1、铁冶金学铁冶金学现代炼铁方法现代炼铁方法 v现代炼铁方法分为:高炉炼铁法即以焦炭为能源基础的传统炼铁方法。它与转炉炼钢相配合，是目前生产钢铁的主要方法。高炉炼铁的这种主导地位预计在相当长时期之内不会改变。由于高炉炼铁受能源焦炭的限制，在一些缺乏焦煤资源的国家和地区，经过长期的研制和实践，也逐步形成了不同形式的非高炉炼铁法。传统的高炉转炉炼钢流程，工艺成熟，可大规模生产，是现代钢铁生产的主要形式。现代钢铁生产的一般流程现代炼铁方法现代炼铁方法 v现代炼铁方法分为:非高炉炼铁法 非高炉炼铁法，泛指高炉以外，不用焦炭，用煤、燃油、天然气、电为能源基础的一切其它炼铁方法。例如直接还原法，主要是指在冶炼
2、过程中，炉料始终保持固体状态而不熔化，产品为多孔状海绵铁或金属化球团的方法。熔融还原法是用高品位铁精矿粉（经预还原）在高温熔融状态下直接还原冶炼钢铁的一种新工艺。新兴的直接还原电炉炼钢流程，规模较小，目前还正在发展，是钢铁生产的重要补充。第一章第一章 现代高炉炼铁工艺现代高炉炼铁工艺v1.1 高炉炼铁生产流程高炉炼铁生产流程v1.2 高炉本体及主要构成高炉本体及主要构成1.1 高炉炼铁生产流程高炉炼铁生产流程v高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料的铁，从氧化物或矿物状态（如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4TiO2等）还原为液态生铁。v
3、冶炼过程中，炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。从下部风口鼓入的高温热风与焦炭发生反应，产生的高温还原性煤气上升，并使炉料加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁聚集于炉缸，周期地从高炉排出。上升过程中，煤气流温度不断降低，成分逐渐变化，最后形成高炉煤气从炉顶排出。1.1 高炉炼铁生产流程高炉炼铁生产流程v高炉炼铁生产非常复杂，除了高炉本体以外，还包括有原燃料系统、上料系统、送风系统、原燃料系统、上料系统、送风系统、渣铁处理系统、煤气处理系统渣铁处理系统、煤气处理系统。通常，辅助系统的建设投资是高炉本体的45倍。生产中，各个系统互
4、相配合、互相制约，形成一个连续的、大规模的高温生产过程。高炉开炉之后，整个系统必须日以继夜地连续生产，除了计划检修和特殊事故暂时休风外，一般要到一代寿命终了时才停炉。1.2 高炉本体及主要构成高炉本体及主要构成v密闭的高炉本体是冶炼生铁的主体设备。它是由耐火材料砌筑成竖式圆筒形，外有钢板炉壳加固密封，内嵌冷却设备保护（图1-2）。v高炉内部工作空间的形状称为高炉内型。高炉内型从下往上分为炉缸、炉腹、炉腰、炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉炉身和炉喉五个部分，该容积总和为它的有有效容积效容积，反映高炉所具备的生产能力。1.2 高炉本体及主要构成高炉本体及主要构成v1.2.1 高炉内衬高炉内衬v高炉内耐
5、火材料砌筑的实体称为高炉内衬，其作用是形成高炉工作空间。由于高炉冶炼过程温度高且有复杂的物理化学反应发生，炉衬在冶炼过程中将受到侵蚀和破坏。炉衬被侵蚀到一定程度，就需要采取措施修补。停炉大修便是高炉一代寿命的终止。v通常，高炉炉衬以陶瓷质材料（包括粘土质和高铝质等）和炭质材料（炭砖、炭捣石墨等）砌筑。1.2 高炉本体及主要构成高炉本体及主要构成v1.2.1 高炉内衬高炉内衬v对高炉内衬的基本要求如下：1）各部位内衬与热流强度相适应，以保持在强热流冲击下内衬的稳定性。2）炉衬的侵蚀和破坏与冶炼条件密切相关，不同位置的耐火材料受侵蚀破坏机理不同，因此要求各部位内衬与侵蚀破损机理相适应，以延缓内衬破
6、损速度。1.2 高炉本体及主要构成高炉本体及主要构成v1.2.2 高炉冷却设备高炉冷却设备v温度是影响高炉炉衬侵蚀程度的主要因素之一，炉衬的温度状态是炉衬破损的主要原因。因此，采用合适的冷却设备，维持高炉炉衬在一定温度下工作，可使其不失去强度，维持炉型。使用冷却设备还可保护炉壳及各种钢结构，使其不因受热变形而破坏。在某些部位还可形成渣皮，保护炉衬代替炉衬工作。1.2 高炉本体及主要构成高炉本体及主要构成v1.2.2 高炉冷却设备高炉冷却设备v炉衬冷却是将通有冷却介质的金属冷却器件插入砌体或置于砌体外缘表面，由冷却介质将进入炉衬的热量带走，从而使输入和输出炉衬的热流平衡，保持炉衬工作表面稳定。v
7、由于高炉各部位热负荷不同，加上结构上的要求，高炉冷却设备有冷却壁、冷却水箱、外部喷水冷却、水冷炉底等多种形式和方法。1.2 高炉本体及主要构成高炉本体及主要构成v1.2.3 高炉内主要高炉内主要区域区域v将正在运行中的高炉突然停炉并进行解剖分析，结构表明，根据物料存在形态的不同，可将高炉划分为五个区域：块状带、软熔块状带、软熔带、滴落带、风口带、滴落带、风口前回旋区、渣体聚前回旋区、渣体聚集区集区（图1-3）。1.2 高炉本体及主要构成高炉本体及主要构成v各区内进行的主要反应及特征分别为：v块状带块状带：炉料中水分蒸发及受热分解，铁矿石还原，炉料与煤气热交换；焦炭与矿石层状交替分布，呈固体状态
8、；以气固相反应为主。v软熔带软熔带：炉料在该区域软化，在下部边界开始熔融滴落；主要进行直接还原反应，初渣形成。1.2 高炉本体及主要构成高炉本体及主要构成v滴落带滴落带：滴落的液态渣铁与煤气及固体碳之间进行多种复杂的化学反应。v回旋区回旋区：喷入的燃料与热风发生燃烧反应，产生高热煤气，是炉内温度最高的区域。v渣铁聚集区渣铁聚集区：在渣铁层间的交界面及铁滴穿过渣层时发生渣金反应。1.3 高炉冶炼产品高炉冶炼产品v高炉冶炼的主要产品是生铁。炉渣和高炉煤气为副产品。v一、生铁一、生铁v生铁可分为炼钢生铁、铸造生铁。炼钢生铁供转炉、电炉炼钢使用。铸造生铁则主要用于生产耐压铸件。v生铁是Fe与C及其它一
9、些元素的合金。通常，生铁含Fe 94%左右，C 4%左右。其余为Si、Mn、P、S等少量元素。1.3 高炉冶炼产品高炉冶炼产品v一般来说，生铁和钢的化学成分主要差别是含碳含碳量量。钢中含碳量最高不超过2.11%。高炉生铁含碳量在2.54.5%范围，铸铁中不超过5.0%（此时Fe3C含量约占75%，当铸铁中Fe3C达100%时，其含碳量为6.67%）。当铸铁中C5.0%时，铸铁甚脆，没有实用价值。而含碳量在1.62.5%之间的钢铁材料，由于缺乏实用性，一般不进行工业生产。1.3 高炉冶炼产品高炉冶炼产品v炼钢生铁作为转炉热装炼钢的原料，约占生铁产量的8090%。铸造生铁，又称为翻砂铁或灰口铁，用
10、于铸件生产。其主要特点是含硅较高，在1.254.25%之间。硅在生铁中能促进石墨化，即使化合碳游离成石墨碳，增强铸件的韧性和耐冲击性并易于切削加工。铸造生铁约占生铁产量的10%左右。v高炉还可生产特殊生铁，如锰铁、硅铁、镜铁（含1025%Mn）、硅镜铁（含913%Si，1824%Mn）等，主要用作炼钢脱氧剂和合金化剂。1.3 高炉冶炼产品高炉冶炼产品v此外，生铁中还可能含有部分微量元素。生铁中微量元素含量常以T为指标：vT=Pb+Sn+Sb+As+Ti+V+Cr+Znv含微量元素很低的“高纯生铁”T0.1%。国内外适宜生产高纯生铁的矿源稀少。我国本钢生铁素有“人参铁”之称。它除P、S极低外，微
11、量元素亦很低。其T0.08%，属国际高纯生铁范畴。1.3 高炉冶炼产品高炉冶炼产品v二、高炉渣二、高炉渣v由于冶炼矿石品位、焦比及焦炭灰分的不同，我国大中型高炉的单位生铁渣量在0.30.5t之间。高炉渣主要成分是Ca、Mg、Si、Al的氧化物，其工业用途广泛。如在炉前急冷粒化成水渣，作成水泥和建筑材料；酸性渣还可在炉前用蒸汽吹成渣棉，作绝热材料。v冶炼多元素共生的复合矿时，炉渣中常富集有多种元素（如稀土、钛等）。这类炉渣可进一步利用。1.3 高炉冶炼产品高炉冶炼产品v三、高炉煤气三、高炉煤气v冶炼每吨生铁可产生16003000m3的高炉煤气，其中含有约20%25%的CO，13%的H2，还有少量
12、甲烷（CH4）等可燃气体。从高炉排出的煤气中含有大量的炉料粉尘，经过除尘处理可使含尘量降到1020mg/m3。除尘处理后的高炉煤气发热值约为33503770kJ/m3，是良好的气体燃料。但高炉冶炼产生的煤气量、成分及发热值与高炉操作参数及产品种类有关。如高炉冶炼铁合金时煤气中几乎没有CO2。v高炉煤气是钢铁联合企业的重要二次能源，主要用作热风炉燃料，还可供动力、炼焦、烧结、炼钢、轧钢等部门使用。1.4 高炉技术经济指标高炉技术经济指标 v高炉生产的技术水平和经济效果可用如下技术经济指标来衡量：v1.有效容积利用系数v式中：vP生铁日产量，vt/d；高炉有效容积，m3；1.4 高炉技术经济指标高
13、炉技术经济指标 v可见，利用系数愈大，生铁产量愈高，高炉的生产率也就愈高。P(生铁日产量)和都是生产率指标。对一定容积的高炉，随P成正比地增加。对不同容积高炉，P无可比性，而可比。v目前世界主要产铁国家年平均高炉有效容积利用系数为2.32.8t/(m3d)，先进高炉达3t/(m3d)以上。我国首钢1号高炉在2004年取得了平均利用系数突破了4.2t/(m3d)的世界先进水平。1.4 高炉技术经济指标高炉技术经济指标 v2.焦比（K）是生产1吨生铁所消耗的焦炭重量。显然，焦比愈低愈好。v式中：Q每日消耗焦炭量，kg/d。v在喷吹燃料时，高炉的的能耗情况用燃料比（燃料比（K燃）燃）表示，即每吨生铁
14、耗用各种入炉燃料之总和。vK燃（焦炭+煤粉+重油+）kg/t1.4 高炉技术经济指标高炉技术经济指标 v喷吹燃料按对置换比折算为相应的干焦（K）与实际耗用的焦炭量（焦比K）之和称为综合焦比综合焦比（K综）综）。vK综（K+K）kg/tv近年来平均一般在400kg/t以下，燃料比一般在450kg/t左右。宝钢高炉（三座高炉平均）保持在500kg/t以下的燃料比，2003年的平均值492.5Kg/t。1.4 高炉技术经济指标高炉技术经济指标 v3.冶炼强度（I）每m3高炉有效容积每天消耗焦炭的重量。v它是标志高炉强化程度的指标之一。目前，国内外高炉冶炼强度的数值，一般约在1.51.8t/（m3d）
15、。在喷吹燃料条件下，相应有综合冶炼强度（I综），即不仅计算消耗的焦炭量，还应将喷吹的燃料按置换比折合成相当的焦炭量一起计算。1.4 高炉技术经济指标高炉技术经济指标 v利用系数、焦比和冶炼强度三者之间的关系为：vvv可见，利用系数与冶炼强度I成正比，与焦比K成反比，要提高利用系数，强化高炉生产，应从降低焦比和提高冶炼强度两方面考虑。在当前能源紧张的情况下，首先应考虑降低焦比（燃料比）。1.4 高炉技术经济指标高炉技术经济指标 v4.生铁合格率生铁合格率 合格生铁量占高炉总产量的百分数。此外，优质生铁占生铁总量的百分数称为优质率。合格率和优质率都是生铁质量指标。对生铁质量的考查主要看其化学成分（
16、如S和Si）是否符合国家标准。v5.休风率休风率 高炉休风时间占规定作业时间的百分数。降低休风率是增产节约的重要途径，我国现今高炉休风率已降到1%以下。1.4 高炉技术经济指标高炉技术经济指标 v6.生铁成本生铁成本 生产1吨生铁所需的费用。它是衡量高炉生产经济效益的重要指标。成本愈低，经济效益愈高，说明高炉生产效果愈好。v7.高炉一代寿命（炉龄）高炉一代寿命（炉龄）从高炉点火开炉到停炉大修之间的历程，或高炉相邻两次大修之间的冶炼时间叫做高炉一代寿命。寿命愈长，则一代炉龄产铁量愈高，各项耗费相对愈少，经济效果愈好。一般大高炉的一代寿命在10年左右，有的高达18年。v衡量炉龄的另一个指标是每m3
17、炉容在一代炉龄期内的累计产铁量。先进高炉平均达5000t/m3，我国宝钢2号高炉已接近10000 t/m3。1.5 高炉炼铁原料和燃料高炉炼铁原料和燃料v原料是高炉冶炼的物质基础，其质量对冶炼过程及冶炼效果影响极大。目前，炼铁的发展趋势之一就是采用精料。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v一、矿石和脉石一、矿石和脉石v矿石是矿物的集合体。但是，在当前科学技术条件下，能从中经济合理地提炼出金属来的矿物才称为矿石。矿石的概念是相对的。例如铁元素广泛地、程度不同地分布在地壳的岩石和土壤中，有的比较集中，形成天然的富铁矿，可以直接利用来炼铁，堪称矿石；有的比较分散，形成贫铁矿，用于冶炼既困难
18、又不经济。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v一、矿石和脉石一、矿石和脉石v随着选矿和冶炼技术的发展，矿石的来源和范围不断扩大。如含铁较低的贫矿，经过富选也可用来炼铁；过去认为不能冶炼的攀枝花钒钛磁铁矿，已成为重要的炼铁原料。v矿石中除了用来提取金属的有用矿物外，还含有一些工业上没有提炼价值的矿物或岩石，统称为脉石。对冶炼不利的脉石矿物，应在选矿和其它处理过程中尽量去除。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v二、天然铁矿石的分类及特征二、天然铁矿石的分类及特征v天然铁矿石按其主要矿物分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等几种，主要矿物组成及特征见表2-1。表表2-1 常见铁（锰
19、）矿石的组成及特征常见铁（锰）矿石的组成及特征1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v赤铁矿赤铁矿 又称红矿又称红矿，其主要含铁矿物为Fe2O3，其中铁占70%，氧占30%，常温下无磁性。但Fe2O3有两种晶形，一为-Fe2O3，一为-Fe2O3，在一定温度下，当-Fe2O3转变为-Fe2O3时，便具有了磁性。v色泽为赤褐色到暗红色，v由于其硫、磷含量低，还原性较磁铁矿好，是优良原料。v赤铁矿的熔融温度为：15801640。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v磁铁矿磁铁矿 主要含铁矿物为Fe3O4，具有磁性。其化学组成可视为Fe2O3FeO，其中FeO=30%，Fe2O3=69
20、%；TFe=72.4%，O=27.6%。磁铁矿颜色为灰色或黑色，由于其结晶结构致密，所以还原性比其它铁矿差。磁铁矿的熔融温度为：15001580。这种矿物与TiO2和V2O5共生，叫钒钛磁铁矿；只与TiO2共生的叫钛磁铁矿，其它常见混入元素还有Ni、Cr、Co等。在自然界中纯磁铁矿很少见，常常由于地表氧化作用使部分磁铁矿氧化转变为半假象赤铁矿和假象赤铁矿。所谓假象就是Fe3O4虽然氧化成Fe2O3，但它仍保留原来磁铁矿的外形。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v在自然界中纯磁铁矿很少见，常常由于地表氧化作用使部分磁铁矿氧化转变为半假象赤铁矿和假象赤铁矿。所谓假象就是Fe3O4虽然氧化
21、成Fe2O3，但它仍保留原来磁铁矿的外形。它们一般可用TFe/FeO的比值来区分：vTFe/FeO=2.33为纯磁铁矿石为纯磁铁矿石vTFe/FeO7.0为假象赤铁矿石为假象赤铁矿石v式中，TFe矿石中的总含铁量（%），又称全铁；FeO矿石中的FeO含量（%）。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v褐铁矿褐铁矿 通常指含水氧化铁的总称。v如3Fe2O34H2O称为水针铁矿；2Fe2O33H2O才称褐铁矿。这类矿石一般含铁较低，但经过焙烧去除结晶水后，含铁量显著上升。颜色为浅褐色、深褐色或黑色，硫、磷、砷等有害杂质一般多。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v菱铁矿菱铁矿 又称碳
22、酸铁矿石又称碳酸铁矿石，因其晶体为菱面体而得名。颜色为灰色、浅黄色、褐色。其化学组成为FeCO3，亦可写成FeOCO2，其中FeO=62.1%，CO2=37.9%。常混入Mg、Mn等的矿物。一般含铁较低，但若受热分解放出CO2后品位显著升高，而且组织变得更为疏松，很易还原。所以使用这种矿石一般要先经焙烧处理。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v三、铁矿石质量评价三、铁矿石质量评价v铁矿石质量直接影响高炉冶炼效果，必须严格要求。通常从以下几方面评价：1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v1.矿石品位矿石品位v品位即铁矿石的含铁量，它决定着矿石的开采价值和入炉前的处理工艺。入炉品
23、位愈高，愈有利于降低焦比和提高产量，从而提高经济效益。经验表明，若矿石含铁量提高1%，则焦比降低%，产量增加3%。因为品位提高，意味着酸性脉石大幅度减少，冶炼时可少加石灰石造渣，因而渣量大大减少，既节省热量，又促进炉况顺行。例如鞍山地区的酸性贫铁矿，含铁30%，SiO2 50%，富选后精矿品位达到60%，SiO2降低到14%；含铁量提高一倍，SiO2降低近3/4。而生产1t生铁的渣量和熔剂用量减少到原来的1/8。可见提高品位对冶炼的影响是很大的。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v矿石的贫富一般以其理论含铁量的70%来评估。实际含铁量超过理论含铁量的70%称富矿。但这并不是绝对固定的
24、标准。因为它还与矿石的脉石成分、杂质含量和矿石类型等因素有关。如对褐铁矿、菱铁矿和碱性脉石矿含铁量的要求可适当放宽。因褐、菱铁矿受热分解出H2O和CO2后品位会提高。碱性脉石矿含CaO高，冶炼时可少加或不加石灰石，其品位应按扣去CaO的含铁量来评价。vTFe原矿含铁量，%；CaO原矿CaO含量，%1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v2脉石成分脉石成分v脉石中含有碱性脉石，如CaO、MgO；有酸性脉石，如SiO2、Al2O3。一般铁矿石含酸性脉石者居多，即其中SiO2高，需加入相当数量的石灰石造成碱度（CaO/SiO2）为1.0左右的炉渣，以满足冶炼工艺的需求。因此希望酸性脉石含量愈少
25、愈好。而含CaO高的碱性脉石则具有较高的冶炼价值。如某铁矿成分（%）为Fe 45.30，CaO 10.05，MgO 3.34，SiO2 11.20。自然碱度（CaO/SiO2）=0.9，（CaO+MgO）/SiO2=1.2，接近炉渣碱度的正常范围，属自熔性富矿。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v若考虑MgO则为52.3。脉石中的MgO还有改善炉渣性能的作用，但这类矿石不多见。脉石中的Al2O3含量也应控制，若Al2O3含量过高，使炉渣中Al2O3浓度超过2225%时，炉渣难熔而不易流动，使冶炼造成困难。印度塔塔钢铁公司（TISCO）矿石中Al2O3高，炉渣中Al2O3含量高达25%
26、左右，因此采取提高MgO的含量来解决炉渣流动性的问题 1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v3有害杂质和有益元素的含量有害杂质和有益元素的含量v有害杂质通常指S、P、Pb、Zn、As等，它们的含量愈低愈好。Cu有时为害，有时为益，视具体情况而定。表2-2 为入炉铁矿石有害杂质的界限含量。v 表2-2 入炉铁矿石有害杂质的界限含量（%）1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v硫硫是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热脆性。v所谓“热脆热脆”就是S几乎不熔于固态铁而与铁形成FeS，而FeS与Fe形成的共晶体熔点为988，低于钢材热加工的开始温度（11501200）。热加工时，分布于晶界
27、的共晶体先行熔化而导致开裂。因此矿石含硫愈低愈好。国家标准规定生铁中S0.07%，优质生铁S0.03%，就是要严格控制钢中硫含量。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v高炉炼铁过程可去除90%以上的硫。但脱硫需要提高炉渣碱度，渣量增加，导致焦比增加而产量降低。根据鞍钢经验，矿石中含硫每增加0.1，焦比升高5%。一般规定矿石中S0.06%为一级矿，S0.2%为一级矿，S0.3%为高硫矿。对于高硫矿石，可以通过选矿和烧结的方法降低含硫量。v硫可改善钢材的切削加工性能，在易切削钢中，S可达0.150.3%。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。v
28、磷能溶于-Fe中（可达1.2%），固溶并富集在晶粒边界的磷原子使铁素体在晶粒间的强度大大增高，从而使钢材的室温强度提高而脆性增加，称为冷脆。磷在钢的结晶过程中容易偏析，而又很难用热处理的方法来消除，亦使钢材冷脆的危险性增加。但含磷铁水的流动性好，充填性好，对制造畸形复杂铸件有利。磷亦可改善钢材的切削性能，故在易切削钢中磷含量可达0.080.15%。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。v矿石中的磷在选矿和烧结过程中不易除去，在高矿石中的磷在选矿和烧结过程中不易除去，在高炉冶炼过程磷几乎全部进入生铁。因此，生铁含炉冶炼过程磷几乎全部进入生铁。因此，生
29、铁含磷量决定于矿石含磷量，要求铁矿石含磷愈低愈磷量决定于矿石含磷量，要求铁矿石含磷愈低愈好。好。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v铅（Pb）、锌（Zn）和砷（As）v在高炉内都易还原。Pb不溶于Fe而密度又比Fe大，还原后沉积于炉底，破坏性很大。Pb在1750时沸腾，挥发的铅蒸气在炉内循环能形成炉瘤。Zn还原后在高温区以Zn蒸气大量挥发上升，部分以ZnO沉积于炉墙，使炉墙胀裂并形成炉瘤。As可全部还原进入生铁，它可降低钢材的焊接性并使之“冷脆”。生铁含As量应小于1%，优质生铁不应含As。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v铅（铅（Pb）、锌（）、锌（Zn）和砷（）和砷（
30、As）v铁矿石中的铅、锌、砷常以硫化物形态存在，如方 铅 矿（P b S）、闪 锌 矿（Z n S）、毒 砂（FeAsS）。烧结过程中很难排除铅、锌，因此要求含量越低越好。一般要求含铅、锌不应超过0.1%。含铅高的铁矿石可以通过氯化焙烧和浮选方法使铅铁分离。含锌高的矿石不能单独直接冶炼，应该与含锌少的矿石混合使用，或进行焙烧、选矿等处理，降低铁矿石中的含锌量。烧结过程中能部分去除矿石中的砷，可以采用氯化焙烧方法排除。通常要求，铁矿石含砷不超过0.07%1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v铜铜v在钢中若不超过0.3%可增加钢材抗蚀性，超过0.3%时，则降低其焊接性，并有热脆现象。铜在烧
31、结中一般不能去除，在高炉中又全部还原进入生铁。故钢铁含铜量决定于原料含铜量。一般铁矿石允许含铜量不超过0.2%。对于一些难选的高铜氧化矿，可采用氯化焙烧法回收铜，同时可炼高铜（Cu1.0%）铸造生铁，它具有很好的机械性能和耐腐蚀性能。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v此外，一些铁矿石还含有碱金属钾、钠碱金属钾、钠，它们在高炉下部高温区大部分被还原后挥发，到上部又氧化而进入炉料中，造成循环累积，使炉墙结瘤。因此要求矿石中含碱金属量必须严格控制。我国普通高炉碱金属（K2O+Na2O）入炉量限制为57kg/tFe，国外高炉碱金属（K2O+Na2O）入炉限制量为低于3.5kg/tFe。1.
32、5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v氟v在冶炼过程中以CaF2形态进入渣中。CaF2能降低炉渣的熔点，增加炉渣流动性，当铁矿石中含氟高时，炉渣在高炉内过早形成，不利于矿石还原。矿石中含氟不超过1%时对冶炼无影响，当含量达到4%5%时需要注意控制炉渣的流动性。采外，高温下氟挥发对耐火材料和金属构件有一定的腐蚀作用。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v铁矿石中常共生有Mn、Cr、Ni、Co、V、Ti、Mo；包头白云鄂博铁矿还含有Nb、Ta及稀土元素Ce、La等。这些元素有改善钢铁性能的作用，故称有益元素。v当它们在矿石中的含量（%）达到一定数值时，如Mn5、Cr0.06、Ni0.2
33、，Co0.03，V0.10.15，Mo0.3，Cu0.3，则称为复合矿复合矿石，经济价值很大，应考虑综合利用石，经济价值很大，应考虑综合利用。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v对于铁矿石中一些有害杂质，如果含量较高，如Pb0.5，Zn0.7，Sn0.2时，应视为复合矿石综合利用。因为这些杂质本身也是重要的金属。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v4矿石的粒度和强度矿石的粒度和强度v入炉铁矿石应具有适宜的粒度和足够的强度。粒度过大会减少煤气与铁矿石的接触面积，使铁矿石不易还原；过小则增加气流阻力，同时易吹出炉外形成炉尘损失；粒度大小不均，则严重影响料柱透气性。因此，大块应破
34、碎，粉末应筛除，粒度应适宜而均匀。一般要求矿石粒度在540mm范围，并力求缩小上下限粒度差。v铁矿石的强度是指铁矿石耐冲击、摩擦的强弱程度。随着高炉容积不断扩大，入炉铁矿石的强度也要相应提高。否则易生成粉末、碎块，一方面增加炉尘损失，另一方面使高炉料柱透气性变坏，引起炉况不顺。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v5铁矿石的还原性铁矿石的还原性v铁矿石还原性是指铁矿石被还原性气体CO或H2还原的难易程度，是评价铁矿石质量的重要指标。还原性愈好，愈有利于降低焦比，提高产量。改善矿石还原性（或采用易还原矿石）是强化高炉冶炼的重要措施之一。v影响铁矿石还原性的因素主要有矿物组成、矿石结构的致
35、密程度、粒度和气孔率等。1.5.1 铁矿石分类及特性铁矿石分类及特性v6矿石化学成分的稳定性矿石化学成分的稳定性v铁矿石成分的波动会引起炉温、炉渣碱度和性质以及生铁质量的波动，造成炉况不顺，使焦比升高，产量下降。同时，炉况的频繁波动使高炉自动控制难以实现，因此，国内外都严格控制炉料成分的波动范围。稳定矿石成分的有效方法是对矿石进行混匀处理。1.5.2 铁矿石的准备处理铁矿石的准备处理v根据上述质量要求，一般的铁矿石很难完全满足要求，须在入炉前进行必要的准备处理。v对天然富矿（如含Fe50%以上），须经破碎、筛分，获得合适而均匀的粒度。对于褐铁矿、菱铁矿和致密磁铁矿还应进行焙烧处理，以去除其结晶
36、水和CO2，提高品位，疏松其组织，改善还原性，提高冶炼效果。v对贫铁矿的处理要复杂得多。一般都必须经过破碎、筛分、细磨、精选，得到含铁60%以上的精矿粉，经混匀后进行造块，变成人造富矿，再按高炉粒度要求进行适当破碎，筛分后入炉。1.5.2 铁矿石的准备处理铁矿石的准备处理v由于天然富矿资源有限，而其冶金性能又不如人造富矿优越，所以绝大多数现代高炉都用人造富矿，或大部分用人造富矿、兑加少数天然富矿冶炼。在这种情况下，钢铁厂便兼有人造富矿和天然富矿两种处理流程。1.5.2 铁矿石的准备处理铁矿石的准备处理v一、破碎筛分一、破碎筛分v破碎和筛分是铁矿石准备处理工作中的基本环节，通过破碎和筛分使铁矿石
37、的粒度达到“小、匀、净”的标准。对贫矿而言，破碎使铁矿物与脉石单体分离，以便选矿。铁矿物嵌布愈细密，破碎粒度要求愈细。v破碎的常要设备有：颚式、锥式、辊式破碎机，球磨机和棒磨机。筛分的常用设备有固定条筛、圆筒筛、振动筛等。1.5.2 铁矿石的准备处理铁矿石的准备处理v三、焙烧三、焙烧v焙烧是在适当的气氛中，使铁矿石加热到低于其熔点的温度，在固态下发生的物理化学过程。例如，氧化焙烧就是在空气充足的氧化性气氛中进行，以保证燃料完全燃烧和矿石的氧化。多用于去除CO2、H2O和S（碳酸盐和结晶水分解，硫化物氧化），使致密矿石的组织变得疏松，易于还原。v菱铁矿的焙烧：在500900之间按下式分解：v4F
38、eCO3+O2=Fe2O3+2CO2v褐铁矿的脱水：在250500之间发生下述反应：v2Fe2O33H2O=2Fe2O3+3H2O1.5.2 铁矿石的准备处理铁矿石的准备处理v氧化焙烧还可是矿石中的硫氧化：v3FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2v还原焙烧则是在还原气氛中进行，主要目的是使贫赤铁矿中的Fe2O3转变为具有磁性的Fe3O4，以便磁选。v2Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2v2Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2Ov氯化焙烧则是为了回收赤铁矿中的有色金属如Zn、Cu、Sn等，或去除其他有害杂质。1.5.2 铁矿石的准备处理铁矿石的准备处理v四、选矿四、选矿v选矿是依据矿石的性
39、质，采用适当的方法，把有用矿物和脉石机械地分开，从而使有用矿物富集的过程。通过选矿可使矿石品位提高，去除部分有害杂质（如硫等），回收复合矿中的一些有用元素（如钒、铬等），使贫矿资源得到有效利用。1.5.2 铁矿石的准备处理铁矿石的准备处理v四、选矿四、选矿v通过选矿获得的有用矿物富集品称为精矿，如铁精矿、铁钒精矿等；而主要由脉石组成的其余部分叫尾矿，一般废弃。在一些复合铁矿石中，常用一些有用元素富集于尾矿中（如钒钛磁铁矿中的钛，包头矿中的稀土元素等），必须将它们进一步精选出来。有用矿物含量介于精矿和尾矿之间的中间产品叫做中矿，亦须进一步选分，以提高金属回收率。1.5.2 铁矿石的准备处理铁矿石
40、的准备处理v现代常用于精选铁矿石的方法重要有三种：现代常用于精选铁矿石的方法重要有三种：v（1）重选 利用含铁矿物和脉石密度的差异来选别。当两者粒度相近而在介质中沉落时，则密度大的含铁矿物将迅速沉降而与脉石分开。常用的介质为水。有时还用比重大于水的液体作介质，称为重液选。1.5.2 铁矿石的准备处理铁矿石的准备处理v现代常用于精选铁矿石的方法重要有三种：现代常用于精选铁矿石的方法重要有三种：v（2）磁选）磁选 利用有用矿物和脉石导磁性不同的特点进行选分。如以纯铁的导磁系数为100%，则强磁性的磁铁矿为40.2%，中磁性的钛铁矿为24.7%，弱磁性的赤铁矿为1.32%，无磁性的黄铁矿石英脉石等在
41、0.5%以下。在磁场作用下，强磁性的颗粒（如Fe3O4）便同弱磁性（如Fe2O3）或无磁性（如石英）的颗粒分开。赤铁矿若用磁选则需事先进行磁化焙烧。一般用干式磁选机处理粗粒矿石，用湿式磁选机处理细粒矿石。按磁场强度，高于320KA/m的称为强磁选机，在72320KA/m之间的称为弱磁选机。1.5.2 铁矿石的准备处理铁矿石的准备处理v（3）浮选）浮选 v利用矿物具有不同的亲水性进行选分。浮选前矿物要磨碎到一定粒度，使有用矿物和脉石矿物基本达到单体分离。在细磨矿浆中进行充气搅拌时，亲水性强者其颗粒表面易于为水润湿而下沉；亲水性弱者其颗粒表面难以为水润湿而浮起，从而使有用矿物和脉石分离。1.5.2
42、 铁矿石的准备处理铁矿石的准备处理v为了提高浮选效果，常使用各种浮选药剂来条件和控制浮选过程。如有在矿粒表面形成薄膜、控制润湿、促进浮起的捕集剂，有形成气泡和稳定泡沫、保证浮起者不下沉的气泡剂等等。由于浮选剂的多种作用，可以根据需要来选别矿物，因此浮选特别适用于处理复合矿和有色金属矿石。v有些矿石性质复杂，往往需要用几种方法联合起来选矿，以最大限度地综合回收利用其中的有用金属元素。1.5.2 铁矿石的准备处理铁矿石的准备处理v四、造块四、造块v富选得到的精矿粉，天然富矿破碎筛分后的粉矿，以及一切含铁粉尘物料（如高炉、转炉炉尘，轧钢皮，铁屑，硫酸渣等）不能直接加入高炉，必须用烧结或制团的方法将它
43、们重新造块，制成烧结矿、球团矿，或预还原炉料。这不仅解决了入炉原料的粒度问题，扩大了原料来源，同时，还大大改善了矿石的冶金性能，提高高炉冶炼效果。1.5.3 熔剂熔剂v高炉冶炼条件下，脉石及灰分不能熔化，必须加入熔剂，使其与矿石脉石和灰分作用生成低熔点化合物，形成流动性好的炉渣，实现渣铁分离并自炉内顺畅排出。此外，一定碱度的炉渣，如v CaO/SiO2=1.01.2，v可去除生铁中有害杂质硫，提高生铁质量。1.5.3 熔剂熔剂v一、熔剂的种类一、熔剂的种类v由于矿石脉石和焦炭灰分多系酸性氧化物，所以高炉主要用碱性熔剂，如石灰石（CaCO3）、白云石（CaCO3MgCO3）等。石灰石资源很丰富，
44、几乎各地都有。白云石同时含有CaO和MgO，既可代替部分石灰石，又使渣中含有一定数量的MgO，改善渣的流动性和稳定性，从而促进脱硫。在使用高Al2O3矿石，炉渣Al2O3高时其效果特别显著。1.5.3 熔剂熔剂v当高炉使用含碱性脉石的铁矿石冶炼时，需要加入酸性熔剂。但实际生产中只是采用兑入酸性矿石的办法，很少使用酸性熔剂。仅当渣中Al2O3过高（18%20%），炉况失常时,才加入硅石、硅砂等石英质酸性熔剂改善造渣。1.5.3 熔剂熔剂v二、对碱性熔剂的质量要求二、对碱性熔剂的质量要求v1、碱性氧化物、碱性氧化物（CaO+MgO）的含量要高，酸性氧化物（SiO2+Al2O3）的含量要少。一般要求
45、（CaO+MgO）50%，（SiO2+Al2O3）3.5%。对于石灰石，其有效熔剂性能有用效CaO表示：vCaO有效=CaORSiO2，%v式中R炉渣碱度，即渣中CaO/SiO2的比值；CaO，SiO2石灰石中CaO，SiO2的含量，%。1.5.3 熔剂熔剂v2、硫、磷愈低愈好、硫、磷愈低愈好。石灰石一般含硫量0.01%0.08%，含磷量为0.001%0.03%。v3、强度高、粒度均匀，粉末少、强度高、粒度均匀，粉末少。一般大高炉的石灰石粒度为2555mm，小高炉为1030mm。最好是同矿石粒度一致。v现代高炉多使用熔剂性或自熔性人造富矿，这样，高炉造渣所需熔剂已在造块过程中加入，高炉可以不直
46、接加入石灰石。只备用少量作为临时调剂之用。一些使用天然富矿或酸性球团矿的高炉，仍需加入石灰石。1.5.4 高炉燃料高炉燃料 v一、焦炭一、焦炭v焦炭是现代高炉冶炼的主要燃料和能源基础，在高炉冶炼焦炭是现代高炉冶炼的主要燃料和能源基础，在高炉冶炼过程中具有如下作用：过程中具有如下作用：v(1)燃料燃料。燃烧后发热，产生冶炼所需热量。燃烧后发热，产生冶炼所需热量。v(2)还原剂还原剂。焦炭中的固定碳和它燃烧后生成的。焦炭中的固定碳和它燃烧后生成的CO都是铁都是铁矿石还原所需的还原剂。矿石还原所需的还原剂。v(3)料柱骨架料柱骨架。高炉内是充满着炉料和熔融渣、铁的一个。高炉内是充满着炉料和熔融渣、铁
47、的一个料柱，焦炭约占料柱体积的料柱，焦炭约占料柱体积的1/31/2，对料柱透气性具有，对料柱透气性具有决定性的影响。特别是在高炉下部，矿石、熔剂已经熔化、决定性的影响。特别是在高炉下部，矿石、熔剂已经熔化、造渣，变成液态渣和铁，只有焦炭仍保持固态，为渣、铁造渣，变成液态渣和铁，只有焦炭仍保持固态，为渣、铁滴落和煤气上升以及炉缸内的渣、铁正常流通和排出，提滴落和煤气上升以及炉缸内的渣、铁正常流通和排出，提供了必要条件，使冶炼过程得以顺利进行。焦炭的这一作供了必要条件，使冶炼过程得以顺利进行。焦炭的这一作用目前尚不能为其他燃料所代替。用目前尚不能为其他燃料所代替。1.5.4 高炉燃料高炉燃料 v高
48、炉对焦炭质量的要求高炉对焦炭质量的要求v(1)含碳量高，灰分低含碳量高，灰分低。v焦炭中的固定碳含量与灰分有关。灰分升高，固定碳减少，焦炭中的固定碳含量与灰分有关。灰分升高，固定碳减少，发热量降低。通常焦炭灰分中发热量降低。通常焦炭灰分中SiO2和和Al2O3约占约占7580%。故灰分升高，须增加熔剂消耗量，使渣量增加，热量消耗故灰分升高，须增加熔剂消耗量，使渣量增加，热量消耗增加，焦比升高，产量降低。实际生产中有增加，焦比升高，产量降低。实际生产中有“灰分降低灰分降低1%(相当于固定碳升高相当于固定碳升高1%)，则焦比降低，则焦比降低2%，产量提高，产量提高3%”的经验。因此应力求降低焦炭的
49、灰分。的经验。因此应力求降低焦炭的灰分。v我国焦炭灰分含量一般为我国焦炭灰分含量一般为10%15%，鞍钢为，鞍钢为13%14%，首钢约首钢约12%，攀钢约，攀钢约14%，武钢约，武钢约13%。国外大型高炉一。国外大型高炉一般要求灰分般要求灰分10%。降低焦炭灰分的主要措施是加强洗煤，。降低焦炭灰分的主要措施是加强洗煤，合理配煤。炼焦过程不能降低灰分。合理配煤。炼焦过程不能降低灰分。1.5.4 高炉燃料高炉燃料 v高炉对焦炭质量的要求高炉对焦炭质量的要求v(2)含硫等有害杂质要少含硫等有害杂质要少。高炉中的硫约。高炉中的硫约80%来自来自焦炭。降低焦炭含硫量对提高生铁质量，降低焦焦炭。降低焦炭含
50、硫量对提高生铁质量，降低焦比，提高产量有很大影响。当焦炭含硫高时，应比，提高产量有很大影响。当焦炭含硫高时，应多加石灰石提高炉渣碱度来脱硫，致使渣量增加。多加石灰石提高炉渣碱度来脱硫，致使渣量增加。我国焦炭含硫一般为我国焦炭含硫一般为0.51.0%，鞍钢约，鞍钢约0.6%，本，本钢约钢约0.70.8%。国外大型高炉一般含硫要求。国外大型高炉一般含硫要求0.5%。洗煤、炼焦过程中可去除。洗煤、炼焦过程中可去除1030%的硫，的硫，因此加强洗煤，合理配煤是控制焦炭含硫量的主因此加强洗煤，合理配煤是控制焦炭含硫量的主要途径。要途径。v焦炭含磷一般很少。我国本钢焦炭含磷很低，使焦炭含磷一般很少。我国本
