炼钢有害元素

1、第二讲铁矿石和熔剂一、铁矿石铁矿石的种类根据含铁矿物的主要性质，按其矿物组成，通常将铁矿石分为四大类。1）磁铁矿矿石主要含铁矿物为磁铁矿，化学式为Fe3O4，含Fe0 31%，Fe203 69%，理论含铁量（按化 学式计算的铁量）72.4%。2 3磁铁矿矿石具有强磁性，颜色及条痕均为铁黑色，坚硬、致密，难于破碎和还原。2）赤铁矿矿石主要含铁矿物为赤铁矿，化学式为Fe203，理论含铁量为70%，含氧量30%。赤铁矿仅具有弱磁性，一般含硫、磷较低，与磁铁矿相比，结构较软，较易破碎和还 原。3）褐铁矿矿石主要含铁矿物为含结晶水的氧化铁，其化学式可用mFe203nH20（m=1-3, n=1-4）表示

2、， 理论含铁量为55.2%-66.1%。自然界中的褐铁矿绝大部分以2Fe203 -3H20形态存在。4）菱铁矿矿石2 32主要含铁矿物为菱铁矿，化学式为Fe203，理论含铁量48.2%，FeO为62.1%，CO2为37.9%。 外表颜色为灰色和黄褐色，风化后变为深褐色，条痕为灰色或带黄色，无磁性。2菱铁矿石含铁不高，为30%-40%，但经焙烧后，释放出CO2，其含铁量显著增加，矿石 也变得疏松多孔，易破碎，还原性好。2铁矿石的质量评价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。铁矿石质量评价的目的，在于了解高炉使用不同矿石的相对有利性，从而正确地 利用

3、国家资源，使得不仅从技术上，而且从经济上进行最有利的选择，有效地组织生产，获 得最佳的经济效益。1）铁矿石品位铁矿石品位即铁矿石的含铁量，以TFe%表示。品位是评价铁矿石质量的主要指标。它 决定铁矿石有无开采价值以及开采后能否直接入炉冶炼和冶炼的相对有利性。冶炼品位高的矿石，有利于提高产量，降低焦比。根据生产经验，铁矿石品位升高1%， 焦比可降低2%，产量提高3%。其原因在于：随含铁量升高，脉石数量减少，石灰石用量和 渣量相应减少，既节省热量消耗，又有利于炉况顺行，为加重焦炭负荷，增加风量和采取其 它强化手段创造了有利条件。2）脉石成分与数量脉石成分与数量在很大程度上决定着熔剂与燃料的消耗量，

4、因此，它也是评价铁矿石 的重要质量指标。脉石含量愈少，矿石愈富。当脉石数量相同时，其中SiO2含量愈少愈好。这样冶炼时 可以少加熔剂，减少渣量，有利于焦比降低，炉况顺行和产量提高。3）有害杂质和有益元素的含量有害杂质：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。通常有硫、磷、铅、锌等，铜有时有害，有时有益。希望矿石中有害杂质含量越 低越好。3）有害杂质和有益元素的含量（1）硫硫在矿石中主要以硫化物的形态存在，如黄铁矿（FeS2）、黄铜矿（CuFeS2）、闪锌矿、 方铅矿（PbS）等。也有以硫酸盐形态存在的，如重晶石CaSO4）等。硫对钢铁的危害极大， 主要表现在

5、：钢中硫超过一定含量时，钢产生“热脆”现象。这是由于FeS与Fe结合成低熔点 （985C ）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1150-1200。时，硫化物首先熔化，使钢材沿晶粒界面形成裂纹。硫显著地降低钢的焊接性、抗腐蚀性和耐磨性。根据实践经验，矿石中含硫升高0.1%，焦比升高5%。所以，要求矿石中含硫愈低愈好。 高硫矿不宜直接入炉，应通过选矿，焙烧和烧结处理，以降低其硫量。（2）磷磷对钢铁质量的影响：a）降低钢在低温下的冲击韧性，使钢材产生“冷脆”。因为磷化物是脆性物质，钢水 冷疑时，它凝聚在钢的晶界周围，减弱其结合力，使钢材在冷却时产生很大的脆性。b）磷高

6、时还使钢的焊接性能、冷弯性能和塑性降低。磷在矿石中一般以磷灰石（3CaOP205 ）形态存在。磷在选矿和烧结过程中不易除去， 而在高炉冶炼中又几乎全部还原进入生铁，因此控制生铁含磷的唯一途径就是控制原料的含 磷量。要求矿石中含磷尽可能低。（3）铅铅在矿石中以方铅矿（PbS）的形态存在。铅在高炉内100%被还原。但Pb不溶解于生 铁，且密度大，熔点低（327C），沸点也较低（1550C），因此对高炉的危害很大。它沉 积炉底，渗入砖缝，将砖浮起，破坏炉底；为此，要求矿石中含Pb量越低越好。（4）锌锌在矿石中常以闪锌矿（ZnS）形态存在，我国某些矿石中有少量的锌。高炉冶炼中锌 全部被还原，其沸点低（

7、905C），溶于生铁。锌还原后很易挥发，挥发的大量锌蒸汽到高 炉炉身上部，遇炉料冷凝，并被煤气中的C02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。砷矿石中的砷常以毒砂（FeAsSl）、斜方砷矿（FeAsS2）及氧化物AS203等形态存在于褐 铁矿石中，其它矿石中很少见。砷在高炉冶炼中全部被还原进入生铁。由于砷的非金属性很 强，不具延展性，故当钢中砷含量大于0.1%时，就产生“冷脆”，并降低其焊接性能。（6）钾和钠在高炉冶炼中，钾、钠的危害是很严重的。因为它们在高炉内被直接还原，到下部高 温区（1500C ）生成大量碱蒸气，其中

8、一部分碱蒸气在高温下与焦炭中的C、煤气中的N2 生成氰化物。氰化物的沸点较高（1500C），呈雾状液体状态。这些碱蒸气和雾状氰化物， 随煤气上升到炉身中部的低温区（V800C），被氧化成碳酸盐，部分沉积在炉料和炉墙上， 部分又随炉料下降，如此循环富集。其危害表现在以下几方面：1）碱金属与炉衬作用，生成钾霞石（K2OA12O3 2Si02）等，体积膨胀40%，从而破 坏炉衬，缩短高炉寿命。2）与炉衬作用生成低熔点化合物，使炉料粘在炉墙上，或使炉料粘结在一起，恶化上 部料层透气性，最后导致炉瘤生成。3）钾、钠与焦炭中的石墨反应，生成插入式化合物CK8、CNa8,体积膨胀很大，破坏焦炭的高温强度，使

9、高炉下部料柱透气性变坏。884）钾、钠能增大焦炭的反应性，扩大直接还原区，加之前述几个因素的影响，使高炉 焦比升高，产量降低。5）使烧结矿和球团矿的软化温度降低，低温还原粉化率升高，并导致球团矿的恶性膨 胀。（7）铜高炉冶炼中，铜全部还原进入生铁，后转入钢中。铜对钢铁的影响具有两重性。当钢 中CuV0.3%时，能改善其耐腐蚀性能；超过此界限时，则钢的焊接性能降低，并引起“热 脆”性，轧制时产生裂纹。钢铁中的含铜量主要取决于原料的含铜量，一般矿石允许含铜 量不超过0.2%。（8）氟有的矿石含氟，CaF2使渣流动性变好，易侵蚀炉衬，并对金属结构、管道有腐蚀作用， 会污染环境。矿石中F越少越好。有益

10、元素：矿石中的有益元素系指对金属质量有改善作用或可提取的元素。如锰（Mn）、 铬（Cr）、钻（Co）、镍（Ni）、钒（V）、Ti、（Nb）、（Ta）、（Ce）和（La）等。当 这些元素达到一定含量时，如 Mn5%、Cr0.6%、Cr0.03%、Ni0.2%、V0.1%-0.15%、 Mo0.3%即可视为复合矿石，其经济价值很大，是宝贵的资源。我国复合矿石种类多，储量 大，有的是发展高科技所急需的，因此，对这类矿石应大力开展综合利用。4）铁矿石的还原性铁矿石的还原性：是指所含的铁氧化物与气体还原剂CO、H2之间进行反应的能力，即 气体还原剂夺取矿石中与铁结合的氧的难易程度。氧易被夺取者:矿石的还

11、原性好，反之， 还原性差。矿石还原性的好坏，虽不影响其利用，但却在很大程度上影响高炉冶炼的技术经济指 标。因为还原性好的矿石，在中温区被气体还原剂还原出的铁就多，不仅可减少高温区的热 量消耗，从而有利于降低焦比，而且还可改善造渣过程，促进高炉稳定顺行，增加产量，改 善生铁质量。因而它是评价铁矿石的一项重要指标。5）矿石的软熔性矿石的软熔性：是指它的软化性及熔滴性。软化性包括矿石的软化温度和软化温度区 间两个方面。软化温度系指矿石在一定的荷重下加热开始变软的温度；软化温度区间系指矿 石从开始软化到软化终了的温度区间。熔滴性是指矿石开始熔化到开始滴落的温度及温度区 间。矿石的软熔性主要受脉石成分与

12、数量、矿石还原性等的影响。脉石数量少，碱性氧化 物含量高，矿石易还原，FeO低者，其软熔温度高，软熔区间窄，可改善软熔带特性，对高 炉冶炼有利。6）矿石的机械强度矿石的机械强度系指矿石耐冲击、摩擦、挤压的强弱程度。要求高一些为好。7）矿石的粒度和气孔度矿石的粒度影响透气性和传热、传质条件，因而影响高炉顺行和还原过程。粒度大， 料柱透气性好，但与煤气接触面积小，扩散半径大，矿块中心部分不易加热和还原，煤气利 用变坏，焦比升高；反之，若粒度太小，特别是粉末较多时，会使煤气流上升的阻力增大， 有碍顺行，使产量降低。确定矿石粒度，必须兼顾高炉气体力学和传热传质两方面的因素，应在保证有良好透 气性的前提

13、下，尽量改善还原条件。为此，应降低粒度上限，提高粒度下限，缩小粒度范围， 力求粒度均匀，尽量减少粉末含量。矿石的气孔率系指矿石中孔隙所占体积与它的总体积的百分比。8）各项指标的稳定性现代化高炉生产，不仅需要有足够的原料数量，以保证均匀稳定连续作业，而且其理 化性质也必须保持相对稳定，才能最大限度地发挥生产效率。在前述的各项指标中，矿石品 位、脉石成分与数量、有害杂质含量的稳定尤其重要。否则，将引起炉温、渣碱度和生铁质 量的波动，打破高炉的正常作业制度，影响高炉稳定顺行。高炉生产实践表明，当入炉矿含 铁波动从土 1.5%下降到土 0.2%，高炉产量增加4.5%，焦比降低2.5%。为确保矿石成分的

14、稳定，加强整粒及中和是非常必要的，国外对此十分重视。先进厂 家矿石经中和后，TFe 土 0.3%-0.5%，SiO2土 0.2%，烧结矿碱度土 0.03。二、熔剂熔剂的作用及种类熔剂。熔剂在冶炼过程中的主要作用有二：第一，是使还原出来的铁与脉石和灰分实 现良好分离，并顺利从炉缸流出。第二，是去除有害杂质硫，确保生铁质量。高炉冶炼使用的熔剂，按其性质可分为碱性、酸性和中性三类，其使用条件分别是：1）碱性熔剂当矿石中的脉石主要为酸性氧化物时，则使用碱性熔剂。由于燃料灰分的成分大都是 酸性的，而绝大多数矿石的脉石成分也是酸性的，因此，普遍使用碱性熔剂。通常所说的熔 剂即指这一类。常用的碱性熔剂有石灰

15、石和白云石。2）酸性熔剂当使用主要含碱性脉石的矿石冶炼时，可加入酸性熔剂。作为酸性熔剂使用的有硅石 （主要成分为Si02）、蛇纹石。对碱性熔剂的质量要求1）碱性氧化物（CaO、MgO）含量高，酸性氧化物（Si02、A12O3）含量愈少愈好。否则，冶炼单位生铁的熔剂消耗量增加，渣量增大，焦比升高；22 32）有害杂质硫、磷含量要少；3）有较高的机械强度和适宜的粒度。石灰石的有效熔剂性所谓石灰石的有效熔剂性，是指石灰石（按照炉渣碱度的要求）除去自身所含酸性氧 化物造渣所消耗的碱性氧化物外，剩余的碱性氧化物含量。三、辅助原料洗炉料洗炉剂料包括轧钢皮、均热炉渣、锰矿和萤石等。（1）萤石在炉渣粘稠，炉况失常时，短期使用部分萤石（CaF ），以稀释炉渣，消除堆积（或粘 2结）物。（2）锰矿普通的炼钢用铁中含有1%左右的锰，锰在炼钢过程中有脱硫及脱氧作用，还能提高钢 材的韧性。通常含锰15%以上、含铁20%以上的铁锰矿石作为锰矿石，其中含锰35%以上的 高锰矿石用作锰铁（Fe-Mn合金）冶炼的原料。锰矿在高炉中常用来降低铁水粘度，消除炉 缸堆积（或粘结）物。含钛护炉料高炉加含钛物护炉技术已在我国普遍推广。在高炉配料中，加入含TiO2的炉料，使渣 中（TiO