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1、【本章学习要点】本章学习铁矿石的分类及主要特性，高炉冶炼对铁矿石的要求，铁矿石冶炼前的准备和处理，焦碳在高炉炼铁中的作用和对焦碳的质量要求，烧结生产原料准备和烧结生产过程，球团矿生产等。第一节铁矿石及其分类一、矿物、矿石和岩石地 壳 中 的 化 学 元 素 经 过 各 种 地 质 作 用 ， 形 成 的 天 然 元 素和 天 然 化 合 物 称 为 矿 物 。 它 具 有较均一的化学成分和内部结晶构造，具有一定的物理性质和化学性质。矿石和岩石均由矿物所组成， 是矿物的集合体。 但是， 矿石是在目前的技术条件下能经济 合 理 地 从 中 提 取 金 属 、 金属 化 合 物 或 有 用 矿 物
2、的 物 质 。 因 此 矿 石 和 岩 石 的 概 念 是 相对 的。矿石又由有用矿物和脉石矿物所组成。 矿石中能够被利用的矿物为有用矿物， 目前尚不能利用的矿物为脉石矿物。二、铁矿石的分类及主要特性在自然界中， 金属状态的铁是极少见的， 一般都和其他元素结合成化合物。 现在已知道的 含 铁 矿 物 有 300 多 种 ，但 在 目 前 的 工 艺 条 件 及 技 术 水 平 下 能 够 用 作 炼 铁 原 料 的 只有 20 多 种 。 根据含铁矿物的主要性质， 按其矿物组成， 通常将铁矿石分为磁铁矿、 赤铁矿、 褐铁矿、 菱铁矿四种类型。1磁铁矿磁铁矿化学式为 Fe3O4，结构致密，晶粒细
3、小，黑色条痕。具有强磁性，含 S、 P 较高， 还原性差。2赤铁矿赤 铁 矿 化 学 式 为 Fe2O3， 条 痕 为 樱 红 色 ， 具 有 弱 磁 性 。含 S、 P 较 低 ， 易 破 碎 、 易 还 原。3褐铁矿褐 铁 矿 是 含 结 晶 水 的 氧 化 铁 ， 呈 褐 色 条 痕 ， 还 原 性 好 ，化 学 式 为 nFe2O3mH2O(n= 13，m=14)。褐铁矿中绝大部分含铁矿物是以 2Fe2O33H2O 的形式存在的。4菱铁矿菱铁矿化学式为 FeC03， 颜色为灰色带黄褐色。 菱铁矿经过焙烧， 分解出 C02气体， 含铁量即提高，矿石也变得疏松多孔，易破碎，还原性好。其含
4、S 低，含 P 较高。各种铁矿石的分类及其主要特性列于表 2-1。表 21铁矿石的分类及其特性第二节 高炉冶炼对铁矿石的要求铁矿石是高炉冶炼的主要原料， 其质量的好坏， 与冶炼进程及技术经济指标有极为密切的 关 系 。 决 定 铁 矿 石质量的主要因素是化学成分、物理性质及其冶金性能。高炉冶炼对铁矿石的要求是： 含铁量高， 脉石少， 有害杂质少，化学成分稳定， 粒度均匀， 良好的还原性及一定的机械强度等性能。一、铁矿石品位铁 矿 石 的 品 位 即 指 铁 矿 石 的 含 铁 量 ， 以 TFe 表 示 。品 位 是 评 价 铁 矿 石 质 量 的 主 要 指 标。 矿石有无开采价值，开采后能
5、否直接入炉冶炼及其冶炼价值如何， 均取决于矿石的含铁量。铁矿石含铁量高有利于降低焦比和提高产量。 根据生产经验， 矿石品位提高 1， 焦比降低 2， 产量提高3。 因为随着矿石品位的提高， 脉石数量减少， 熔剂用量和渣量也相应减少， 既节省热量消耗， 又有利于炉况顺行。 从矿山开采出来的矿石， 含铁量一般在 306 0 之间 。 品 位 较 高，经破碎筛分后可直接入炉冶炼的称为富矿。一般当实际含铁量大于理 论 含 铁 量 的 70 90时方可直接入炉。而品位较低，不能直接入炉的叫贫矿。贫矿必须经过选矿和造块后才能入炉冶炼。二、脉石成分铁 矿 石 的 脉 石 成 分 绝 大 多 数 为 酸 性
6、的 ， SiO2含 量 较 高 。在 现 代 高 炉 冶 炼 条 件 下 ， 为 了 得 到 一 定 碱 度 的 炉 渣 ， 就必 须 在 炉 料 中 配 加 一 定 数 量 的 碱 性 熔 剂 (石 灰 石 )与 Si02作 用 造 渣 。 铁矿石中 Si02含量愈高， 需加入的石灰石也愈多， 生成的渣量也愈多， 这样， 将使焦比升高，产量下降。所以要求铁矿石中含 Si02愈低愈好。脉 石 中 含 碱性氧化物(Ca0、MgO)较多的矿石，冶炼时可少加或不加石灰石，对降低焦比有利，具有较高的冶炼价值。三、有害杂质和有益元素的含量1有害杂质矿 石 中 的 有害杂质是指那些对冶炼有妨碍或使矿石冶炼
7、时不易获得优质产品的元素。主要有S、P、Pb、Zn、As、K、Na 等。(1)硫硫在矿石中主要以硫化物状态存在。硫的危害主要表现在：a.当 钢 中 的 含 硫 量 超 过 一 定 量 时 ， 会 使 钢 材 具 有 热脆 性 。 这 是 由 于 FeS 和 Fe 结 合 成 低 熔 点 (985 )合 金 ，冷 却 时 最 后 凝 固 成 薄 膜 状 ， 并 分 布 于 晶 粒 界 面 之 间 ， 当 钢材 被 加 热 到 11501200时，硫化物首先熔化，使钢材沿晶粒界面形成裂纹。b.对 铸 造 生 铁 ， 会 降 低 铁 水 的 流 动 性 ， 阻 止 Fe3C 分 解 ，使 铸 件 产
8、 生 气 孔 、 难 于 切 削 并 降 低其韧性。c.硫会显著地降低钢材的焊接性，抗腐蚀性和耐磨性。国 家 标 准 对 生 铁 的 含 硫 量 有 严 格 规 定 ， 炼 钢 生 铁 ，最 高 允 许 含 硫 质 量 分 数 不 能 超 过 0.07， 铸造铁不超过0.06。 虽然高炉冶炼可以去除大部分硫， 但需要高炉温、高炉渣碱度，对增铁节焦是不利的。因此矿石中的含硫质量分数必须小于 0.3。(2)磷磷 也 是 钢 材 的 有 害 成 分 。 以 Fe2P、 Fe3P 形 态 溶 于 铁 水 。因 为 磷 化 物 是 脆 性 物 质 ， 冷 凝 时 聚 集 于 钢 的 晶 界 周 围 ，
9、减弱 晶 粒 间 的 结 合 力 ， 使 钢 材 在 冷 却 时 产 生 很 大 的 脆 性 ， 从而 造 成 钢 的 冷 脆 现 象 。 由 于 磷 在 选 矿 和 烧 结 过 程 中 不 易 除去 ， 在 高 炉 冶 炼 中 又 几 乎 全 部 还 原 进 入 生铁。所以控制生铁含磷的惟一途径就是控制原料的含磷量。(3)铅和锌铅和锌常以方铅矿(PbS)和闪锌矿(ZnS)的形式存在于矿石中。在 高 炉 内 铅 是 易 还 原 元 素 ， 但 铅 又 不 溶 解 于 铁 水 ， 其密 度 大 于 铁 水 ， 所 以 还 原 出 来 的 铅 沉 积 于 炉 缸 铁 水 层 以 下 ，渗 入 砖
10、缝 破 坏 炉 底 砌 砖 ， 甚 至 使 炉 底 砌 砖 浮 起 。 铅 又 极 易挥 发 ， 在 高 炉 上 部 被 氧 化 成 PbO， 粘 附 于 炉 墙 上 ， 易 引 起结 瘤 。 一 般 要 求 矿 石 中 的 含 铅 质 量 分 数 低 于 0.1。高 炉 冶 炼 中 锌 全 部 被 还 原 ， 其 沸 点 低 (905 )， 不 熔 于铁 水 。 但 很 容 易 挥 发 ， 在 炉 内 又 被 氧 化 成 ZnO， 部 分 ZnO沉 积 在 炉 身 上 部 炉 墙 上 ， 形 成 炉 瘤 ， 部 分 渗 入 炉 衬 的 孔 隙和 砖 缝 中 ， 引起炉衬膨胀而破坏炉衬。矿石中
11、的含锌质量分数应小于 01。(4)砷 砷在矿石中含量较少。 与磷相似， 在高炉冶炼过程中全部被还原进入生铁， 钢中含砷也会使钢材产生“冷脆”现象，并降低钢材焊接性能。要求矿石中的含砷质量分数小于 007。(5)碱金属碱 金 属 主 要 指 钾 和 钠 。 一 般 以 硅 酸 盐 形 式 存 在 于 矿 石中 。 冶 炼 过 程 中 ， 在 高 炉 下 部 高 温 区 被 直 接 还 原 生 成 大 量碱 蒸 气 ， 随 煤 气 上 升 到 低 温 区 又 被 氧 化 成 碳 酸 盐 沉 积 在 炉料 和 炉 墙 上 ， 部 分 随 炉 料 下 降 ， 从 而 反 复 循 环 积 累 。 其 危
12、害 主 要 为 ： 与 炉 衬 作 用 生 成 钾 霞 石 (K2OA12O32SiO2)，体积膨胀 40而损坏炉衬； 与炉衬作用生成低熔点化合物，粘结在炉墙上， 易导 致 结 瘤 ； 与 焦 炭 中 的 碳 作 用 生 成 插 入式 化 合 物 (CK8、 CNa8)体 积 膨 胀 很 大 ， 破 坏 焦 炭 高 温 强度，从而影响高炉下部料柱透气性。因此要限制矿石中碱金属的含量。(6)铜铜 在 钢 材 中 具 有 两 重 性 ， 铜 易 还 原 并 进 入 生 铁 。 当 钢中 含 铜 质 量 分 数 小 于 0 3 时 能 改善钢材抗腐蚀性。 当超过 0.3时又会降低钢材的焊接性， 并引
13、起钢的 “热脆” 现象， 使轧制时产生裂纹。一般铁矿石允许含铜质量分数不超过 0.2。2有益元素矿 石 中 有 益 元 素 主 要 指 对 钢 铁 性 能 有 改 善 作 用 或 可 提 取的 元 素 。 如 锰 (Mn)、 铬 (Cr)、 钴 (Co)、 镍 (Ni)、 钒 (V)、 钛(Ti)等 。 当 这 些 元 素 达 到 一 定 含 量 时 ， 可 显 著 改 善 钢 的 可加工性， 强度和耐磨 、 耐热、 耐腐蚀等性能。 同时这些元素的经济价值很大， 当矿石中这些元素含量达到一定数量时，可视为复合矿石，加以综合利用。四、铁矿石的还原性铁 矿 石 的 还 原 性 是 指 铁 矿 石
14、被 还 原 性 气 体 C0 或 H2还原 的 难 易 程 度 。 它 是 一 项 评 价 铁矿石质量的重要指标。铁矿石的还原性好，有利于降低焦比。影响铁矿石还原的因素主要有矿物组成、 矿物结构的致密程度， 粒度和气孔率等。 一般磁铁矿因结构致密， 最难还原。 赤铁矿有中等的气孔率， 比较容易还原。 褐铁矿和菱铁矿容易 还 原 ， 因 为 这 两 种 矿 石 分 别 失 去 结 晶 水 和 去 掉CO2后 ， 矿 石 气 孔 率 增 加 。 烧 结 矿 和 球 团 矿的气孔率高，其还原性一般比天然富矿的还要好。五、矿石的粒度、机械强度和软化性矿石的粒度是指矿石颗粒的直径。它直接影响着炉料的透气
15、性和传热、传质条件。 通 常 ， 入 炉 矿 石 粒 度 在 5 35mm 之 间 ， 小 于 5mm 的 粉末 是 不 能 直 接 入 炉 的 。 确 定 矿 石 粒 度 必 须 兼 顾 高 炉 的 气 体力 学 和 传 热 、 传 质 几 方 面 的 因 素 。 在 有 良 好 透 气 性 和 强 度的 前 提 下，尽可能降低炉料粒度。铁 矿石的机械强度是指矿石耐冲击、抗摩擦、抗挤压的能力，力求强度要高一些为好。铁 矿 石 的 软 化 性 包 括 铁 矿 石 的 软 化 温 度 和 软 化 温 度 区间 两 个 方 面 。 软 化 温 度 是 指 铁 矿 石 在 一 定 的 荷 重 下 受
16、 热 开始 变 形 的 温 度 ； 软 化 温 度 区 间 是 指 矿 石 开 始 软 化 到 软 化 终了 的 温 度范围。高炉冶炼要求铁矿石的软化温度要高，软化温度区间要窄。六、铁矿石各项指标的稳定性铁 矿 石 的 各 项 理 化 指 标 保 持 相 对 稳 定 ， 才 能 最 大 限 度地 发 挥 生 产 效 率 。 在 前 述 各 项 指 标中， 矿石品位、 脉石成分与数量、 有害杂质含量的稳定性尤为重要。 高炉冶炼要求成分波动 范 围 :含 铁 原 料TFe0 5 l 0 ； (SiO2)0 2 0 3 ； 烧结 矿 的 碱度为00301。为了确保矿石成分的稳定，加强原料的整粒和混匀是非常必要的。第三节铁矿石冶炼前的准备和处理 从矿山开采出来的铁矿石， 无论是粒度还是化学成分都不能满足高炉冶炼的要求， 一般要经过破碎、筛分、混匀、
