钢铁冶金(炼铁部分)重点

1.4.1高炉炼铁工业流程及炉内主要过程

高炉系统

高炉本体、原燃料系统、上料系统、送风系统、渣铁处理系统、煤气净化系统

高炉过程特点

在炉料与煤气逆流运动的过程中完成了多种错综复杂地交织在一起的化学变化和物理

变化，且由于高炉是一个密闭的容器，除去上料和排除产物外，只能凭借仪器、仪表间接观

察。

高炉冶炼过程的主要目的

用铁矿石经济而高效率地得到温度和成分合乎要求的液态生铁。

①实现矿石中金属元素和氧元素的化学分离——还原过程；

②实现已被还原的金属与脉石的机械分离——熔化与造渣过程；

③控制温度和液态渣铁之间的交互作用得到温度和化学成分合格的铁液。

1.4.1.2生产过程中应严密控制的关键性环节

,A送风条件

在保证顺行的前提下，鼓入炉内的风量越大则生产率越高；风口循环区在炉

缸半径方向上大小适当，在圆周方向上分布均匀，以保证煤气分布合理；根据鼓风成分以及

是否喷吹辅助燃料，调节鼓风温度以适应炉内状态的需要。

•B软熔区的位置、形状、尺寸

软熔区起着煤气分配器的作用。其位置、形状及大小对顺行、产量、燃料消

耗量及铁水成分影响很大。操作中应监测软熔区形态的变化，并及时调整，以保证高炉整体

运行于最佳状态。

■C固体炉料区的工作状态

决定单位生铁燃料消耗量的关键。要使该区达到较佳的工作状态，首先要严

格要求入炉原料达到质量标准;其次要遵守炉顶装料制度并根据炉况变化随时调节焦炭及矿

石在炉内的分布，使由软熔区上升的煤气完成合理的再分布；最后还要尽可能充分利用煤气

的化学能（表现为炉顶逸出煤气的利用率高）和热能（炉顶温度低）。

1.4.2含铁原料及其他辅助原料

■1.4.2」铁矿石

地壳中的铁矿石贮量较丰富，按元素总量计占4.2%,仅次于氧、硅及铝居

第四位。绝大多数以氧化物、硫化物或碳酸盐等形式存在。

凡在当前技术条件下，能够从中经济地提取出金属铁的岩石成为铁矿石。铁

矿石中除含Fe的矿物外，还含有其他化合物，统称为脉石。

A.铁矿石的分类

1.赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿

②脉石的成分及分布

铁矿石中的脉石包括A12O3、SiO2、CaO、MgO等金属氧化物，难以在高

炉中被还原，最终以炉渣形式与金属分离。

冶炼工作中应根据铁矿石带入脉石的成分和数量配加适当的“助熔剂”，简称

“熔剂”。

矿石中A12O3质量分数高将提高炉渣的熔点。

矿石中（CaO+MgO）质量分数较高时，可允许矿石品位略低。

矿石中脉石的结构和分布，对于贫矿有重要意义。如果含Fe矿物结晶颗粒粗

大，在选矿过程中易于实现有用矿物的单体分离，以达到有效富集。相反则需消耗更多的能

量。

此外，有用矿物和脉石的矿物结构决定了矿石的致密程度，影响矿石的机械

强度及还原性。

元素允许的质量分数%危害及相关说明

SW0.3使钢产生“热脆”现象

PW0.3酸性转炉生铁使钢产生“冷脆”

0.03-0.18碱性平炉生铁现象，冶炼及烧结

0.2〜1.2碱性转炉生铁过程中不能脱磷

0.05-0.15普通铸造生铁

0.15—0.6高磷铸造生铁

ZnW0.1~0.2900℃挥发，上升冷凝于炉墙，烧结可去处50—60%

PbW0.1沉积于炉底，破坏砖衬；蒸气上升累积，破坏炉衬

CuW0.2少量可改善耐腐蚀性，过多使钢产生“热脆”

AsW0.07使钢“冷脆”，不易焊接

Ti(TiO2)15—16降低钢的耐磨性，使炉渣变粘易起泡

K,Na易挥发，循环累积，造成积瘤，降低矿石及焦炭强

度

F高温下气化，腐蚀金属，危害农作物及人体

④有益元素含量

Cr、Ni、VNb

⑤矿石还原性

矿石在炉内被煤气还原的难易程度称为“还原性易于还原的矿石可降低碳

素消耗。矿石的还原性与其结构有关。

⑥矿石的高温性能

矿石在受热及被还原的过程中及还原后应保持足够强度而不至破碎，以免粉

矿堵塞气流通道。

矿石软化熔融温度区间不宜过宽，一方面可保持炉内有良好的透气性，另一

方面可使矿石在软熔前达到较高的还原度，以减少高温直接还原度，降低能源消耗。

C.国外铁矿石分布及成分

D.矿石入炉前的加工处理

“平铺切取”法（中和、混匀处理）

天然富矿破碎——筛分

矿石粒度的下限为8mm,大可至20-----30mm，小于5mm的称为"粉末”,

不能入炉。

低品位矿破碎——筛分——选矿（磁选、重力选、浮选等）

2

粉矿造块工艺：烧结工艺、球团工艺

L4.2.2熔剂

常用碱性熔剂：石灰石（CaCO3）、白云石［Ca（Mg）CO3|

质量要求：①有效成分含量高（有效熔剂）

②S、P等有害杂质含量低

［3（CaO）+«（MgO）］有效=［3（CaO）+（MgO）］-w（SiO2）XR

*炉料结构变化对熔剂加入的影响

特殊熔剂：萤石（CaF2）、均热炉渣（FeO）主要用于洗刷炉墙上的粘结物或炉缸堆

积以及炉况不顺时造成低熔点、低粘度的炉渣。

1.4.3高炉燃料

•1.4.3.1焦炭

焦炭在高炉内的作用：

①在风口前燃烧，提供冶炼所需热量；

②固体C及其氧化产物co,是氧化物的还原剂；

③在高温区，矿石软化熔融后，焦炭是炉内唯一以固态存在的物料，是支

撑高达数卜米料柱的骨架，同时又是风口前产生的煤气得以自上而下畅通流动的高透气性通

路；

（4）铁水渗碳。

（即：热量提供者、还原剂提供者、透气性骨架、渗碳剂）

A.高炉冶炼对焦炭的质量要求

（1）强度：（转鼓指数）

（2）固定C及灰分含量

焦炭含灰分高则含碳量低。灰分增加必须配加数量与灰份相当的碱性氧化物以造渣。

焦炭含灰分量增加时，高炉实际渣量将以比灰分量两倍的比率增长。

此外，灰份高对焦炭强度有害。

焦炭灰分的质量分数每增加1%,焦比升高2%,高炉产量下降3%。

*焦炭中灰分的质量分数主要是由原煤灰分的质量分数及炼焦前最经济的洗煤工艺条

件决定的。

⑶硫：焦炭带入的硫占冶炼单位生铁所需原料总硫量的80%左右

冶炼每吨生铁的炉料带入的总硫量称为“硫负荷

焦炭中的质量分数每提高0.1%,高炉焦比升高1.2%〜2.0%。

一类焦SW0.6%二类焦0.6%VSW0.8%三类焦0.8%VSW1.0%

（4）挥发分含量

挥发分在焦炭中残留较高，则说明干微时间短，不能构成结晶完善程度好、

强度足够高的焦炭。挥发分过低，会形成小而结构脆弱的焦炭。

⑸成分和性能的稳定性及粒度

成分和性能：铁矿石（中和、混匀）焦炭（提高炼焦工艺）

粒度：有两方面的因素对焦炭的平均粒度提出不同要求。一是缩小粒度（从

提高焦炭成品率，降低成本的经济因素方面考虑；从冶炼过程考虑，加速炉内传热传质）。

二是增大粒度（从软熔带透气性考虑）

处理这一矛盾的原则：在保证高炉操作顺行的前提下，尽量采用小粒度的焦

炭，焦炭粒度比矿石大3〜5倍为最佳。

（6）反应性

3

高炉用焦炭希望较低的反应性，以保障高炉良好的透气性。

B.炼焦工艺

干燥——预热(50~200℃)——热分解(200-300℃)——

软化(300-500℃)——固化为半焦(500-800℃)——

成焦(900-1000℃)

炼焦工艺过程中影响焦炭质量的环节大体上可分为洗煤、配煤、焦炉操作

及熄焦等，其中配煤起着决定作用。

洗煤的目的在于降低原煤中的灰分及硫的质量分数。配煤中最重要的是捽制

混合煤料的胶质层厚度。

熄焦炭操作：水熄焦、气熄焦

C.型焦

1.4.3.2煤粉

高炉对煤粉的质量要求：

①灰分含量低，固定碳含量高；

②含硫量低；

③可磨性好；

④粒度细：

⑤爆炸性弱：

⑥燃烧性和反应性好。

1.4.3.2煤粉

高炉对煤粉的质量要求：

①灰分含量低，固定碳含量高；

②含硫量低；

③可磨性好；

④粒度细；

⑤爆炸性弱：

⑥燃烧性和反应性好。

高炉冶炼需要煤粉有较好的反应性。煤粉自风口喷入炉内后，需在极短的时

间内燃烧而转变为气体并释放出热量。如果煤粉在风口内不能大部分气化，剩余部分将随煤

气一同上升，一方面影响喷煤效果，另一方面大量未燃烧的煤粉会使料柱透气性变差，甚至

影响炉况顺行。

1.4.3.3气体燃料

高炉煤气、焦炉煤气、天然气

1.4.4耐火材料

钢铁工业耐火材料消耗占所有工业耐火材料消耗量的40%50%。

耐火材料分类：~

按耐火度分类：①普通耐火材料(1580-1770℃)；②高级耐火材料

(1770-2000℃)；③特殊耐火材料(>2000℃)

按化学特性分类:①酸性耐火材料，以SiO2质为主;②碱性耐火材料，以CaO、

MgO质为主；③中性耐火材料，以A12O3、Cr2O3、C质为主

按制造工艺和成品形态分类：①定性耐火材料(如耐火砖)；②不定性耐火材料

(如固体散状料，耐火泥、耐火泥浆、耐火纤维等)

4

1.441高炉砌体用耐火材料

高炉常用耐火材料：高级粘土砖、高铝砖、碳砖、SiC砖、喷涂泥浆等。

高炉用耐火材料基本原则：耐磨损、耐冲击（炉喉部位耐材）；耐磨损（炉

身上部破衬）：抗碱金属腐蚀（炉身中下部砖衬）；抗炉渣冲刷及侵蚀（炉腹以下砖衬、堵口

泥以及铁水沟的铺垫材料）、导热及抗铁水渗透（炉底砖）。

1.4.4.2热风炉用耐火材料

硅砖，要求SiO2>93%,一般用SiO2>96%的原硅石，假如“矿化剂”和“结

合剂“，经成型后烧制而成。

耐火材料技术是冶金炉长寿的关键性技术。

1.443几种重要的不定型耐火材料

A铁口炮泥

B喷补泥浆

C制作及铺垫撇渣器及铁水沟的材料

D绝热材料

分类：（1）600~900℃低温绝热材料

（2）900-1200℃中温绝热材料

（3）>1200℃高温绝热材料

1.4.5高炉产品

1.451生铁

生铁是Fe与C及其他少量元素（Si、Mn、P、S等）组成的合金，其C的质

量分数随其他元素的含量而变，但处于化学饱和状态，通常C%的范围为2.5%〜5.0%。

生铁质硬而脆，有较高的耐压强度，但抗张强度低。生铁无延展性，无可焊

性，但当C%下降至2.0%以下时，上述性能有极大改善。

生铁分类：炼钢生铁、铸造生铁

1.4.5.2铁合金

铁合金多用矿热炉生产，少量高碳或稀土铁合金可用高炉冶炼。

高炉冶炼常见品种：钵铁硅铁稀土硅铁

炼钢生铁里的碳主要以碳化铁的形态存在，其断面呈白色，通常又叫白口铁。这

种生铁性能坚硬而脆，一般都用做炼钢的原料。

铸造生铁中的碳以片状的石墨形态存在，它的断口为灰色，通常又叫灰口铁。由于石

墨质软，具有润滑作用，因而铸造生铁具有良好的切削、耐磨和铸造性能。但它的抗位强

度不够，故不能锻轧，只能用于制造各种铸件，如铸造各种机床床座、铁管等。

球墨铸铁里的碳以球形石墨的形态存在，其机械性能远胜于灰口铁而接近于钢，它具有

优良的铸造、切削加工和耐磨性能，有一定的弹性，广泛用于制造曲轴、齿轮、活塞等高级

铸件以及多种机械零件。

1.4.5.3高炉煤气

高炉冶炼每吨生铁产生的煤气量随焦比水平的差异及鼓风含氧量的不同差别很大，煤气

成分也差别很大。先进的高炉能够充分地利用煤气的化学能和热能。

高炉冶炼生铁过程CO的利用率可超过50%,即煤气中W（CO）<21%,而V（CO2）

稍高。高炉冶炼铁合金时煤气中W（CO2）几乎为零。

高炉煤气用途：热风炉、焦炉、轧钢加热炉、自备发电厂等的燃料。

5

*全焦炼铁

1.4.5.4炉渣

大型高炉渣量约300——600Kg,炉渣是有多种金属氧化物构成的复杂硅酸盐

系，外加少量硫化物、碳化物等。

除特殊情况外，炉渣的主要成分范围为(CaO)%=35%〜44%；(SiO2)%=32%

-42%；(A12O3)%=6%~16%；(MgO)=4%~13%；以及少量的MnO、FeO、CaS等。

常见处理方式及产品：

水冲渣(制造水泥)

干渣(铁路道渣、公路路基材料)

矿渣棉(不定形绝热材料)

1.4.6高炉冶炼的主要技术经济指标

1.461高炉有效容积利用系数

有效容积：大钟落下时其底边平面至出铁口中心线之间的炉内容积。

有效容积利用系数：规定工作时间内，每立方米有效容积每昼夜生产的合

格铁水的吨数。

有效容积利用系数[t/m3.d]=

1.4.66入炉焦比、综合焦比、综合折算焦比

⑴入炉焦比又称净焦比，冶炼每吨生铁消耗的干焦的千克数。

⑵折算入炉焦比

干焦耗用量(Kg)

折算入炉焦比=

合格生铁折算产量(f)

⑶综合焦比

每生产一吨生铁所消耗的干焦数量以及各种辅助燃料折算为干焦量总和。

干焦耗用量+Z喷吹燃料x折算系数,)_综合干焦耗用量

综合焦比=合格生铁折算产量⑺(g合格生铁产量

综合干焦耗用量(Kg)

⑷折算综合焦比折算综合焦比=

合格生铁折算产量(。

1.4.6.3煤比

煤粉耗用量

煤比=（心〃）

合格生铁产量

合格生铁产量

生铁合格率=00%

1.4.6.4生铁合格率生铁总产量(包括不合格产品)

1.4.6.5衡量辅助燃料喷吹作业的指标

⑴喷吹率

喷吹燃料总量

喷吹率X100%

总燃料消耗量

6

⑵置换比

R=K「K尸

M

R—喷吹辅助燃料的置换比K0—未喷吹辅助燃料前的实际平均焦比

K1——喷吹辅助燃料后的平均入炉焦比△EK——对焦比影响的代数和

1.466冶炼强度与综合冶炼强度

⑴冶炼强度

冶炼强度=有效蓝图作心国》

⑵综合冶炼强度综合冶炼强度=有嘉缥整日［〃画初

有效容积利用系数、焦比、以及冶炼强度之间存在以下关系：

冶炼强度

在不喷吹辅助燃料时:利用系数=

焦比

综合冶炼强度

喷吹辅助燃料时:利用系数=

146.7燃烧强度综合焦比

一昼夜干焦耗用量

燃烧强度=[r/(m2J)]

炉缸截面积

每批炉料中铁矿石与镒矿石总重

1.4.6.8焦炭负荷焦炭负荷

每批炉料中焦炭量

1.4.6.9休风率

休风率是指高炉休风时间（不包括计划中的大、中、小修）占规定工作时间

的百分数。

作业率与休风率之和为100%。

1.4.6.10生铁成本

1.4.6.11炉龄

两代高炉大修之间高炉实际运行的时间。

1.4.6.12吨铁工序能耗

高炉系统

高炉过程特点

高炉冶炼过程的主要目的

高炉内各区域的分布

7

铁矿石评价

有效碱

焦炭在炉内的作用

高炉冶炼对焦炭的质量要求

高炉冶炼对煤粉的质量要求

高炉冶炼的主要技术经济指标（高炉有效容积利用系数、焦比、煤比、喷吹率、置换

比、冶炼强度、置换比、焦炭强度）

第二章铁矿粉造块

2.1粉矿造块的意义和作用

铁矿粉造块的必要性：

・现代大型高炉生产对原料的精料要求。

•天然富矿少，中选矿后粒度细，不适合在填充床中的冶炼。

•通过造块工艺，可改善铁矿石的冶金性能。

•通过造块过程，可脱除某些杂质，如：S、P、K、Na。

­造块过程可综合利用冶金企业产生的大量粉尘和烟尘。

铁矿粉造块的目的：

①将粉状料制成具有高温强度的块状料以适应高炉冶炼、直接还原等在流体力学

方面的要求；

②通过造块改善铁矿石的冶金性能，使高炉指标得到改善；

③通过造块去除某些有害杂质，回收有益元素，达到综合利用资源和扩大铁矿石原

料资源的目的。

2.2造块的基础理论

散状物料聚结现象是颗粒间相互联结力与相互排斥力作用的最后结果：

颗粒间固结力=联结力一排斥力

颗粒间的相互联结力：

①引力：分子吸引力（范德华力），静电接触电位，磁力，过剩电荷引力

②液相作用力：水桥，表面张力（毛细力），高粘度液体粘合

③固体联结力：盐类晶桥，熔化物固结一液相烧结，粘结剂硬化联结，固相烧结,

化学反应联结等

④其他：氢键联结，形状因素——钩联或镶联

2.3烧结过程

2.3.1一般工艺过程

烧结生产是一种抽风烧结过程，即将铁矿粉、熔剂、燃料、代用品及返矿按

一定比例混合，配加适量水分，经混合造球后，铺于烧结机台车上，在一定负压下点火，自

上而下进行。

在某一烧结时刻，烧结料分为五层：

⑴烧结矿层（成矿层）

主要反应：液相凝固、矿物析晶，预热空气，约40—50mm

⑵燃烧层

主要反应：燃料燃烧，温度可达1100〜1500℃,20-40mm

（3）预热层

主要过程：混合料被燃烧层下来的热废气「燥和预热，特点是热交换进行得迅速剧烈。

8

(4)冷料层(过湿层)

主要过程：上层废气中的水分在本层降温到露点而冷凝析出。

⑴结晶水分解

分解反应为吸热反应，因而用褐铁矿或强磁选和浮选的褐铁精矿粉烧结时,

需要更多的燃料，配量一般高达9%〜11%。

⑵碳酸盐分解

在烧结过程中不仅要求CaC03完全分解，而且要求分解出来的CaO完全为

液相完全吸收与其他矿物结合，而不希望有游离的CaO存在。

影响烧结过程中石灰石完全分解并与矿石化合的因素主要是石灰石的粒度，

烧结温度和烧结混合料中矿石的种类和粒度。

为保证石灰石完全分解，并被矿石所吸收，粒度不应超过3mm。

⑶高价氧化物分解

铁和镐的高价氧化物的分解压较高，其在大气中开始分解和沸腾

分解温度如下：

Mn02

Mn2O3Fe2O3

pO2=20.6kPa(0.21at)460℃927℃

1383℃

pO2=98.0kPa(1.0at)550℃1100℃

1452℃

在烧结过程中，气氛中的氧分压为11.76-18.6kPa(0.18~0.19at),而在预热层中废

气含氧8%~10%,氧的分压仅为国为7.1~8.8kPa(0.072~0.09at),MnO2,Mn2O3在预

热层开始分解，在燃烧层达到沸腾分解，同时Fe2O3也在燃烧层分解，有时甚至是剧烈分

解。Fe3O4和FexO因其分解压很小，在烧结条件下不可能分解。

2.323还原与再氧化反应

烧结过程中由于原料中碳分布的偏析和气体组成成分分布的不均匀性，使得某些地

区，特别是在燃料颗粒周围的(CO2)/(CO)比值很小，而该处温度较高，部分Fe2O3

可还原为FexO,甚至可能被还原为Fe。在离燃料颗粒较远的地区该比值可能很大，相应

氧含量较多，Fe3O4和FexO可能被氧化。

烧结过程中的实际还原过程取决于烧结配料和工艺等条件，例如烧结配料中的配碳

量，矿粉本身的还原性，矿粉与还原剂接触的表面积和时间，烧结温度等。

2.324气化反应

烧结过程中的气化反应能脱出某些有害杂质，气化反应有三种类型：

(1)、氧化2/652+5^。2=/^2。3+45。2

2FeS+3；。2=FeG+2soi

烧结原料中的硫大部分以上述反应形式脱除。在条件控制适当时，烧结过程可脱硫85%〜

95%。配碳过高不利于脱硫，脱硫属放热反应，可适当降低配碳量。

加入石灰石虽有利于形成氧化性气氛，但CaO能强烈吸收SO2,对脱硫不利。

神的脱除也需要适当的氧化气氛，As氧化为As203,其沸点为460°C，且易

挥发，但过分氧化生成的As205不能气化，但氧化为As203后

9

易被碱性物质如CaO等吸收。因此，一般烧结过程中As的脱除率不超过50%。当有S

存在时能够生成易挥发的As2s3(沸点565℃),有利于As的脱除。

(2)、还原

某些易挥发的元素如能在烧结过程中被还原也可以气化脱除，这些元素包括Zn、

K、Na等。困难的是这些元素的氧化物再烧结料中形成盐类，难以还原。

(3)、氯化

氯化烧结易腐蚀设备，污染环境及降低烧结矿强度。因此，再生产中为予以应用。

2.325水分蒸发和凝结

烧结料为造球需加入一定量的水分(精矿粉8%,富矿粉4〜5%)。

在混合料预热阶段，水分即开始蒸发。

混合料的干燥经历了恒温干燥和升温干燥两个阶段。

废气经干燥层后，温度有1100~1500℃降到100°C以下，使得废气的饱和蒸汽压

急速下降，含有较多蒸汽的废气在下部混合料层重新凝结成水，烧结料出现过湿现象。

生产中过湿现象的防止

(1)、适当控制混合料初始水分

水分减少，水分凝结少，干燥时间缩短，烧结速度加快，生产效率提高。

(2)、提高混合料的温度

2.3.3烧结过程中的主要反应固结反应

烧结料的固结经历了固相反应、液相生成和冷凝固结。

2.3.3.1固相反应

颗粒之间的固相反应是在一定温度条件卜这种或那种离子克服晶格中的结合力，

在晶格内部进行位置交换，并扩散到与之相接触的邻近的其他晶格内进行的反应。

固相反应能够进行的重要因素是温度。

233.2液相生成

烧结过程中一些低熔点物质在高温作用下，熔化成液态物质，在冷却过程中，液

体物质凝固而成为那些尚未熔化和溶入液相的颗粒的坚固连接桥。液相生成是烧结成型的基

础，液态物质的数量和性质是影响烧结固结好坏，乃至冶金性能的重要因素。

四种主要低熔点物系：

(1)FeO-SiC^

铁橄榄石，熔点1205°C,是非熔剂性烧结矿的主要固结相。

(2)CaO-SiO2系

硅灰石，熔点1540℃,熔化温度高，不可能成为烧结矿的主要固结相。

(3)CaO-Fe2O3系

2CaO.Fe2O3,熔点1449℃,熔剂性烧结矿主要固结相。

(4)CaO-SiO2-FeO系

铁钙橄榄石，熔点1093℃；铁钙方柱石，熔点1200°C；铁钙辉石，熔点1217

233.3冷凝固结

烧结层移动后，被熔化的物质温度下降，液相释放出能量而结晶变成玻璃体。

如果在冷凝过程中放出了几乎所有多余能量，则液相全部转变为结晶体析出。

A非自熔性烧结矿的冷凝固结

B熔剂性烧结矿的冷凝固结

233.4烧结矿的矿物组成及结构

10

烧结矿是一种由多种矿物组成的复合体。由于烧结条件和工艺条件不同，

其矿物组成不尽相同。

常见烧结矿的显微结构如下：

(1)粒状结构

由烧结矿中先结晶出的自形晶、半自形晶或他形晶的磁铁矿与粘结相矿物晶

粒相互作用组成。

(2)斑状结构

由磁铁矿斑状结晶与较细粒的粘结相矿物相互结合而成。

(3)骸状结构

烧结矿中早期结晶磁铁矿晶体中，由粘结物充填与其内，而仍大致保持磁

铁矿原来的结晶外形和边缘部分的骸晶状结构。

(4)丹点状的共晶结构

烧结光中磁铁矿呈圆点状存在与橄榄石晶体中和赤铁矿圆点状晶体分布

在硅酸盐晶体中的结构。

(5)熔蚀结构

在高碱度烧结矿中出现，磁铁矿被铁酸钙熔蚀，是晶粒小、浑圆形状的铁矿，他

形晶或半自行晶，与铁酸钙紧紧相连而形成熔蚀结构。两者之间有较大的接触面和摩擦力，

因此镶嵌牢固，烧结矿有较好的强度，他是高碱度烧结矿的主要矿物结构。

烧结矿矿物组成及结构是影响烧结矿质量的重要因素。

对强度的影响表现在：

(1)烧结料的矿化和粘结相的发展程度。

(2)烧结矿矿物组成中矿物或玻璃相的自身强度。

(3)矿物组成和结构形成过程中伴随产生的内应力。

对还原性的影响表现在：

(1)矿物组成自身的还原性。

(2)矿物结构。

2.3.5.1烧结作业

烧结工艺的基本参数

•料层高度为350—700mm；

•点火温度为950—1200℃；

•抽风负压为1000—1600mmH20柱；

•烧结温度为1260—1500℃。

A原料准备与配料

烧结原料包括铁矿粉(原矿及精矿粉)、熔剂(石灰石、白云石或生石灰)、

燃料•(焦粉或无烟煤)、附加物(硫酸渣、轧钢皮、钢铁厂回收粉尘、铁屑)及返矿。

B混合布料

配好的原料必须进行混匀，以保证获得质量比较均匀一致的烧结矿。在混

合过程中必须加入适量水分润湿，便于烧结料中细粉造球以提高烧结料的透气性。

我国绝大部分使用精矿粉烧结的情况下，普遍采用二次混合工艺。一次混合时主

要是混匀并加适量水分润湿；二次混合时补足到适宜水分使混合料中细粉造成小球。

布料•目的是使混合料在粒度、化学成分方面沿台车宽度上分布均匀，以保证透气

性一致，同时料面平整，并有一定的松散性。

C点火控制

传统点火工艺中，点火不仅起着将混合料中燃料点燃的作用，而且还起着给表层

11

混合料补足热量的作用，以使表层能产生一定的液相而熔结。

*点火器改进

D抽风负压控制

高负压大风量：随着料层提高进一步强化烧结，是发展方向。

低负压大风量：我国大多数厂家采用，随着料层的提高，采取蒸汽预热混合预热

料，改善布料，增设松料器等措施提高料层透气性，在目前烧结抽风负压的情况下，适当提

高风量，取得了提高产量、质量、降低能耗的效果。

低负压小风量

E终点控制

F烧结生产指标

（1）台时产量

（2）烧结机利用系数

（3）合格率

（4）作业率

（5）能耗

烧结过程的传热现象

烧结所需空气量不仅要供给燃烧过程，而且还需满足传热的需求。

由于烧结配C量不高，烧结废气率取决于传热过程，而不是燃料的燃烧过程。

烧结过程存在“自蓄热作用”，即随烧结矿层的下移，料层温度最高值逐渐升高。

自蓄热来源于被上层热烧结矿预热了的空气以及自上层带入的热废气的加热作用。

“自蓄热作用”是厚料层烧结技术的理论基础。厚料层烧结可降低能源以及提高成品

率。

235.2强化烧结过程的技术措施

（1）混合料预热

将混合料温度提高到露点或接近露点，防止气流中水分凝结恶化料层透气性。通

常采用热返矿和蒸汽预热两种手段。

（2）加生石灰或消石灰

强化烧结过程。

A增加混合料固结倾向，使混合料中初生小球强度和密度增大。

B增大混合料允许的最大湿容量，使烧结料层内少量水冷凝为胶体颗粒所吸附

和持有，不致引起料球的破坏。

作用：

a.生石灰消化成极细的Ca（0H）2胶凝体f改善混合料制粒性；

b.在干燥后仍能保持混合料小球的强度一改善烧结料透气性；

c.在过湿层可吸收水分一改善过湿层的透气性；

d.生石灰与水反应可生成热量提高料温一抑制烧结料层的过湿现象。

效果：

1%生石灰t-产量30%（我国）；

产量t3〜6%（日本）。

12

（3）热风烧结

（4）分层布料和双层烧结

（5）偏析布料

235.3烧结新工艺

A低温烧结新工艺

实际生产中可获得高还原性低FeO的烧结矿，其成分主要为钙的铁酸盐

—铁酸钙。

“铁酸钙理论"铁酸钙特别是针状铁酸钙SFCA是还原性和强度均好

的矿物，但只能在较低的烧结温度下获得。

铁酸钙主要是由Fe2O3和CaO组成。烧结温度超过1300℃后，Fe2O3易

发生热分解，形成Fe3O4和FeO,而Fe3O4是不能与CaO结合的。相反，FeO的出现会导

致2FeOSiO2,CaOFcOSi02的生成，从而恶化还原性。

低温烧结工艺在现有烧结设备下生产的工艺对策：

a加强原料准备，控制原料粒度；

b烧结矿碱度控制在1.8〜2.0；

c低燃料低水分高料层作业，同时改进布料；

d点火温度控制在1050〜1100℃,烧结温度控制在1200〜1300。以避免SFCA

分解；

e考虑辅以外配碳工艺以提高燃烧率，降低燃料消耗；

f磁精粉为原料时，确保Fe3O4的充分氧化，要求料层中有较宽的高温氧化

带。

B球团烧结新工艺

球团烧结工艺对我国以磁精矿粉比例较高的原料情况下有很高的实用价

值。

将烧结混合料用圆盘造球机预先制成一定粒度的小球（粒度上限为6~

8mm）,然后使小球外裹部分燃料•，最后铺在烧结台车上进行烧结的造块新工艺。

小球烧结法的重要效果是提高产量，能耗指标和产品质量也有改善。

小球烧结的产品仍属于烧结矿。

小球烧结又名HPS,由日本钢管公司（NKK）开发，于1988年在日本福

山550m2烧结机上投产，年产600万吨小球烧结矿。

利用系数大幅度提高，达2.91t/m2.h；成品率由80%上升至85%以上；

FeO<4%,还原度山65%提高到80%；烧结燃耗下降20%,电耗下降30%.

C低SiO2高还原性烧结矿生产工艺

优点：入炉品位提高，渣量减少；改善烧结矿冶金性能，尤其使软熔温度升高、

软熔区间变窄，使高炉软熔带位置下移，厚度变薄，有利于高炉内间接还原发展和料柱透气

性和透液性的改善。

工艺对策：

（1）为弥补因SiO2含量减少而使粘结相减少的问题，需要适当提高烧结矿二

元碱度以增加烧结矿中CaO含量，从而也就增加了烧结矿中铁酸钙的量，这对于维持必要

的粘结相量，改善烧结矿的还原性均有利。

（2）适当提高烧结原料的粉/核比例。因为粘结相起源于粒度较细的粉粒，粒度

细的粉粒能促进固相反应的快速进行，易于生成烧结液相。

（3）铁矿粉的种类和自身特性对烧结矿中铁酸钙物相的生成和烧结体的固结状

13

况有重要影响。在把握粉矿烧结特性的基础上，通过配矿设计，形成合适的烧结相，既满足

低SiO2烧结矿对粘结相量的要求，也满足高还原性的要求。

2.4球团过程

随着对铁矿石品位要求的日益提高，大量开发利用贫铁矿资源后选矿工艺提供了

大量小于0.078mm（-200目）的细磨精矿粉，这种粒度的矿粉用于烧结不仅工艺技术困难,

烧结生产指标恶化，而且浪费能源，由此产生了球团生产方法。

球团矿特点：

（1）球团矿粒度均匀，经过高温焙烧固结，具有很高的机械强度，不仅满足高

炉冶炼过程的要求，还可经受长途运输和长期贮存，具有商品性质。

（2）球团矿对原料中的SiO2含量没有严格要求，可以使用品位很高的精矿粉,

从而使高炉的渣量降到更低的水平

球团矿根据固结机理不同，可分为高温固结型和常温固结型。

铁矿粉球团过程包括生球成型于焙烧固结两个主要作业。

2.4.1生球成型

生球成型的机理——利用细磨粉料表面能大的特性。

铁矿粉加水成球的机理：

（1）加少量水分时，颗粒间水分呈摆线结构，属于触电态毛细水；

（2）水分增加，但尚没有充满颗粒间空隙时，水桥呈网络状结构，出现连通态毛

细水；

（3）当水量进步增加，使水分正好充满颗粒间间隙，现饱和毛细水；

（4）水量超过毛细结构需要时，则颗粒散开，失去聚结性能，称为重力水。

成球过程分为三个阶段：形成母球：母球长大和长大的母球进一步紧密。

2.4.1.1形成母球

对物料进行不均匀的点滴润湿：利用机械外力作用于粉料的个别部分，使其颗粒

之间接触紧密，形成更细的毛细管。

2.4.L2母球长大

依靠毛细粘结力和分子粘结力促使母球生长。

241.3长大的母球进一步紧密

利用造球机的机械力使生球内颗粒发生选择性的按接触面的最大排列，同时使生

球内颗粒进一步压紧。

圆筒造球机——欧美圆盘造球机——中国

圆盘造球机特点：（优点）成球均匀，75%以上达到规定的粒度范围，生产率高，

基建和生产费用较低；（缺点）操作不够稳定，需要人员干预。

影响成球和生球质量的主要因素：

（1）原料性能

1）亲水性：亲水性好的矿物成球性好（毛细力大，水迁移速度大）

2）湿度：湿度保持在略低于最适宜造球的湿度，以便调整

3）粒度：从三个方面影响成球。一是大小，二是组成，三是颗粒形状。

（2）添加物

常用皂土（膨润土）和消石灰，它们的加入可改善物料的成球性。

（3）工艺操作

1）加水加料方法：“滴水成球，雾水长大，无水压紧”

2）造球时间：一般为3〜10mino增加时间对质量有好处，但产量下降；缩

14

短时间，机械强度低，延长焙烧时间。

3）球的尺寸：高炉8〜16mm电炉>25mm

4）物料的温度：W50℃

2.4.2生球干燥

目的：

避免焙烧过程的急速加热而使球团爆裂。

促进添加剂的粘结桥形成，以获得生球的热强度。

生球的干燥由表面汽化和内部扩散两个过程组成。（恒温干燥/升温干燥）

生球爆裂的原因：

1、生球在干燥过程中产生体积收缩，由于物料特性和干燥制度不同生球表里产

生湿度差，表面湿度由小收缩大，中心湿度由大收缩小，这种不均匀收缩会产生应力，一旦

生球表面所承受的拉/剪应力超过表面抗拉/剪强度，生球便产生破裂；

2、表面干燥后结成硬壳，当生球中心温度提高后，水分迅速汽化，在内部形成很

高的蒸汽压，当蒸汽压超过表层硬壳所承受的压力时，生球发生爆裂。

2.4.3球团矿的焙烧固结

生球抗压强度：1―2kg/个球，干燥后生球抗压强度：8-10kg/个球，焙烧后球团的抗压

强度:>200kg/个球

2.4.3.1焙烧固结机理

球团矿在高温下焙烧，引起强度增加的原因有：

（1）晶桥联结

（2）固相烧结固结

（3）液相烧结固结

•磁铁矿固结机理

磁铁精矿是生产球团矿的主要原料，用它制成的球团矿固结机理如下：

（1）磁铁矿氧化形成赤铁矿微晶键以及微晶长大和再结晶。磁铁矿在200℃下便

开始氧化。从颗粒的表层开始，由Fe3O4转变为

Fe2O3,生成Fe2O3微晶。在相邻的颗粒接触处，新生的Fe2O3微晶具有高度的迁

移能力，促使它们结合在一起，形成微晶键，又叫“晶桥”，见图（a）0当温度升到600℃时,

只要氧化气氛充分，新生的晶键已有一定的强度，使球团矿形成硬壳。温度继续升高，在高

温下保持一段时间，氧化从球团矿表层向内部推进，就一个颗粒而言，氧化向中心扩展，直

到全部氧化成赤铁矿。在高温卜一，赤铁矿微晶长大并重新结晶，使颗粒结合成牢固的整体，

见图（b）

（2）磁铁矿再结晶。在缺乏氧气的地方温度达到一定的水平时，磁铁矿颗粒也能够通过扩

散产生Fe3O4晶键连接，然后在更高的温度下，发生Fe3O4的再结晶和晶粒长大，使磁铁

矿颗粒结合成一个整体，见图（c）

（3）液相粘结。如图（d）所示，两颗矿粒被液相粘结起来。如果生产酸性球团矿，在强氧

化气氛中，可能产生的液相为低熔点的脉石矿物或添加剂皂土等。在中性或弱还原性气氛中

焙烧,则磁铁矿与脉石中SiO2反应，产生2FeOSiO2液相。

综合上述磁铁矿球团矿的三种固结形式：

第一种最为理想。它不仅使球团矿具有很高的强度，而且磁铁矿氧化时释放出热能；

第二种固结形式，虽然也能使球团矿具有一定强度，但是能耗高，更难免生成难以还原的液

相，如硅酸铁、钙铁橄榄石等；

15

第三种固结形式，在生产自熔性球团矿时，难以避免。若生产酸性球团矿，应力求避免液相

粘结，因为它对提高球团矿的强度不一定有利，反而会降低球团矿的还原性。

243.2影响球团矿焙烧固结的因素

（1）造球原料的性能

A铁矿石种类

B添加物

（2）焙烧温度制度

需要一定温度保证Fe3O4再氧化（900-1100℃）及固相扩散（1200〜

1300℃）,同时需要一定的升温制度及高温持续时间，以保证完全Fe3O4氧化及再结晶，但

温度不能过高以防止球团之间粘连。

（3）焙烧气氛

氧化气氛有利于Fe3O4精矿粉造成的球团焙烧，气氛根据燃烧室产物中含氧

量划分。

（4）球团粒度

生球粒度越大，需要的焙烧时间和高温持续时间越长，以保证氧向中心扩散利

热量向中心传递。使Fe3O4完全氧化成Fe2O3,并再结晶长大。

球团矿精粉粒度越细，对焙烧越有利。

2.4.4球团工艺

主要氧化球团焙烧方法：带式机、链算机一回转窑、竖炉

2.441配料、混合和造球

球团矿使用原料少，配料、混合工艺比较简单。

在工艺生产流程中，造球机•般均与辑筛形成闭路系统，将小于8mm和大于

16min的球筛除，经打碎再参加造球。

2.442焙烧作业

A带式焙烧机焙烧带式烧结机在整个长度上可依次分为干燥、预热、燃

料点火、焙烧、均热和冷却等六个区。

带式机焙烧工艺的特点：

（1）铺有底料和边料，底料的作用是保护炉算和台车免受高温烧坏，使气流分

布均匀，在下抽干燥时可吸收•部分废热，其潜热再在鼓风冷却带回收；保证下层球团焙烧

温度，从而保证球团质量。

（2）采用鼓风与抽风混合流程干燥生球，即强化了干燥，又提高了球团矿的质

量和产量；

（3）球团矿采用鼓风方式冷却，冷却后的热空气一部分直接循环，一部分借助

风机循环，循环热气一般用于抽风区；

（4）各抽风区风箱热废气根据需要作出必要的温度调节后，循环到鼓风干燥区

或抽风预热区；

（5）干燥区的废气因温度低，水汽多而排空。

B链算机一回转窑链算机、回转窑和冷却机组合成的焙烧工艺。生球的干

燥、脱水和预热过程在链算机上完成，高温焙烧在回转窑内进行，而冷却在冷却机上完成。

工艺特点：

（1）生球在链算机上利用回转窑出来的热气体进行鼓风干燥，抽风

干燥和预热，铺底料是没有必要的。

（2）球团矿在窑内不断滚动，各部分受热均匀，球团中颗粒接触更紧密，球团

16

矿的强度好而且质量均匀。

（3）根据生产工艺的要求来控制窑内气氛，可生产氧化球团或还原（或金属化）

球团。还可以通过氧化焙烧处理多金属矿物。

（4）生产操作不当时容易，结圈”，其原因是在高温带产生过多的液相。

C竖炉焙烧球团矿的竖炉是一种安逆流原则工作的热交换设备。

工艺特点：

（1）生球的干燥和预热可利用上升热废气在上部进行；

（2）合理组织焙烧带的气流分布和供热是直接影响竖炉焙烧成败的关键。

（3）导风墙的设置还能克服气流的边缘效应所造成的炉子上部“死料柱”。使气

流分布更趋均匀，球团矿成品质量改善。

2.4.5特种造块方法

烧结和球团生产的缺点：1）高温作业，消耗能源，污染环境；2）还原剂（碳）

不能在成品中保持，因而不能用烧结和球团方法制造一种含还原剂（碳）的单一含铁原料。

2.4.5.1压力造块

（1）先用压机制成型坯，再将型环进行高温焙烧；

（2）再铁矿粉中加入粘结剂后再压制；

（3）将铁矿粉加热到一定温度（800~1050℃）,使矿粉具有塑性后再加以热压。

245.2粘结剂固结

（1）水泥球团固结

（2）高压蒸养法

（3）氯化物固结

245.3碳酸化球团

2.454焦化法

2.5烧结矿和球团矿的质量检验

2.5.1冷态物理机械性能

（1）落下试验——检验耐跌落性能

（2）耐压试验——检验球团矿的抗压强度

（3）转鼓试验——检验造块制品的耐磨和碰撞性能

2.5.2热态及还原条件下的物理机械性能

（1）热爆裂

（2）还原热强度

（3）热胀性检验

2.5.3冶金性能

253.1还原性能测定

含铁原料性能对高炉冶炼的影响：

•硫在钢凝固过程中以FeO-FeS共晶形式凝固在晶界上，在加热过程中先熔化，造

成“热脆”现象。

•磷化物聚集在晶界周围减弱晶粒间结合力，使钢冷却时发生很大的脆性，从而导致

钢的''冷脆”现象。

•当铜含量超过0.3%时;钢的焊接性能降低，并产生“热脆”现象。

•铅的密度大于铁水，极易渗入砖缝，破坏炉底砌砖。另外，铅在高炉内有富集现象,

造成高炉结瘤。

•锌在高炉内有挥发现象，在炉内低温处可冷凝沉淀，使砖缝膨胀，严重时会引起高

17

炉结瘤。

•珅能使钢增加脆性，并使钢的焊接性能变坏。

•氟过高会使炉内成渣过早，不利于矿石还原，且其渣会侵蚀高炉风口及炉衬。氟有

循环富集现象，与碱金属结合是造成高炉结瘤的原因之一。

•碱金属在炉内有“自动富集”倾向，会破坏炉衬，造成炉墙结厚和结瘤：破坏焦炭的

高温强度，扩大直接还原，导致焦比上升；降低人造富矿的热强度，破坏高炉顺行。

高炉炉料结构

传统炉料结构：天然矿石十熔剂

最优炉料结构：高碱度烧结矿矿+酸性炉料（酸性氧化性球团、普通烧结

矿或天然块矿）

2.6.1高碱度烧结矿的冶金性能

烧结矿的发展：非熔剂性烧结矿——自熔性烧结矿——熔剂性烧结矿

高碱度烧结矿的性能：

（1）具有良好的还原性

当烧