【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 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 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 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 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 ， 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 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 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 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、