炼铁学教学讲解课件

铁冶金学铁冶金学1现代炼铁方法

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。现代炼铁方法现代炼铁方法分为:2现代钢铁生产的一般流程现代钢铁生产的一般流程3现代炼铁方法

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。现代炼铁方法现代炼铁方法分为:4第一章现代高炉炼铁工艺1.1高炉炼铁生产流程1.2高炉本体及主要构成第一章现代高炉炼铁工艺1.1高炉炼铁生产流程51.1高炉炼铁生产流程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、Fe3O4·TiO2等）还原为液态生铁。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的本质是铁的还原过程，即焦炭6炼铁学教学讲解课件71.1高炉炼铁生产流程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、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4~5倍。生产中，各个系统互相配合、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。1.1高炉炼铁生产流程高炉炼铁生产非常复杂，除了高炉本体以81.2高炉本体及主要构成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）。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、炉身和炉喉五个部分，该容积总和为它的有效容积，反映高炉所具备的生产能力。1.2高炉本体及主要构成密闭的高炉本体是冶炼生铁的主体设备91.2高炉本体及主要构成1.2.1高炉内衬高炉内耐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。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1.2.1高炉内衬101.2高炉本体及主要构成1.2.1高炉内衬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，以延缓内衬破损速度。1.2高炉本体及主要构成1.2.1高炉内衬111.2高炉本体及主要构成1.2.2高炉冷却设备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1.2.2高炉冷却设备121.2高炉本体及主要构成1.2.2高炉冷却设备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。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1.2.2高炉冷却设备131.2高炉本体及主要构成1.2.3高炉内主要区域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、软熔带、滴落带、风口前回旋区、渣体聚集区（图1-3）。1.2高炉本体及主要构成1.2.3高炉内主要区域141.2高炉本体及主要构成各区内进行的主要反应及特征分别为：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；以气固相反应为主。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各区内进行的主要反应及特征分别为：151.2高炉本体及主要构成滴落带：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。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。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。1.2高炉本体及主要构成滴落带：滴落的液态渣铁与煤气及固体161.3高炉冶炼产品高炉冶炼的主要产品是生铁。炉渣和高炉煤气为副产品。一、生铁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。生铁是Fe与C及其它一些元素的合金。通常，生铁含Fe94%左右，C4%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的主要产品是生铁。炉渣和高炉煤气171.3高炉冶炼产品一般来说，生铁和钢的化学成分主要差别是含碳量。钢中含碳量最高不超过2.11%。高炉生铁含碳量在2.5~4.5%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C>5.0%时，铸铁甚脆，没有实用价值。而含碳量在1.6~2.5%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高炉冶炼产品一般来说，生铁和钢的化学成分主要差别是含181.3高炉冶炼产品炼钢生铁作为转炉热装炼钢的原料，约占生铁产量的80~90%。铸造生铁，又称为翻砂铁或灰口铁，用于铸件生产。其主要特点是含硅较高，在1.25~4.25%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。高炉还可生产特殊生铁，如锰铁、硅铁、镜铁（含10~25%Mn）、硅镜铁（含9~13%Si，18~24%Mn）等，主要用作炼钢脱氧剂和合金化剂。1.3高炉冶炼产品炼钢生铁作为转炉热装炼钢的原料，约占生铁191.3高炉冶炼产品此外，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ΣT为指标：ΣT=Pb+Sn+Sb+As+Ti+V+Cr+Zn含微量元素很低的“高纯生铁”ΣT<0.1%。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，微量元素亦很低。其ΣT<0.08%，属国际高纯生铁范畴。1.3高炉冶炼产品此外，生铁中还可能含有部分微量元素。生铁201.3高炉冶炼产品二、高炉渣由于冶炼矿石品位、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0.3~0.5t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。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高炉冶炼产品二、高炉渣211.3高炉冶炼产品三、高炉煤气冶炼每吨生铁可产生1600~3000m3的高炉煤气，其中含有约20%~25%的CO，1~3%的H2，还有少量甲烷（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10~20mg/m3。除尘处理后的高炉煤气发热值约为3350~3770kJ/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。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。1.3高炉冶炼产品三、高炉煤气221.4高炉技术经济指标

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：1.有效容积利用系数式中：P－生铁日产量，t/d；－高炉有效容积，m3；1.4高炉技术经济指标高炉生产的技术水平和经济效果可用如231.4高炉技术经济指标

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。目前世界主要产铁国家年平均高炉有效容积利用系数为2.3～2.8t/(m3·d)，先进高炉达3t/(m3·d)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/(m3·d)的世界先进水平。1.4高炉技术经济指标可见，利用系数愈大，生铁产量愈高，241.4高炉技术经济指标

2.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。式中：Q－每日消耗焦炭量，kg/d。在喷吹燃料时，高炉的的能耗情况用燃料比（K燃）表示，即每吨生铁耗用各种入炉燃料之总和。K燃＝（焦炭+煤粉+重油+…） kg/t1.4高炉技术经济指标2.焦比（K）是生产1吨生铁所251.4高炉技术经济指标

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（K综）。K综＝（K+K`） kg/t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高炉技术经济指标喷吹燃料按对置换比折算为相应的干焦261.4高炉技术经济指标

3.冶炼强度（I）

每m3高炉有效容积每天消耗焦炭的重量。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1.5～1.8t/（m3·d）。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3.冶炼强度（I）每m3高炉有271.4高炉技术经济指标

利用系数、焦比和冶炼强度三者之间的关系为：

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高炉技术经济指标利用系数、焦比和冶炼强度三者之间的281.4高炉技术经济指标

4.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（如S和Si）是否符合国家标准。5.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4.生铁合格率合格生铁量占高炉291.4高炉技术经济指标

6.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。7.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。衡量炉龄的另一个指标是每m3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10000t/m3。1.4高炉技术经济指标6.生铁成本生产1吨生铁所需的301.5高炉炼铁原料和燃料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高炉炼铁原料和燃料原料是高炉冶炼的物质基础，其质量对311.5.1铁矿石分类及特性一、矿石和脉石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，用于冶炼既困难又不经济。1.5.1铁矿石分类及特性一、矿石和脉石321.5.1铁矿石分类及特性一、矿石和脉石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。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铁矿石分类及特性一、矿石和脉石331.5.1铁矿石分类及特性二、天然铁矿石的分类及特征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。1.5.1铁矿石分类及特性二、天然铁矿石的分类及特征34表2-1常见铁（锰）矿石的组成及特征表2-1常见铁（锰）矿石的组成及特征351.5.1铁矿石分类及特性赤铁矿又称红矿，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α-Fe2O3，一为γ-Fe2O3，在一定温度下，当α-Fe2O3转变为γ-Fe2O3时，便具有了磁性。色泽为赤褐色到暗红色，由于其硫、磷含量低，还原性较磁铁矿好，是优良原料。赤铁矿的熔融温度为：1580~1640℃。1.5.1铁矿石分类及特性赤铁矿又称红矿，其主要含铁矿361.5.1铁矿石分类及特性磁铁矿主要含铁矿物为Fe3O4，具有磁性。其化学组成可视为Fe2O3·FeO，其中FeO=30%，Fe2O3·=69%；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：1500~1580℃。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铁矿石分类及特性磁铁矿主要含铁矿物为Fe3O371.5.1铁矿石分类及特性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。它们一般可用TFe/FeO的比值来区分：TFe/FeO=2.33 为纯磁铁矿石TFe/FeO<3.5 为磁铁矿石TFe/FeO=3.5~7.0 为半假象赤铁矿石TFe/FeO>7.0 为假象赤铁矿石式中，TFe－矿石中的总含铁量（%），又称全铁；FeO－矿石中的FeO含量（%）。1.5.1铁矿石分类及特性在自然界中纯磁铁矿很少见，常常由381.5.1铁矿石分类及特性褐铁矿

通常指含水氧化铁的总称。如3Fe2O3·4H2O称为水针铁矿；2Fe2O3·3H2O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铁矿石分类及特性褐铁矿通常指含水氧化铁的总称391.5.1铁矿石分类及特性菱铁矿又称碳酸铁矿石，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FeO·CO2，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铁矿石分类及特性菱铁矿又称碳酸铁矿石，因其晶体401.5.1铁矿石分类及特性三、铁矿石质量评价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铁矿石分类及特性三、铁矿石质量评价411.5.1铁矿石分类及特性1.矿石品位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%，SiO250%，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1.矿石品位421.5.1铁矿石分类及特性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。TFe——原矿含铁量，%；CaO——原矿CaO含量，%1.5.1铁矿石分类及特性矿石的贫富一般以其理论含铁量的7431.5.1铁矿石分类及特性2．脉石成分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Fe45.30，CaO10.05，MgO3.34，SiO211.20。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2．脉石成分441.5.1铁矿石分类及特性若考虑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22~25%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%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451.5.1铁矿石分类及特性3．有害杂质和有益元素的含量有害杂质通常指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。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3．有害杂质和有益元素的含量461.5.1铁矿石分类及特性硫是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热脆性。所谓“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（1150~1200℃）。热加工时，分布于晶界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S≤0.07%，优质生铁S≤0.03%，就是要严格控制钢中硫含量。1.5.1铁矿石分类及特性硫是对钢铁危害大的元素，它使钢材471.5.1铁矿石分类及特性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S≤0.06%为一级矿，S≤0.2%为一级矿，S>0.3%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。硫可改善钢材的切削加工性能，在易切削钢中，S可达0.15~0.3%。1.5.1铁矿石分类及特性高炉炼铁过程可去除90%以上的硫481.5.1铁矿石分类及特性磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。磷能溶于α-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0.08～0.15%。1.5.1铁矿石分类及特性磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷491.5.1铁矿石分类及特性磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。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，生铁含磷量决定于矿石含磷量，要求铁矿石含磷愈低愈好。1.5.1铁矿石分类及特性磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷501.5.1铁矿石分类及特性铅（Pb）、锌（Zn）和砷（As）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铁矿石分类及特性铅（Pb）、锌（Zn）和砷（As511.5.1铁矿石分类及特性铅（Pb）、锌（Zn）和砷（As）铁矿石中的铅、锌、砷常以硫化物形态存在，如方铅矿（PbS）、闪锌矿（ZnS）、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铁矿石分类及特性铅（Pb）、锌（Zn）和砷（As521.5.1铁矿石分类及特性铜在钢中若不超过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（Cu＞1.0%）铸造生铁，它具有很好的机械性能和耐腐蚀性能。1.5.1铁矿石分类及特性铜531.5.1铁矿石分类及特性此外，一些铁矿石还含有碱金属钾、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5~7kg/t·Fe，国外高炉碱金属（K2O+Na2O）入炉限制量为低于3.5kg/t·Fe。1.5.1铁矿石分类及特性此外，一些铁矿石还含有碱金属钾、541.5.1铁矿石分类及特性氟在冶炼过程中以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铁矿石分类及特性氟551.5.1铁矿石分类及特性铁矿石中常共生有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。当它们在矿石中的含量（%）达到一定数值时，如Mn≥5、Cr≥0.06、Ni≥0.2，Co≥0.03，V≥0.1~0.15，Mo≥0.3，Cu≥0.3，则称为复合矿石，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中常共生有Mn、Cr、Ni561.5.1铁矿石分类及特性对于铁矿石中一些有害杂质，如果含量较高，如Pb≥0.5，Zn≥0.7，Sn≥0.2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铁矿石分类及特性对于铁矿石中一些有害杂质，如果含571.5.1铁矿石分类及特性4．矿石的粒度和强度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，大块应破碎，粉末应筛除，粒度应适宜而均匀。一般要求矿石粒度在5~40mm范围，并力求缩小上下限粒度差。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4．矿石的粒度和强度581.5.1铁矿石分类及特性5．铁矿石的还原性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。影响铁矿石还原性的因素主要有矿物组成、矿石结构的致密程度、粒度和气孔率等。1.5.1铁矿石分类及特性5．铁矿石的还原性591.5.1铁矿石分类及特性6．矿石化学成分的稳定性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。1.5.1铁矿石分类及特性6．矿石化学成分的稳定性601.5.2铁矿石的准备处理根据上述质量要求，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。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，以去除其结晶水和CO2，提高品位，疏松其组织，改善还原性，提高冶炼效果。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铁矿石的准备处理根据上述质量要求，一般的铁矿石很611.5.2铁矿石的准备处理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铁矿石的准备处理由于天然富矿资源有限，而其冶金性621.5.2铁矿石的准备处理一、破碎筛分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。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铁矿石的准备处理一、破碎筛分631.5.2铁矿石的准备处理三、焙烧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。菱铁矿的焙烧：在500℃~900℃之间按下式分解：4FeCO3+O2=Fe2O3+2CO2↑褐铁矿的脱水：在250℃~500℃之间发生下述反应：2Fe2O3·3H2O=2Fe2O3+3H2O↑1.5.2铁矿石的准备处理三、焙烧641.5.2铁矿石的准备处理氧化焙烧还可是矿石中的硫氧化：3FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2↑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。2Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2↑2Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O↑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铁矿石的准备处理氧化焙烧还可是矿石中的硫氧化：651.5.2铁矿石的准备处理四、选矿选矿是依据矿石的性质，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铁矿石的准备处理四、选矿661.5.2铁矿石的准备处理四、选矿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铁矿石的准备处理四、选矿671.5.2铁矿石的准备处理现代常用于精选铁矿石的方法重要有三种：（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铁矿石的准备处理现代常用于精选铁矿石的方法重要有681.5.2铁矿石的准备处理现代常用于精选铁矿石的方法重要有三种：（2）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72~320KA/m之间的称为弱磁选机。1.5.2铁矿石的准备处理现代常用于精选铁矿石的方法重要有691.5.2铁矿石的准备处理（3）浮选

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铁矿石的准备处理（3）浮选701.5.2铁矿石的准备处理为了提高浮选效果，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。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铁矿石的准备处理为了提高浮选效果，常使用各种浮选711.5.2铁矿石的准备处理四、造块富选得到的精矿粉，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。1.5.2铁矿石的准备处理四、造块721.5.3熔剂高炉冶炼条件下，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CaO/SiO2=1.0~1.2，可去除生铁中有害杂质硫，提高生铁质量。1.5.3熔剂高炉冶炼条件下，脉石及灰分不能熔化，必须加入731.5.3熔剂一、熔剂的种类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（CaCO3·MgCO3）等。石灰石资源很丰富，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熔剂一、熔剂的种类741.5.3熔剂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熔剂当高炉使用含碱性脉石的铁矿石冶炼时，需要加入751.5.3熔剂二、对碱性熔剂的质量要求1、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（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：CaO有效=CaO－R×SiO2，%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熔剂二、对碱性熔剂的质量要求761.5.3熔剂2、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%。3、强度高、粒度均匀，粉末少。一般大高炉的石灰石粒度为25~55mm，小高炉为10~30mm。最好是同矿石粒度一致。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。1.5.3熔剂2、硫、磷愈低愈好。石灰石一般含硫量0.01771.5.4高炉燃料

一、焦炭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：(1)燃料。燃烧后发热，产生冶炼所需热量。(2)还原剂。焦炭中的固定碳和它燃烧后生成的CO都是铁矿石还原所需的还原剂。(3)料柱骨架。高炉内是充满着炉料和熔融渣、铁的一个料柱，焦炭约占料柱体积的1/3~1/2，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、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。1.5.4高炉燃料一、焦炭781.5.4高炉燃料

高炉对焦炭质量的要求(1)含碳量高，灰分低。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SiO2和Al2O3约占75~80%。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“灰分降低1%(相当于固定碳升高1%)，则焦比降低2%，产量提高3%”的经验。因此应力求降低焦炭的灰分。我国焦炭灰分含量一般为10%~15%，鞍钢为13%~14%，首钢约12%，攀钢约14%，武钢约13%。国外大型高炉一般要求灰分<10%。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。1.5.4高炉燃料高炉对焦炭质量的要求791.5.4高炉燃料

高炉对焦炭质量的要求(2)含硫等有害杂质要少。高炉中的硫约80%来自焦炭。降低焦炭含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0.5~1.0%，鞍钢约0.6%，本钢约0.7~0.8%。国外大型高炉一般含硫要求<0.5%。洗煤、炼焦过程中可去除10~30%的硫，因此加强洗煤，合理配煤是控制焦炭含硫量的主要途径。焦炭含磷一般很少。我国本钢焦炭含磷很低，使用低磷低硫的矿石可炼出高纯生铁或优质生铁。1.5.4高炉燃料高炉对焦炭质量的要求801.5.4高炉燃料

高炉对焦炭质量的要求(3)成分稳定。即要求化学灰分、C、S、H2O等稳定。水分的波动意味着入炉焦炭重量的波动，因而影响炉温稳定。干法熄焦(即用惰性气体代替喷水熄焦)，使焦炭不含水分，从而排除了水分波动的影响；同时因冷却较慢，改善了焦炭强度，并可获得400℃，4.05Mpa的高温、高压蒸汽，供给锅炉发电。1.5.4高炉燃料高炉对焦炭质量的要求811.5.4高炉燃料

高炉对焦炭质量的要求(4)挥发分含量适合。焦炭中的挥发分是炼焦过程中未分解挥发完的有机物，主要是碳、氢、氧及少量的硫和氮。挥发分过高说明焦炭成熟程度可能不够，夹生焦多，在高炉内易产生粉末；挥发分过低说明焦炭可能过烧，易产生裂纹多、极脆的大块焦。因此，焦炭挥发分过高或过低都将影响焦炭的产量和质量。1.5.4高炉燃料高炉对焦炭质量的要求821.5.4高炉燃料

高炉对焦炭质量的要求(5)强度高，块度均匀。机械强度差的焦炭，转运过程中和炉内下降过程中破裂产生大量粉末，大大削弱其柱料的骨架作用，使柱料透气性恶化，炉渣变稠，炉缸堆积，炉况不顺。所以提高焦炭强度，十分重要。1.5.4高炉燃料高炉对焦炭质量的要求831.5.4高炉燃料

高炉对焦炭质量的要求关于焦炭强度通常有两种测定和表示方法，

1.5.4高炉燃料高炉对焦炭质量的要求841.5.4高炉燃料

高炉对焦炭质量的要求大转鼓(松格林转鼓)是过去常用的测定焦炭强度的方法。它是取粒度大于25mm的块焦410kg，放在直径为2.0m，宽0.8m的转鼓内(鼓外缘由Ф25mm圆钢相隔25mm焊成)，转鼓以10r/min的转速转15min。用鼓内残留的重量(kg)表示转鼓指数。转鼓指数愈大，焦炭强度愈好。鼓外小于10mm的重量(kg)为焦粉量。1.5.4高炉燃料高炉对焦炭质量的要求851.5.4高炉燃料

高炉对焦炭质量的要求小转鼓(米库姆转鼓)是近年国际通用的鉴定焦炭强度的方法。它是一个直径和宽度皆为1.0m的封闭转鼓，内壁焊有100×50×10mm角钢四块，互成90°布置。取粒度大于60mm的焦块50kg装入鼓内，以25r/min的转速转4min。然后将试样用直径40和10mm的圆孔筛进行筛分。以粒度大于40mm的焦炭所占的重量百分数M40作为焦炭破碎强度指数；以小于10mm的焦粉所占的重量百分数M10表示焦炭磨损强度指数。显示M40愈大，M10愈小，说明焦炭强度愈好。小转鼓比大转鼓测试方便，表达更为确切。1.5.4高炉燃料高炉对焦炭质量的要求861.5.4高炉燃料

二、喷吹用燃料向高炉内喷吹的辅助燃料可代替部分焦炭，大幅度降低焦比。目前喷吹的燃料已占高炉全部燃料用量的10~30%，有的达40%。在日本和联邦德国一般维持在10%左右，他们更着重于提高喷吹效率。喷吹用燃料来源广泛，可分为固、液、气体三种。1.5.4高炉燃料二、喷吹用燃料871.5.4高炉燃料

二、喷吹用燃料1.5.4高炉燃料二、喷吹用燃料881.5.4高炉燃料

二、喷吹用燃料天然气的主要成分是甲烷(CH4)。有的还含有较高的重碳氢化合物CmHn(4~30%)。同空气混合时的着火温度为680~750℃，遇明火即发生爆炸，其发热值在33500~50200kJ/m3之间，属高热值燃料，也是重要的化工原料。焦炉煤气主要成分是H2(50~60%)和CH4(20~30%)，发热值为15500～19700kJ/m3，亦是高热值煤气。高炉喷吹气体的种类和数量主要取决于当地资源条件

1.5.4高炉燃料二、喷吹用燃料891.5.4高炉燃料

二、喷吹用燃料2.液体燃料。常用于喷吹的有重油，有时还有柴油、焦油。重油是由石油分馏提取汽油、柴油、煤油后剩下的产品。其中可燃物多，含碳86~89%，氢10~12%，硫、灰分、水分少。重油发热量高达40~42MJ/kg，燃烧温度高，火焰辐射能力强，喷吹效果好，贮存方便，喷吹设备简单，易于操作控制，是适宜高炉喷吹的优质燃料。国外高炉多用它，但受资源限制。1.5.4高炉燃料二、喷吹用燃料901.5.4高炉燃料

二、喷吹用燃料3.固体燃料。常用于喷吹的是固定碳高，发热值高的无烟粉煤。一般认为，高炉喷吹用煤应满足低灰分、低硫分、低水分、适宜挥发分产率等质量要求。从国内外高炉生产实践看，高炉喷吹煤种的范围很广，包括无烟煤、烟煤、褐煤等各煤种都可以用来喷吹。如德国蒂森公司喷吹过从挥发分为9%的无烟煤到挥发分达50%的褐煤。日本也将低挥发分无烟煤、高挥发分烟煤等不同煤种用于高炉喷吹。1.5.4高炉燃料二、喷吹用燃料91第一章结束炼铁学教学讲解课件92第二章铁矿烧结炼铁学教学讲解课件93第二章铁矿烧结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。2003年中国生铁总产量为2亿吨，2005年将达2.5亿吨。2003年美国钢铁产品销售量为1.056亿吨，较上年增长6.5％。中国2003年球团矿产量3000万吨，现有63座以上竖炉，生产总面积超过520m2

2.1.1烧结的意义第二章铁矿烧结富矿粉和贫矿富选后得到的精矿粉都不能直接入94第二章铁矿烧结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，而且已事先造渣，高炉可不加或少加石灰石。通过烧结可除去矿石中的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。因此自上世纪50年代以来，烧结生产获得了迅速发展。2.1.1烧结的意义第二章铁矿烧结通过烧结得到的烧结矿具有许多优于天然富矿的95第二章铁矿烧结烧结矿质量对高炉冶炼效果具有重大影响。改善其质量是“精料”的主要内容之一。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。一般要求与天然矿同，仅讨论几个特殊问题2.1.2烧结矿质量评价第二章铁矿烧结烧结矿质量对高炉冶炼效果具有重大影响。改善96第二章铁矿烧结1.强度和粒度。烧结矿强度好，粒度均匀，可减少转运过程中和炉内产生的粉末，改善高炉料柱透气性，保证炉况顺行，从而导致焦比降低，产量提高。烧结矿强度提高意味着烧结机产量(成品率)增加，同时大大减少了粉尘，改善烧结和炼铁厂的环境，改善设备工作条件，延长设备寿命。一个年产500万吨生铁的炼铁厂，若烧结矿强度差，粉末多，使炉尘吹出量增加50kg/t铁，则一年光吹损的烧结矿就达25万吨，相当于浪费了50万吨/年的采选能力，再计上炉况不顺带来的损失，那就更大了。相当于损失一个中型炼铁厂。足见提高烧结矿强度特别是高温还原强度之重要。2.1.2烧结矿质量评价第二章铁矿烧结1.强度和粒度。2.1.2烧结矿质量评97第二章铁矿烧结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25~150mm的烧结矿试样20kg，置于直径1.0m，宽0.65m的转鼓中(鼓内焊有高100mm，厚10mm，互成120°布置的钢板三块)。转鼓以25r/min的转速旋转4分钟。然后用5mm的方孔筛往复摆动10次进行筛分，取其中大于5mm的重量百分比作为烧结矿的转鼓指数：2.1.2烧结矿质量评价第二章铁矿烧结1.强度和粒度。2.1.2烧结矿质量评98第二章铁矿烧结式中A——试样中小于5mm部分的重量，kg。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%。2.1.2烧结矿质量评价第二章铁矿烧结式中A——试样中小于5mm部分的重量，kg99第二章铁矿烧结2.还原性烧结矿还原性好，有利于强化冶炼并相应减少还原剂消耗，从而降低焦比。还原性的测定和表示方法亦未标准化。生产中习惯用烧结矿中的FeO含量表示还原性。一般认为FeO升高，表明烧结矿中难还原的硅酸铁2FeO·SiO2(还有钙铁橄榄石)多，烧结矿过熔而使结构致密，气孔率低，故还原性差。反之，若FeO降低，则还原性好。一般要求FeO应低于10%。国外有低于5%的。鞍钢新烧结厂烧结矿标准规定FeO含量8.5％±1.5％为合格品。2.1.2烧结矿质量评价第二章铁矿烧结2.还原性2.1.2烧结矿质量评价100第二章铁矿烧结3.碱度烧结矿碱度一般用CaO/SiO2表示。按照碱度的不同，烧结矿可分为三类：凡烧结矿碱度(如＜0.9)低于炉渣碱度的称为酸性(或普通)烧结矿。高炉使用这种烧结矿，尚须加入相当数量的石灰石才能达到预定炉渣碱度要求，通常高炉渣的碱度(CaO/SiO2)在1.0左右。凡烧结矿碱度(1.0~1.4)等于或接近炉渣碱度的称为自熔性烧结矿。高炉使用自熔性烧结矿一般可不加或少加石灰石。2.1.2烧结矿质量评价第二章铁矿烧结3.碱度2.1.2烧结矿质量评价101第二章铁矿烧结3.碱度烧结矿碱度(＞1.4)明显高于炉渣碱度的称为熔剂性烧结矿或高碱度(2.0~3.0)、超高碱度(3.0~4.0)烧结矿。高炉使用这种烧结矿无须加石灰石。由于它含CaO高，可起熔剂作用，因此往往要与酸性矿配合冶炼，以达到合适的炉渣碱度。为了改善炉渣的流动性和稳定性，烧结矿中常含有一定量的MgO(如2~3%或更高)，使渣中MgO含量达到7~8%或更高，促进高炉顺行。在此情况下，烧结矿和炉渣的碱度应按(CaO+MgO)/SiO2来考虑。2.1.2烧结矿质量评价第二章铁矿烧结3.碱度2.1.2烧结矿质量评价102第二章铁矿烧结目前世界各国90%以上的烧结矿由抽风带式烧结机生产，其工艺流程如图3-1所示。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烧结反应过程第二章铁矿烧结2.2烧结反应过程103第二章铁矿烧结2.2烧结反应过程第二章铁矿烧结2.2烧结反应过程104第二章铁矿烧结2.2烧结反应过程第二章铁矿烧结2.2烧结反应过程105第二章铁矿烧结2.2烧结反应过程第二章铁矿烧结2.2烧结反应过程106第二章铁矿烧结抽风烧结过程是将铁矿粉、熔剂和燃料经适当处理，按一定比例加水混合，铺在烧结机上，然后从上部点火，下部抽风，自上而下进行烧结，得到烧结矿。取一台车剖面分析，抽风烧结过程大致可分为五层(图3-2)，即烧结矿层、燃烧层、预热层、干燥层和过湿层。这五层并不是截然分开的。点火烧结开始，各层依次出现，一定时间后，各层又依次消失，而最终剩下烧结矿层。一、抽风烧结过程第二章铁矿烧结抽风烧结过程是将铁矿粉、熔剂和燃料经适当处107第二章铁矿烧结一、抽风烧结过程第二章铁矿烧结一、抽风烧结过程108第二章铁矿烧结(1)烧结矿层从表面开始随着烧结过程的进行逐渐增厚。抽入的空气通过烧结矿层被预热供给燃烧，而烧结矿层则被冷却和氧化。在同燃烧层接近处，进行液相的冷却结晶(1000~1100℃)，使烧结物固结形成多孔的烧结矿。一、抽风烧结过程第二章铁矿烧结(1)烧结矿层一、抽风烧结过程109第二章铁矿烧结(2)燃烧层燃料被预热空气燃烧，产生1300~1500℃的高温，使烧结料局部熔化、造渣并进行还原、氧化，石灰石及硫化物的分解反应。从燃料着火开始到燃烧完毕，需要一定时间。故燃烧层有一定厚度，约15~80mm。燃烧层沿着高度下移的速度称为垂直烧结速度，一般为10~40mm/min。这一速度决定着烧结机的生产率。一、抽风烧结过程第二章铁矿烧结(2)燃烧层一、抽风烧结过程110第二章铁矿烧结(3)预热层业已干燥的烧结料被燃烧层的高温气体迅速加热到燃料的着火点(一般为700℃左右，但在烧结层中实际为1050~1150℃)，并进行氧化、还原、分解和固相反应，出现少量液相。一、抽风烧结过程第二章铁矿烧结(3)预热层一、抽风烧结过程111第二章铁矿烧结(4)干燥层同预热层交界处温度约120~150℃，烧结料中的游离水在此大量蒸发，使料干燥。同时料中热稳定性差的一些球形颗粒可能破裂，使料层透气性变坏。一、抽风烧结过程第二章铁矿烧结(4)干燥层一、抽风烧结过程112第二章铁矿烧结(5)过湿层即原始的烧结混合料层。由于干燥层来的废气中含有大量的水蒸气，当其被湿料层冷却到露点温度以下时，水气便重新凝结，使料的湿分超过原始水分，造成过湿现象，使料层透气性恶化。为避免过湿，应确保湿料层温度在露点以上。

一、抽风烧结过程第二章铁矿烧结(5)过湿层一、抽风烧结过程113第二章铁矿烧结可见烧结过程是许多物理和化学变化过程的综合。其中有燃烧和传热；蒸发和冷凝；氧化和还原；分解和吸附；熔化和结晶；矿(渣)化和气体动力学等。在某一层中可能同时进行几种反应，而一种反应又可能在几层中进行。下面对各过程分别进行研究和讨论。一、抽风烧结过程第二章铁矿烧结可见烧结过程是许多物理和化学变化过程的综合114第二章铁矿烧结任何粉料在空气中总含有一定水分，烧结料也不例外。除了各种原料本身带来和吸收大气水分外，在混合时为使矿粉成球，提高料层透气性，常外加一定量的水，使混合料中含水达7~8%。这种水叫游离水或吸附水。100℃即可大量蒸发除去。如用褐铁矿烧结，则还含有较多结晶水(化合水)。需要在200~300℃才开始分解放出，若含有粘土质高岭土矿物(Al2O3·2SiO2·H2O)则需要在400~600℃才能分解，甚至900~1000℃才能去尽。

二、烧结料中水分的蒸发、分解和凝结

第二章铁矿烧结任何粉料在空气中总含有一定水分，烧结料也不115第二章铁矿烧结为加速结晶水分解必须严格控制粉料的粒度。因为结晶水的高温分解要吸收热量，同时消耗碳素，这不论在烧结过程或是高炉冶炼中都要引起燃耗增加，因而不利。其反应为：500~1000℃ 2H2O+C=CO2+2H2 ΔH=99600J/mol1000℃以上时 H2O+C=CO+H2ΔH=133100J/mol 二、烧结料中水分的蒸发、分解和凝结

第二章铁矿烧结为加速结晶水分解必须严格控制粉料的粒度。因116第二章铁矿烧结烧结料中的碳酸盐有CaCO3、MgCO3，如果用菱铁矿和菱锰矿烧结，则还有FeCO3和MnCO3。生产熔剂性或高碱度烧结矿时，需加入大量的CaCO3和一定的MgCO3。它们的分解条件如图3-3所示。CaCO3的分解温度较其他碳酸盐高。其分解反应为:三、碳酸盐分解及矿化作用第二章铁矿烧结三、碳酸盐分解及矿化作用117第二章铁矿烧结其分解速度同温度、粒度、外界气流速度和气相中CO2浓度等相关，温度升高，粒度减小，气流速度加快，气相中CO2浓度降低，则分解加速。在烧结过程中，上述分解温度是完全可以满足的。石灰石的粒度一般小于3mm。这一方面有利于其迅速分解，更重要的是有利于矿化作用，即CaO同其他氧化物反应形成新的矿物的作用。三、碳酸盐分解及矿化作用第二章铁矿烧结三、碳酸盐分解及矿化作用118第二章铁矿烧结烧结料中固体碳的燃烧为形成粘结所必须的液相和进行各种反应提供了必要的条件(温度、气氛)。烧结过程所需要的热量的80~90%为燃料燃烧供给。然而燃料在烧结混合料中所占比例很小，按重量计仅3~5%，按体积计约10%。在碳量少，分布稀疏的条件下，要使燃料迅速而充分地燃烧，必须供给过量的空气，空气过剩系数达1.4~1.5或更高。四、燃料燃烧和传热第二章铁矿烧结四、燃料燃烧和传热119第二章铁矿烧结由于燃料分布不均，在燃料少，透气性好，空气充足处，进行完全燃烧形成氧化区。C焦+O2=CO2在燃料多，透气性差，空气不足处，进行不完全燃烧形成还原区。C焦+1/2O2=CO所以，在燃烧层的燃烧产物中，同时有CO2和CO，还有过剩的O2和不发生反应的N2。在燃烧层中，主要是氧化区，也有部分的还原区。增加燃料用量，减小燃烧速度，可增强还原剂气氛。减少燃料用量，改善料层透气性，增加气流速度和含氧量，可提高燃烧速度，提高烧结过程的氧势。四、燃料燃烧和传热第二章铁矿烧结由于燃料分布不均，在燃料少，透气性好，空气120第二章铁矿烧结燃料燃烧虽然是烧结过程的主要热源，但仅靠它并不能把燃烧层温度提高到1300~1500℃的水平。相当部分的热量是靠上部灼热的燃烧矿层将抽入的空气预热到足够高的温度来供给燃烧层燃料燃烧的。灼热的烧结矿层相当于一个“蓄热室”。这一作用称为烧结过程中的自动蓄热作用。热平衡分析指出，这种自动蓄热作用带来的热量约占供热总量的40%。四、燃料燃烧和传热第二章铁矿烧结四、燃料燃烧和传热121第二章铁矿烧结随着烧结过程的进行，燃烧层向下移动，烧结矿层增厚，自动蓄热作用愈显著，愈到下层燃烧温度愈高。这就出现上层温度不足(一般为1150℃左右)，液相不多，强度较低，返矿较多；而下部温度过高，液相多，过熔，强度虽高而还原性差，即上下烧结矿质量不均的现象。为改善这种状况，提出了具有不同配碳量的双层或多层烧结的方法。即上层含碳量应高于平均含碳量，而下层应低于平均含碳量，以保证上下层温度均匀，质量一致。而且节省燃料。苏联采用分层烧结某矿粉，下部含碳量低1.2%，节省燃料10%，联邦德国某厂使用双层烧结，节省燃料15%，日本用此法节省燃料10%。四、燃料燃烧和传热第二章铁矿烧结随着烧结过程的进行，燃烧层向下移动，烧结矿122第二章铁矿烧结随着烧结料层的增厚，自动蓄热量增加，有利于降低燃料消耗，但随着料层厚度增加，蓄热量的增加逐渐减少，所以燃耗降低幅度也减小。当烧结矿层形成一个稳定的蓄热层后，则蓄热量将不再增加，燃耗也不再降低。因此，从热量利用角度看，厚料层烧结是有利的，但不是愈厚愈好，在一定的条件下，存在着一个界限料层高度。同时料层高度的进一步增加还受到透气性的限制。高温区(燃烧层)的温度，下移速度和厚度也对烧结过程有重大影响。高温区厚度增加可保证高温烧结反应有充分时间进行，提高质量，但过厚则增加气流阻力。四、燃料燃烧和传热第二章铁矿烧结随着烧结料层的增厚，自动蓄热量增加，有利于123第二章铁矿烧结1.铁氧化物的分解还原和氧化烧结过程宏观上是氧化性气氛，但在燃烧颗粒表面附近或燃料集中处，CO浓度极高，故也有局部还原性气氛。即微观来看，在料层中既有氧化区也有还原区，因此对铁矿物同时存在着氧化、还原、分解等反应。五、氧化、还原反应及有害杂质的去除

第二章铁矿烧结1.铁氧化物的分解还原和氧化五、氧化、还原124第二章铁矿烧结在有CO存在的区域，只要300℃左右，Fe2O3就很易被还原：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

此反应所需的CO平衡浓度很低。所以一般烧结矿中自由Fe2O3很少。在有固相反应生成CaO·Fe3O4的条件下，Fe2O3较难还原，烧结矿中FeO较低。五、氧化、还原反应及有害杂质的去除

第二章铁矿烧结五、氧化、还原反应及有害杂质的去除125第二章铁矿烧结磁铁矿(Fe3O4)分解压很小，较难分解。但在有SiO2存在时，Fe3O4的分解压接近Fe2O3分解压，故在1300~1350℃以上亦可进行热分解：2Fe3O4+3SiO2=3(2FeO·SiO2)+O2

在900℃以上，Fe3O4可被CO还原，Fe3O4+CO=3FeO+CO2

五、氧化、还原反应及有害杂质的去除

第二章铁矿烧结五、氧化、还原反应及有害杂质的去除126第二章铁矿烧结SiO2存在时，促进了这一还原，2Fe3O4+3SiO2+2CO=3(2FeO·SiO2)+2CO2

CaO存在时，不利于2FeO·SiO2的生成，故不利于反应进行。因此，烧结矿碱度提高后，FeO会有所降低。MnO2和Mn2O3比Fe2O3具有更大的分解压力，在较低温度下即可进行分解。五、氧化、还原反应及有害杂质的去除

第二章铁矿烧结五、氧化、还原反应及有害杂质的去除127第二章铁矿烧结FeO分解压力很小，927℃时为6.4×10-18Mpa，在一般烧结条件下，FeO很难被CO还原为Fe。因为在700℃时，反应FeO+CO=Fe+CO2的气相平衡中CO2/CO=0.666，温度升高，此值下降，所需CO浓度较高。在配碳量很高和烧结温度很高情况下，上述反应可进行，从而获得一定数量的金属铁。

五、氧化、还原反应及有害杂质的去除

第二章铁矿烧结五、氧化、还原反应及有害杂质的去除128第二章铁矿烧结在燃烧层中距碳粒较远的区域，氧化性气氛较强。可以使Fe3O4和FeO氧化：2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3

3FeO+1/2O2=Fe3O4

在空气通过灼热的烧结矿层时，也进行氧化反应，烧结矿气孔壁表面有氧化层就是证明。正因为如此，烧结过程中还原得到的少量金属铁，很容易被抽入的空气氧化。因此烧结矿中金属铁量甚微，一般在0.5%以下。五、氧化、还原反应及有害杂质的去除

第二章铁矿烧结五、氧化、还原反应及有害杂质的去除129第二章铁矿烧结2.有害杂质的去除烧结过程可以部分去除矿石中硫、铅、锌、砷、氟、钾、钠等对高炉有害的物质，以改善烧结矿的质量和高炉冶炼过程。这是铁矿烧结的一个突出优点。五、氧化、还原反应及有害杂质的去除

第二章铁矿烧结2.有害杂质的去除五、氧化、还原反应及有害130第二章铁矿烧结(1)烧结去硫。烧结可以去除大部分的硫。以硫化物形态存在的硫可以去除90%以上，而硫酸盐的去硫率也可达80~85%。高炉要求入炉天然矿石(一极品)含S≤0.06%。国家颁布标准规定入炉一级烧结矿含S≤0.08%。烧结是处理高硫铁矿的一个有效途径。铁矿石中的硫常以硫化物形态(FeS2)和硫酸盐(CaSO4、BaSO4等)的形式存在存在。

五、氧化、还原反应及有害杂质的去除

第二章铁矿烧结五、氧化、还原反应及有害杂质的去除131在低于1350℃时，以生成Fe2O3为主，在高于1350℃时，主要生成Fe3O4。在低于1350℃时，以生成Fe2O3为主，132第二章铁矿烧结硫酸盐的分解压很小，开始分解的温度相当高，如CaSO4大于975℃，BaSO4高于1185℃。因此其去硫比硫化物困难。但当有Fe2O3和SiO2存在时，可改善其去硫热力学条件。CaSO4+Fe2O3=CaO·Fe2O3+SO2+1/2O2 ΔH=485J/molBaSO4+SiO2=BaO·SiO2+SO2+1/2O2 ΔH=459J/mol 五、氧化、还原反应及有害杂质的去除

第二章铁矿烧结硫酸盐的分解压很小，开始分解的温度相当高，133第二章铁矿烧结硫化物的去硫反应为放热反应，而硫酸盐的去硫反应则为吸热反应。因此，提高烧结温度对硫酸盐矿石去硫有利。而在烧结硫化物矿石时，为稳定烧结温度，促进脱硫，应相应降低燃耗。大致1kg硫相当于0.5~0.6kg焦粉。硫化物烧结去硫主要是氧化反应。高温、氧化性气氛有利于去硫。两者都与燃料量直接有关。燃料量不足时，烧结温度低，氧化反应速度慢。但燃料过多，温度过高，易产生过熔(FeO与FeS易形成低熔物)和表面渣化，阻碍了O2向硫化物表面的扩散吸附和SO2的扩散脱附过程，反使脱硫率降低，同时燃料量过多，料层中还原气氛浓，亦影响去硫。凡能够提高烧结过程氧势的措施均有利于去硫。五、氧化、还原反应及有害杂质的去除

第二章铁矿烧结硫化物的去硫反应为放热反应，而硫酸盐的去硫134第二章铁矿烧结矿粉粒度大，扩散阻力增加，不利于去硫；但若粒度过细，料层透气性不好，容易引起烧结过程不均，产生烧不透的生料，降低去硫率。最佳去硫率的适宜矿粉粒度为0~6mm。烧结料中石灰物质硫酸化的结果使去硫平均降低5~7%。事实上熔剂性烧结矿中以CaS形态存在的硫较多。表明CaO的吸硫作用降低了烧结过程的去硫效率、鞍钢