	1160±5	68	30
3	1155±5	72	32

所得海綿鐵，經化驗結果如表5。

表5 海綿鐵化驗結果表

序號	TFe/%	C/%	S/%	Si/%	Mn/%	P/%	酸不溶物/%	O/%
1	97.26	0.14	0.020	0.09	0.33	0.011	0.19	1.25
2	97.65	0.20	0.020	0.09	0.32	0.011	0.19	1.12
3	97.96	0.26	0.017	0.08	0.34	0.010	0.18	0.97

根據以上數據得出工藝3獲得的海綿鐵質量較好，同時成本較低。因此公司主要采用類似工藝進行生產。

4、常見的質量問題及相應控制措施

4.1 夾生

若芯部出現黑色光亮帶的海綿鐵，即為夾生海綿鐵。夾生致使海綿鐵氧含量偏高會增加二次還原時間。

造成夾生的原因主要有：

4.1.1 還原時間不足，即進車偏快；

4.1.2 料層太厚致使配碳量相對不足，此時應調整環形裝具的規格降低料層厚度；

4.1.3 還原溫度偏低；

4.1.4 配碳量不足即是焦末固定碳含量低、投入使用的量不足或是其顆粒太粗致使芯部反應不充分；

4.2 氧化

表面呈藍色或褐色的海綿鐵即為氧化海綿鐵。氧化的海綿鐵硬度較高且氧含量偏高，增加二次還原時間的同時還會使破碎困難。

造成氧化的原因主要有：

4.2.1 耐火罐密封不良，這將致使窯內空氣進入耐火罐導致海綿鐵氧化 ；

4.2.2 耐火罐頂部焦末燒損嚴重，致使頂部海綿鐵發生氧化。為解決此問題，裝罐時在罐頂過量裝入還原劑封口可以有效防止焦末燒損，同時還原后殘余的焦末和灰份還可以將海綿鐵覆蓋防止氧化 。

4.2.3 冷卻速度慢。由于隧道窯冷卻速段較長還原得到的銀白色海綿鐵在冷卻段將被氧化成褐色甚至藍色，致使氧含量升高。目前公司主要采用窯尾敞口同時加冷卻水套實行水冷的方式，基本可以滿足質量要求。

4.3 過燒

過燒的海綿鐵因嚴重滲碳質地特別堅硬，敲擊時發出清脆的金屬聲響。

造成過燒的原因主要有：

4.3.1 還原溫度太高；

4.3.2 還原時間太長，即進車太慢。

4.3.3 焦末使用過量，配碳量過高。

在實際生產中，海綿鐵不合格的形式多種多樣，除以上幾種常見的形式外，還有個別情況下產生的不合格品是由于人為的操作不當所致。另外，若焦末或鐵鱗預處理不善致使水份偏高，則較有可能造成海綿鐵表面結殼增加硬度，同時伴有夾生。

5、結束語

海綿鐵生產是整個還原鐵粉生產工藝中重要工序之一，其質量水平直接決定了二次還原過程及成品粉的各項技術性能要求。正確理解海綿鐵生產的基本原理、不斷探索新的生產工藝、及時總結不合格品的產生原因及解決措施，是保證海綿鐵生產穩定運行的有效途徑。