炼铁中使用固体碳作还原剂存在值得商榷之问题

孙贤哲

摘 要：用碳还原铁的各级氧化物存在一个严重问题：用碳作还原剂不一定能最终得到铁，得到的却是铁的副产品——渗碳体

（Fe3C）。选用CO气体还原剂不仅能克服上述缺陷，还可以大大改善炼铁质量，大幅度提高炼铁的收得率。

关键词：炼铁；固体碳；还原剂

中图分类号：TF5 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）01-0058-02

Abstract： There is a serious problem in the reduction of iron oxides with carbon. Using carbon as the reducing agent， iron can not be obtained， but cementite （Fe3C）， a by-product of iron， can be obtained. The selection of CO gas reductant can not only overcome the above defects， but also greatly improve the quality of ironmaking and the yield of ironmaking.

Keywords： ironmaking； solid carbon； reductant

使用固体还原剂和气体还原剂对产物的影响大不一样：固体C作还原剂对产物铁有“污染”，碳与铁相互作用，结果生成渗碳体（Fe3C）；而气体CO作还原剂对产物铁不仅没有“污染”，而且有保护作用，同时对产物之中的CO2是气体对气体因而有一定的稀释作用。所以采用气体还原剂CO较固体碳，能更猛烈地促进还原反应的正向进行，从而大大提高炼铁的收得率。所以气体还原剂CO是炼铁的理想之选。不过，这之中也带来点新的负面问题值得注意：

产物有CO2气体又添还原剂气体，体系气体量猛增，致使铁液含气量升高（含气量高低要取决于混合气体CO2、CO在铁液中的溶解度以及CO2、CO混合气体所造成的分压）所以不可避免会有或多或少的气体滞留于铁液之中（成品时会有皮下气泡缺陷），因此，排气除气问题就显得尤为突出。对此，笔者认为，可通过改进冶炼方法，优化工艺设计加以有效解决：建议采用真空冶炼设备，同时辅之以精炼手段（搅拌而且要采用气体搅拌从而促进排气），如此就可以成功解决有效去气排气的问题。

一氧化碳CO不会使体系增碳，但铁液自身如果碳含量偏高，那么最终产物也不会是铁而是钢（即铁碳合金），所以脱碳也是必要手段。之所以能形成渗碳体（Fe3C），归根到底在于：铁和碳还是有一定的亲和力，在没有与碳亲和力强于铁的其他元素存在的前提下，就会形成渗碳体（Fe3C）。脱碳反应的实质就是利用与碳亲和力超过铁的元素作为脱碳剂从而实现脱碳。由于氧与碳亲和力远远超过铁，而且氧与碳结合生产的是气体（CO）从而有利于从铁液中排除，所以脱碳反应脱碳剂就是“非氧莫属”了。

即：渣中的FeO转移、扩散至铁液之中成为铁液中的FeO，铁液中的FeO发生分解反应，分解出铁Fe及氧O，分解出的氧又与铁液中的碳相互作用，最终生成一氧化碳气泡而上升排出。

脱碳反应使用脱碳剂，不可避免地又会造成体系中铁液氧含量的升高，于是又面临脱氧的现实问题（因为碳氧积一定，碳低则氧高）。此时，为了脱氧而使用碳作脱氧剂那就不合时宜了。

在此之前，作为预备，笔者不妨就相关问题做一番疏理，以利于后继问题的讨论。

关于“完全燃烧”与“不完全燃烧”之问题：“燃烧得很猛烈，那一定是完全燃烧！”这是对完全燃烧的一个感性认识。“不起火苗、有浓烟、光亮能见度低，则一定是不完全燃烧。”这是对不完全燃燒的感性认识。两者的反应机理如下：

燃烧反应究竟向何处去，取决于温度和氧势。完全燃烧是放热反应，所以低温有利（但并不是温度越低越好，温度过低影响燃烧反应的界面传质，因而反应的动力学条件将受到限制，所以温度再低也要高于燃点），同时氧浓度（即氧势）要高。

不完全燃烧是吸热反应，所以要高温操作，这样更有利于不完全燃烧的顺行。同时氧势要控制为低氧势。“高温、低氧”就是不完全燃烧反应的热力学条件。

但在实际燃烧中以粗略分析、大致判断即能有所把握：

起火苗、显亮光、火势旺就是完全燃烧的迹象；浓烟重、不起火苗、亮光能见度低则是不充分燃烧的迹象。在野外富氧区有利于完全燃烧，而在高原贫氧带则更有利于一氧化碳气体的生产。

当燃烧反应处于低温阶段（通常认为低于850℃），完全燃烧则是主反应式，其燃烧产物就是二氧化碳CO2居多；当反应处于高温（通常认为高于850℃），不充分燃烧就是主反应式，因而燃烧产物则是一氧化碳CO居多。

关于二氧化碳、一氧化碳产物的分辨：

（1）一氧化碳是可燃气体，而二氧化碳则不能被氧化。

（2）一氧化碳有毒而二氧化碳无毒。一氧化碳有毒足以致人而死，二氧化碳无毒，但非常排斥氧的存在，容易造成缺氧而窒息。

（3）从分子量分析、比较可推知：二氧化碳气体密度较之一氧化碳密度大故易下沉，一氧化碳相对密度小故易上浮。二氧化碳、一氧化碳相混合，终态稳定之时一定要发生分层现象，不会形成混合物的“均相”体系。

关于一氧化碳还原剂的制取问题：

有一条最基本的途径是利用碳的气化反应制取。

碳气化反应因有高温需要，所以孤立地看也存在补热的热源问题尚待落实。因此也需要与完全燃烧相匹配，如此，碳气化反应才能发挥其应有的功效。

注意到前式生成物二氧化碳CO2恰是后式反应物其中的一项，所以完全燃烧与碳气化是耦合关系。这正说明完全燃烧之于碳气化反应是不可或缺、无可替代的，前者要为后者提供热源而且是高温热源，还要为后者提供反应的物质基础：碳气化反应所需要的固体碳“气化剂”。所以完全燃烧对碳气化反应来说就是“雪中送碳”，是碳气化反应赖以存在的条件。通过完全燃烧可以积累热效应，从而提高温度，进而为碳气化反应提供高温热源，这是其一；完全燃烧的产物二氧化碳CO2，虽是非目标但它却是碳气化反应中固体碳的“气化剂”。所以碳气化反应要与完全燃烧反应相匹配而存在、相藕合而有意义。

综上分析，得知利用碳气化反应制取一氧化碳的具体工艺：低温阶段（通常认为850℃以下）充分利用完全燃烧不断积累热效应，从而提升温度，进而为碳气化反应的顺行提供高温热源保障。与此同时也生产出碳气化反应所需要的固体碳“气化剂”（二氧化碳CO2）；高温时（通常认为850℃以上），碳气化反应则相继发生，从而完成了一氧化碳（CO）的制取任务。

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