兰州理工大学钢铁冶金高炉炼铁原料

1、 第二章高炉炼铁原料2.1 铁矿石和燃料2.2 烧结矿 2.3 球团矿2.4其它固结方法几个基本概念1）富 矿：含铁品位50%的铁矿石；2）贫矿：实际含铁量低于理论含铁量70%的铁矿石称贫矿（必须经过选矿后使用）。3）块矿和粉矿 4）精矿：贫矿经过破碎、细磨，并通过磁选或浮选得到的高品位细 粉状矿石（TFe6068%）2.1 铁矿石和燃料2.1.1 铁矿石Magnetite 磁铁矿Hematite 赤铁矿Limonite 褐铁矿菱铁矿各类铁矿石图Siderite Pyrite Goethite 针铁矿(Fe2O3*H2O) 黄铁矿铁矿石理论含铁量(%)贫富界限实际品位(%)我国铁矿石最低工业品

2、位(%）冶炼性能赤铁矿（Fe2O3）70493035P，S易还原磁铁矿（Fe3O4）72.450.6830P，S难还原菱铁矿（FeCO3）48.333.7425P，S焙烧后易还原 褐铁矿（2Fe2O33H2O）55.266.138.6446.2730易还原各类铁矿石含量及冶炼性能铁矿石的评价 A 成分品位：含铁量，理论上品位1%，焦比2%，产量 3%脉石成分：SiO2、Al2O3越低（须重视Al2O3 ），MgO 越好有害杂质和有益元素：S、P、Pb、Zn、As、K、Na、 Cu、 Mn、V、Ni、Cr、Nb B 强度和粒度 强度易粉化影响高炉透气性，不同粒度应分级入炉; C 还原性： 铁矿石

3、被CO、H2还原的难易程度，影响焦比; D 化学成分稳定性： TFe波动0.5%，SiO2 0.03%混匀的重要性（条件：平铺直取原料场应足够大）;铁矿石的准备处理破碎筛分混匀焙烧选矿造块 磁选机输送机粗破球磨机烧结球团烧结矿烧结矿及烧结球团2.1.2 （助）熔剂（1）作用：形成低熔点易流动的炉渣、脱S（碱性熔剂）调整成分。 （2）种类：性质使 用 条 件 及 作 用碱性铁矿中脉石为酸性氧化物，包括：石灰石、白云石、石灰酸性铁矿中脉石为碱性氧化物，主要为：SiO2（只在炉况失常时使用（Al2O3）18%或排碱时）中性高Al熔剂，主要为：含Al2O3高的铁矿（只在降低炉渣流动性时使用）(3)熔剂

4、的质量要求碱性氧化物含量（CaO+MgO52%） 概念：石灰石有效熔剂性能用CaO（有效）表示CaO（有效）= CaO（石灰石）- RSiO2（石灰石）S、P S（0.010.08%），P（0.0010.03%）减少CaCO3入炉： 原因：a. 高温分解吸热 b. CO2+C=2CO c. CO2会冲淡CO浓度造成焦比K增加。2.1.3 高炉燃料A.焦炭主要作用： 作为高炉热量主要来源的6080%，其它热风提供 提供还原剂C、CO 料柱骨架，保证透气性、透液性质量要求： 含炭量：C灰份渣量、强度、反应性 焦比 含S量：生铁中S80%来源于焦碳 强 度：M40、M10(转鼓指数) 成分稳定（特指

5、水分）： 干熄焦技术（宝钢）焦炭反应性： C+CO2=2CO（H2O或O2）开始反应位置的高低快慢影响间接还原区的范围，从而影响焦比。焦炉焦炭B.喷吹燃料焦煤减少，价格上升，寻找替代能源（1）气体燃料 天然气、焦炉煤气、热转化气（裂化石油气、重油裂化气等）（2）液体燃料 重油、柴油、焦油（3）固体燃料 煤-无烟煤、烟煤、褐煤2.2 烧结矿 富矿粉和贫矿富选后得到的精矿粉都不能直接入炉冶炼，必须将其重新造块，烧结是最重要最基本的造块方法之一。通过烧结得到的烧结矿具有许多优于天然富矿的冶炼性能，如高温强度高,还原性好,含有一定的CaO、MgO，具有足够的碱度,高炉可不加或少加石灰石。通过烧结可除去

6、矿石中的S、Zn、Pb、As、K、Na等有害杂质，减少其对高炉的危害。高炉使用冶炼性能优越的烧结矿后，基本上解除了天然矿冶炼中常出现的结瘤故障；同时极大地改善了高炉冶炼效果。烧结中可广泛利用各种含铁粉尘和废料，扩大了矿石资源,又改善了环境。生产烧结矿2.2.1 烧结矿质量评价 对烧结矿质量的要求是：品位高，强度好，成分稳定，还原性好，粒度均匀，粉末少，碱度适宜，有害杂质少。1）强度和粒度 国内外多采用标准转鼓的鉴定方法来确定烧结矿强度。取粒度25150mm的烧结矿试样20kg，置于直径1.0m，长0.65m的转鼓中 转鼓指数=(1-A/20) 100%式中A-试样中小于5mm部分的重量，kg。

7、显然转鼓指数愈大，烧结矿强度愈好。一般要求烧结矿的转鼓指数大于75%。2）还原性 生产中习惯用烧结矿中的FeO含量表示还原性。3）碱度 烧结矿碱度一般用R=CaO/SiO2表示,按照碱度的不同,烧结矿可分为三类： A)酸性(或普通)烧结矿 碱度(如R0.9)低于炉渣碱度。 B)自熔性烧结矿 碱度(1.01.4)等于或接近炉渣碱度。 C)熔剂性烧结矿 碱度(1.4)明显高于炉渣碱度 高碱度(2.03.0) 超高碱度(3.04.0)烧结矿。 为了改善炉渣的流动性和稳定性，烧结矿中常含有MgO(如23%或更高)，使渣中MgO含量达到78%或更高，促进高炉顺行。鼓风烧结法（平地吹土烧法、烧结锅 、带式

8、烧结机 ）抽风烧结法 （间隙式 固定式及移动式烧结盘） ( 连续式 环式及带式抽风烧结机） 目前世界各国90%以上的烧结矿由抽风带式烧结机生产，其他烧结方法有回转窑烧结，悬浮烧结，抽风或鼓风盘式烧结和土法烧结等。各法生产工艺和设备尽管有所不同，但烧结基本原理基本相同。 下面着重以带式抽风烧结法来论述。 2.2.2 烧结反应过程带式抽风烧结机带式抽风烧结机烧结矿冷却机气体混合室分离器分离器再循环罩液化气体 带式抽风烧结机烧结生产一般工艺流程精矿、粉矿（010mm）石灰石、白云石（800mm）碎焦、无烟煤（250mm）瓦斯灰、轧钢皮（100mm）破 碎筛 分破 碎配 料 皮 带一 次 混 料（混匀

9、）二 次 混 料（制粒）布 料点火器烧 结 机除 尘破 碎抽 风筛 分烟 筒冷 却整 粒高炉矿槽3mm30mm水水蒸汽烟道灰灰 尘热返矿冷返矿冷返矿30mm大气高炉1）烧结过程2)烧结过程的主要反应2.2.3 烧结矿固结机理 1）一般固相反应 粉状物料在熔化之前，固体颗粒在它们的接触界面上发生化学反应，反应产物也是固相。 特点（1）固相反应速度决定于温度，温度越高反应速度越快； （2）固相反应速度与反应物颗粒大小成反比，反应速度常数与颗粒半径平方成反比；增加紧实度有利于提高反应速度。 （3）固相反应是放热反应，反应的最初产物与反应物的数量无关。要想得到组成与反应物质量相当的最终产物，在大多数情

10、况下需要很长时间。 (4 ) 添加活性物质，促进固相反应，可以解决难烧结矿的矿粉。 CaOFeOSiO2、 CaO3Fe2O3SiO2、CaOFe2O3 （烧结、机械混合）2）烧结料层中的固相反应 （1）定义：混合料在烧结过程中随温度升高，矿物（Fe2O3、Fe3O4、CaO、SiO2、MgO、Al2O3等）之间以固态形式进行反应，生成新的低熔点复杂化合物，化合物与化合物之间形成熔点更低的共熔体。固相反应只为液相的生成提供条件。矿物SiO2CaOMgOAl2O3Fe2O3Fe3O4熔点（）173025702799204215651597矿物熔点（) 矿物系熔点或低共熔点（）2FeOSiO212

11、052FeOSiO2SiO211782FeOSiO2Fe3O41142CaOFe2O312462CaOFe2O31449CaO2Fe2O31230CaOSiO215402CaOSiO22130CaOSiO22CaOFe2O31185CaO0.19FeO1.81SiO211502CaOSiO2FeO1280Fe3O4CaO2Fe2O31180Fe2O3不与SiO2反应Fe3O4不与CaO反应控制烧结气氛产生粘结物（碳的分布）。烧结料颗粒间的固相反应 （2）固相反应最初形成的化合物的组成与反应物比例无关 两种反应物无论以何种比例混合，反应的最初产物总是一种。如以1:1混合的CaO和SiO2,最初产

12、物不是CaOSiO2，而是2CaOSiO2。要想得到与反应物质量比相当的最终产物，需要很长时间。烧结过程中由于加热速度快(从500加热到1500不超过3min),在高温区停留时间短，通常得不到与反应物质量比相对应的产物。因此，对烧结过程有实际意义的是固相反应开始温度和反应的最初产物（最初产物对液相的形成具有贡献）。 不同固相之间的第一个反应产物反应物质混合料中mol比第一个反应产物开始出现温度（）CaOSiO23:1 2:1 3:2 1:12 CaOSiO2500700MgOSiO22:1 1:12 MgOSiO2680CaOFe2O32:1 1:1CaOFe2O3500675CaOAl2O3

13、3:1 5:3 1:1 1:2 1:6CaOAl2O3MgOAl2O31:1 1:6MgOAl2O3Fe3O4SiO22FeOSiO29901100例如：CaOSiO2系中的化合物有 2 CaOSiO2 正硅酸钙 3 CaOSiO2 不稳定化合物（1225以下分解成2CaOSiO2和CaO） 3 CaO2SiO2 硅钙石 CaOSiO2 偏硅酸钙（硅灰石）CaOSiO2CaOSiO2SiO2CaO与SiO2接触带固相反应结构示意图（CaO:SiO2=1:1）反应温度1000（该温度下没有3CaOSiO2生成 ）3CaOSiO2 2CaOSiO2 2CaOSiO2 3CaO2SiO2 CaOSi

14、O2 SiO23CaOSiO2 2CaOSiO2 3CaO2SiO2CaO2CaOSiO23CaOSiO2 2CaOSiO2 3CaO2SiO2 CaOSiO2 SiO2CaOSiO2 SiO22CaOSiO2CaOSiO23CaO2SiO24 8 12 16 (h)10080604020主要的固相反应开始出现温度反 应 物固相反应产物开始出现温度）Fe2O3+SiO2Fe2O3在SiO2中的固熔体575Fe3O4+SiO22FeOSiO2铁橄榄石9901100CaO+Fe2O3CaOFe2O3铁酸一钙500、600、610、650、675CaCO3+Fe2O3CaOFe2O3铁酸一钙590C

15、aO+SiO22CaOSiO2正硅酸钙500、610、690MgO+SiO22MgOSiO2镁橄榄石680MgO+Fe2O3MgOFe2O3铁酸镁600主要的固相反应开始出现温度 液相的生成是铁矿石烧结造块的基础，当料层温度升高时，低熔点矿物以及矿物间的共熔体生成熔融状态的液相。液相的性质和数量对烧结矿的强度和还原性影响很大。（1）非熔剂（酸性）性烧结矿的主要液相系 酸性烧结料的组成：Fe2O3、Fe3O4、SiO2 酸性烧结矿成矿过程的主要液相系：FeOSiO2 FeO-SiO2：2FeOSiO2是酸性烧结矿的主要粘结相，随FeO熔入液相，液相熔点下降；FeOFe3O4 （纯磁铁矿烧结时的主

16、要粘结相）Fe3O42FeOSiO2：随Fe3O4熔入液相，液相熔点升高。3）烧结矿的液相反应a) FeOSiO2体系：固相反应产物：2FeOSiO2 （FeO72%、SiO2 28%，数量比较少） 熔点1205共晶系：2FeOSiO2FeO （FeO76%、SiO2 2.4%） 熔点1177 FeO-SiO2体系形成条件： 较高的温度（矿石中SiO2很少，即使全部形成2FeOSiO2，产生的液相量很少,提高温度让更多的FeO熔入液相); 较强的还原气氛，使Fe3O4还原成FeO 2Fe3O4+3SiO2+2CO=3(2FeOSiO2)+2CO2 在酸性烧结矿中，足够的铁橄榄石液相数量是保证烧

17、结矿强度必须的。Fe2O3不与SiO2反应 此体系有一个低共熔点：2FeOSiO2（83%）Fe3O4（17%） 熔点1142，比铁橄榄石熔点还低，因而它在烧结过程中首先形成液相。随物料中Fe3O4逐渐溶入液相，液相的熔点升高。当液相达到影线部分时，大部分Fe3O4（70%左右）熔入液相中。因此，在烧结酸性烧结料时，要在固体物料熔入液相前需加热到很高温度，所以要求较 高的配碳量。 当高温的液相冷却时，在阴影部分的液相首先析出磁铁矿晶体，液相中铁橄榄石成分不断增加，当温度继续下降，以铁橄榄石占主要成分的液相最后凝固在磁铁矿晶体周围，形成粒状结构。 b) Fe3O42FeOSiO2体系Fe2O3不

18、与SiO2反应x（2）自熔性烧结矿的主要液相系二元碱度R=1.01.4，烧结料中加入相当数量的CaO自熔性烧结料组成：Fe2O3、Fe3O4、CaO、MgO、SiO2 成矿过程的主要液相体系：CaO-SiO2、CaO-FeO-SiO2、 CaO-MgO-SiO2、CaO-SiO2-Al2O3-FeO、2 CaOSiO2-2FeOSiO2 a) 硅酸钙（CaO-SiO2）系主要化合物： 2 CaOSiO2 正硅酸钙 熔点2130 开始形成温度500690 3 CaOSiO2 硅酸三钙 在12502070稳定，1250以下分解 3 CaO2SiO2 硅钙石在1464分解成2 CaOSiO2 +L

19、CaOSiO2 硅灰石熔点1544共熔点： CaOSiO2 +SiO2 共熔点1436 CaOSiO2 + 3CaO2SiO2 共熔点1460 2CaOSiO2 +CaO 共熔点2050 这个体系的熔化温度都比较高，烧结条件下（12001450）产生的液相量不会很多，但其中的正硅酸钙2CaOSiO2 是固相反应的最初产物，熔点又很高，烧结过程不会全部熔化(熔化后也不分解),直接转移到烧结矿中。 但2CaOSiO2 能与2FeOSiO2 形成低熔点固溶体（钙铁橄榄石）,熔点在11701206之间,因而在烧结温度下能形成液相，冷却时2CaOSiO2 从共晶混合物中析出。 若正硅酸钙在液相结晶时单独

20、析出，或被其它粘结相包裹，将对烧结矿产生十分有害的影响。b）钙铁橄榄石（CaO-FeO-SiO2）系 是高温还原性气氛下生产熔剂性烧结矿时的主要粘结相之一。钙铁橄榄石（CaO）x（FeO）2-x（SiO2），x=0.251.0是2CaOSiO2与2FeOSiO2形成的固熔体，x =1时的熔点1206。该体系的主要矿物：铁黄长石 2CaOFeOSiO2 钙铁橄榄石 CaOFeOSiO2 熔化温度在 10301206 钙 铁 辉 石 CaOFeO2SiO2随烧结矿碱度升高，钙铁橄榄石逐渐取代铁橄榄石。冷却时过量的2CaOSiO2从液相中首先析出，最后析出的钙铁橄榄石包裹在2CaOSiO2外面。钙铁

21、橄榄石熔化温度比铁橄榄石低，液相粘度小，料层透气性好，但烧结矿急剧冷却时，液相来不及结晶而形成各种过冷成分的含铁玻璃质，使烧结矿呈粗孔薄壁结构，强度差。（冷却强度：上层120130/min，下层4050/min）。钙铁橄榄石系粘结相的生成条件：需要足够多数量的FeO，故配碳量要高，还原性气氛要强。c）钙镁橄榄石（CaO-MgO-SiO2）系加入部分白云石生产熔剂性烧结矿时会产生此液相系。主要矿物：镁橄榄石（2MgOSiO2） 熔点1890混合物熔点在1400左右 偏硅酸镁 （MgOSiO2） 1557 钙镁橄榄石 （CaOMgOSiO2） 1490 透 辉 石 （CaOMgO2SiO2） 13

22、91 镁黄长石 （2CaOMgO2SiO2） 1454 镁蔷薇辉石 （3CaOMgO2SiO2） 1575分解为 MgO+2CaOSiO2 烧结料中加MgO的原因主要从高炉生产角度考虑： i)MgO系矿物熔点高(CaO2570 MgO 2799)可提高烧结矿的熔融滴落温度； ii）适量MgO可降低炉渣粘度。对烧结矿本身来讲： i）MgO与CaO碱性相当，MgO-SiO2和CaO-SiO2之间的亲和力相当。因此，MgO的存在减少了2CaOSiO2的数量，在一定程度上抑制了自熔性烧结矿粉化(体积变化)。 ii）MgO可固溶于2CaOSiO2中，有稳定其相变的作用，但烧结矿中MgO一般不高于2.53

23、.0%，否则因熔点太高而生烧。Fe3O4不与CaO反应Fe3O4不与CaO反应（3）高碱度烧结矿的主要液相系 高碱度烧结矿 R1.6 超高碱度烧结矿 R2.5 烧结料中配入较多的CaO，从500700开始CaO与Fe2O3开始形成最初产物CaOFe2O3，随温度升高，反应加速进行，且开始出现2CaOFe2O3和CaO2Fe2O3。铁酸钙体系（CaO-Fe2O3）主要矿物：CaOFe2O3 铁酸一钙,在1216分解成2CaOFe2O3+L2CaOFe2O3 铁酸二钙，熔点1449CaO2Fe2O3 二铁酸钙，在11551226稳定存在,冷却到1155时分解成CaOFe2O3和Fe2O3；在122

24、6熔化并分解出Fe2O3。CaOFe2O3CaO2Fe2O3 共晶点1205。铁酸钙系化合物熔点均很低，液相易于形成。特别是当CaOFe2O3 液相生成后，当其中逐步熔入Fe2O3 时，其熔点是下降的。这是高碱度烧结矿烧结温度低，FeO低的原因之一(还原性）。Fe3O4不与CaO反应4）冷却固结 燃烧层移过后，烧结矿的冷却过程随即开始 液相形核-非均质形核 冷却速度-快 慢 -结晶形态 应力 强度 矿物结构-体积变化 应力 强度 一般碱度的熔剂性烧结矿中正硅酸钙(2CaOSiO2)是常含有的矿物。它是固相反应的最初产物，由于熔点很高(2130)，烧结温度下不发生熔化和分解，直接转入成品烧结矿中

25、。由于正硅酸钙在冷却过程中发生一系列的晶型转变，体积膨胀，产生内应力，导致烧结矿粉碎，严重影响烧结矿强度。升温路线： 830 1447冷却降温转变路线： 1425 670硅酸钙存在的四种微观结构变形体稳定范围晶系密度（g/cm3）-C2S（高温型）21301438六方3.07(1500) -C2S（中温型）1438705斜方3.31(700)-C2S（亚稳型）705525单斜3.28-C2S（低温型）525斜方2.97过冷极限温度液相 升温V=12%自 由 能2CaOSiO2变体的稳定关系图 525 670 705 830 1425 1447 2130 烧结矿冷却时，在525705时，亚稳态-

26、C2S向-C2S转变，体积膨胀10%； 在高炉内烧结矿温度升高到830以上时，由-C2S向 -C2S转变，体积缩小12%。 使熔剂性烧结矿容易产生粉化现象。 防止方法生产高碱度(或超高碱度)烧结矿(碱度2.55.0),促使产生3CaOSiO2及CaOFe2O3，可防止C2S的生成;加入MgO、Al2O3、B2O3、BaO、Cr2O3、磷矿粉、含锰和含钒矿物等添加剂，稳定C2S，防止其晶型转变；操作过程中严格控制温度，减少固相反应中产生C2S的机会。(1) 烧结生产指标(a) 利用系数：单位时间内每m2有效烧结面积的产量（t/m2.h） (1.01.4)(b) 成品烧结矿台时产量Q (t/台.时

27、 )K = K=5070%(烧结矿成品率) 烧结混合料堆比重（t/m3）1.51.9 t/m3F 烧结机有效烧结面积（m3）, F=台车宽度B烧结机长度L 垂直烧结速度（m/min） 1020mm/min5）强化烧结过程分析 烧结产量同垂直烧结速度成正比。而d主要同抽过料层的空气量有关，在抽风机能力和负压一定时，垂直烧结速度主要决定于料层透气性。 (2)烧结料层透气性 压差 流量 a 烧结层 b 燃烧层 c预热层 d过湿层 （3）强化烧结措施a. 混合料预热过湿层b.加生石灰或消石灰吸收水分、提高湿强度c.热风烧结-减缓冷速 、提高强度d.分层布料和双层布料-改善燃料的分布6）烧结新工艺a）球

28、团烧结工艺b）高温处理工艺c）低SiO2高还原性烧结矿新工艺 SiO2低，实际粘结相减少，改善方法 R 粉料比 铁矿粉 e）低温烧结工艺 在较低温度下烧结（12501300),以强度好，还原性好的针状复合铁酸钙为主要粘结相，同时使烧结矿中含有较高比的残留原矿赤铁矿 形成复合铁酸钙，即钙铝硅铁酸盐（SFCA）；针状结构，结构式为： Ca5Si2 (Fe,Al)10O36 理想的原料条件 成分：碱度CaO/SiO2=1.72.1，Al2O3/SiO2=0.10.37 SiO2 不宜小于 4%， 否则SFCA量少且不为针状，SiO2 7%最适宜； 粒度：理想的准颗粒，以赤铁矿原矿作核心，以石英脉石精

29、矿或赤铁矿细粉料，以及能形成高碱度熔体的成分作粘附粉料（外层碱度高，内层碱度低，保证平均在1.7左右),煤粉尽量滚在外层，以保证充分燃烧。 由于烧结温度低，必须降低配碳量，同时必须提高料层高度以增加自动蓄热。料层提高后要求料层空隙率高。因此精矿粒度组成中应尽量减少砂粒：0.20.7mm的颗粒在混合料中以砂粒状态存在，既不能成为核心，也不能成为外滚粉料。 2.3 球团矿 是人造块状原料的一种方法，将粉状物料（精矿粉、溶剂、粘结剂、燃料）的混合物造球后经干燥、焙烧、固结成为具有良好冶金性质的含铁原料。 球团的基本任务：（1）充分利用铁矿资源，制成球状冶炼原料，改善物料冶炼性能，去除杂质；（2）生产

30、用于直接还原的金属化球团；（3）利用二次含铁原料，回收有用金属。(综合利用资源、改善成分及冶金性能) 2.3.1 球团方法分类 1.球团成型方法分类 压团压力造块法，用压机制成方团矿 球团靠滚动成型 优势：（1）适合大规模生产；（2）粒度均匀；（3）孔隙率高，还原性好。（4）冷态强度高。 2. 球团固结温度分类 （1）高温固结:氧化焙烧球团矿、金属化球团、氯化球团 （2）(常)低温固结:水硬性、热液法、碳酸化、锈化法、焦化法工艺流程一般包括原料准备、配料、混合、造球、干燥和焙烧、冷却、成品和返矿处理等工序原料1 含铁原料 2 二次含铁原料 3 粘结剂 4 添加剂 5 燃料2.3.2 球团矿生产

31、的工艺流程球团的生产流程 2.3.3 球团矿与烧结矿的比较 A.原料条件： （1）粒度：球团原料粒度细,比烧结对原料适应性更强 ； （2）球团添加粘结剂 ； （3）燃料：球团外部供热，为强氧化气氛； B.冶金性能： 球团更具优势：1）粒度小而均匀 2）冷态强度 3）铁份高、堆密大 4）还原性好 5）原料来源较宽 6）球团矿的热还原强度比烧结矿差球团矿热还原强度降低 冶金性能比较(见下表) C.经济效果比较 1）球团设备多，建厂投资高 2） 加工费用各有长短。 D. 环保 （1）烟气含尘量：球团料层透气性好，强度高，粉末少，故烟气含尘少；（2）烟气中SO2、NOX含量高。 2.3.4球团生产工艺过程及理论一、造球理论 1 矿粉成球过程中水的作用 （1）吸附水；（2）薄膜水；（3）毛细水； （4）重力水：3、成球过程 分三阶段：（1）生成母球 （2）母球长大 （3）生