主要高炉炼铁原料分析.docx

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主要高炉炼铁原料分析

高炉炼铁原料

1．铁矿石和燃料

高炉炼铁必备的三种原料中，焦炭作为燃料和还原剂，是主要能源；熔剂，如石灰石，主要用来助熔、造渣；铁矿石则是冶炼的对象。

这些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。

铁矿石

铁矿石分类及特性

高炉冶炼用的铁矿石有天然富矿和人造富矿两大类，含铁量在50%以上的天然富矿经适当破碎、筛分处理后可直接用于高炉冶炼。

贫铁矿一般不能直接入炉，需要破碎、富矿并重新造块，制成人造富矿（烧结矿或球团矿）再入高炉。

人造富矿含铁量一般在55%~65%之间。

由于人造富矿事先经过焙烧或者烧结高温处理，因此又称为熟料，其冶炼性能远比天然富矿优越，是现代高炉冶炼的主要原料。

天然块矿统称成为生料。

我国富矿储量很少，多数是含Fe30%左右的贫矿，需要经过富矿才能使用。

A.矿石和脉石

能从中经济合理的提炼出金属来的矿物成为矿石。

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；有的比较分散，形成贫铁矿，用于冶炼及困难又不经济。

随着选矿和冶炼技术的发展，矿石的来源和范围不断扩大。

含铁较低的贫矿经过富选也可用于炼铁。

矿石中除了用来提炼金属的有用矿物外，还含有一些工业上没有提炼价值的矿物或岩石，称为脉石。

对冶炼不利的脉石矿物，应在选矿和其他处理过程中尽量去除。

但矿石中脉石的结构和分布直接影响矿石的选冶性能。

如果含铁矿物结晶颗粒比较粗大，则在选矿过程中易于实现有用矿物的单体分离；反之，如果含铁矿物呈颗粒结晶嵌布在脉石中，则要进一步细磨矿石才能分离出有用单体。

B．天然矿石的分类及特性

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下表。

常见铁矿石的组成及特征

名称主要成分理论含铁实际富矿含铁颜色特性

磁铁矿Fe3O

472.40%45-70%黑P、S高，坚硬，致密，难还原

赤铁矿Fe2O

370.00%55-60%红P、S低，质软，易碎，易还原

褐铁矿nFe2O3+mH2O

55.2~

66.1%37-55%黄褐P高，质软疏松，易还原菱铁矿FeCO

348.20%30-40%灰浅黄易破碎，焙烧后易还原

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FeO30%，Fe2O369%，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，所以还原性比其他铁矿差。

磁铁矿的熔融温度为：

1500-1580摄氏度。

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，其他常见混入元素还有镍、铬、钴等。

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。

假象赤铁矿仍保留着磁铁矿的外形，但Fe3O4已被氧化成Fe2O3的矿石。

一般用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–矿石含铁总量（又称全铁）

FeO–矿石FeO含量

赤铁矿，又称红矿，主要含铁矿物为Fe2O3，其中Fe70%，O30%。

赤铁矿常温下无磁性。

但在一定温度下含有磁性。

色泽为赤褐色到暗红色，由于硫、磷含量低，还原性较磁铁矿好，是优良原料。

赤铁矿熔融温度为：

1580-1640摄氏度。

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，深褐色或者黑色，硫、磷、砷等有害杂质一半多。

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%，CO

237.9%。

常混入镁、锰等矿物。

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过焙烧处理。

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。

通常从以下方面评价：

A.成份

1．矿石品位

品味及铁矿石的含铁量，它决定矿石的开采价值和入炉前的处理工艺。

入炉品位越高，越有利于降低焦比和提高产量，从而提高经济效益。

经验表明，矿石品位提高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，又促进炉况顺利。

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。

由于褐、菱铁矿受热分解出水和二氧化碳，品位提高。

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。

W（FeO）扣CaO=w（TFe）/100--w（CaO）X100%

式中w（TFe）原矿含铁量%w（CaO）原矿CaO含量%

但若矿石带入的碱性脉石数量超过造渣的总需要量,也会给冶炼带来困难.具有开采价值的铁矿石最低工业品为主要取决于资源和技术经济条件,并没有统一的标准.

2．矿石成分

脉石中含有碱性脉石，如CaO、MgO;有酸性脉石，如SiO

2、Al2O3。

一般铁矿石含酸性脉石者居多，即其中SiO2高，须加入相当数量的石灰石造成碱度w（CaO）/w（SiO2）为

1.0左右的炉渣，才能满足冶炼工艺的需求。

因此希望酸性脉石含量越少越好。

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Fe

45.30%,CaO

10.05%,MgO

3.34%,SiO

211.20%。

自然碱度w（CaO）/w（SiO2）=

0.9，w（CaO+MgO;）/w（SiO2）=

1.2，接近炉渣监督的正常范围，属自熔性富矿。

W（FeO）扣

若考虑MgO则为

52.3%。

脉石中的MgO还有改善炉渣性能的作用，但这类矿是不多见。

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。

印度他塔钢铁公司（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。

有的矿石脉石中还含有TiO2,CaF2,碱金属（K、Na）氧化物，BaSO4等。

它们对冶炼都有一定影响。

3.有害杂质和有益元素的含量

有害杂质通常指硫、磷、铅、锌、砷等，它们的含量越低越好。

铜有时为害，有时为益，视具体情况而定。

下表为入炉铁矿石有害杂质的界限含量。

铁矿石中有害杂质的危害及界线含量

元素允许含量%危害及某些说明

S<=

0.3使钢产生“热脆”，易轧裂

0.2~

1.2对碱性转炉生铁磷使钢产生“热脆”烧结及

炼铁过程皆不能除磷P0.05~

0.15对普通铸造生铁

0.15~

0.6对高磷铸造生铁

Zn<=

0.1~

0.2Zn900度挥发，蒸汽上升后冷凝沉积于炉墙，使炉墙膨胀，破坏炉壳。

烧结时可除去50%-60%的Zn

Pb<=

0.1Pb易还原、比重大，与铁分离沉于炉底，破坏砖衬；Pb蒸汽在上部循环积累，形成炉瘤，破坏炉衬。

Cu<=

0.2少量Cu可改善钢的耐腐蚀性，但Cu过多使钢热脆

As<=

0.07As使钢“冷脆”不易焊接；生铁W[As]<=

0.1%；炼优质钢时，

铁中不应有As

Ti（TiO2）15~16Ti降低钢的耐磨性及耐腐蚀性；使炉渣变黏易起泡沫；含（TiO2）过高的矿应作为宝贵的Ti资源

K,Na易挥发，在炉内循环积累，造成结瘤，降低焦炭及矿石的强度

FF高温下汽化，腐蚀金属，危害农作物及人体；CaF2侵蚀破坏炉衬

硫是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热脆性。

所谓“热脆”就是硫几乎不熔于固态铁而与铁形成FeS,而FeS与铁形成的共晶体熔点为988摄氏度，低于钢材热加工的开始温度（1150-1200摄氏度）。

热加工时，分布于晶界的共晶体先行融化而导致开裂。

因此矿石含硫越低越好。

但硫可以改善钢材的切削加工性能，易切削钢中硫可达

0.15%~

0.3%。

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，导致焦比增加，产量降低。

对于高硫矿石，可以通过选矿和烧结的方法降低含硫量。

磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。

但含磷铁水流动性好，对制造畸形复杂铸件有利。

此外，磷可改善钢的切削性能。

矿石中的磷在选矿和烧结过程中不易除去，在高炉冶炼过程中，磷几乎全部进入生铁。

因此，生铁含磷量决定于矿石含磷量，要求铁矿石含磷低。

铅、锌和砷在高炉内都易还原。

铅不溶于铁而密度又比铁大，还原后沉积于炉底，破坏性很大。

铅在1750摄氏度时沸腾，挥发的铅蒸汽在炉内循环能形成炉瘤。

锌还原后在高温区以锌蒸汽形势大量挥发上升，部分以ZnO沉积于炉墙，使炉墙涨裂并形成炉瘤。

砷可全部还原进入生铁，它可降低钢材的焊接性并使之“冷脆”。

生铁含砷量应小于1%，优质生铁不应含砷。

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%。

铜在钢中若不超过

0.3%,可增加刚才抗蚀性；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%。

碱金属钾、钠在高炉下部高温区大部分被还原后挥发，在高炉上部又被氧化而进入炉料中造成循环累计，使炉墙结瘤。

因此必须严格控制矿石中含碱金属量。

B．粒度和强度

入炉铁矿石应具有适宜的粒度。

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、耐磨擦的强弱程度。

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。

C.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。

矿石还原好，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。

D.化学成分稳定性

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，必须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。

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。

天然富矿需经破碎、筛分以获得合适而均匀的粒度。

褐铁矿、菱铁矿和致密磁铁矿应进行焙烧处理，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。

贫铁矿的处理比较复杂。

一般需经过破碎、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，制成人造富矿，然后按高炉粒度要求进行适当破碎、筛分，才能入炉。

A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，使天然富矿的粒度达到“小、匀、净”的入炉标准，使贫矿中的铁矿物与脉石单体分离，以便选矿。

破碎的常用设备有颚式、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。

B混匀

为了保证矿石化学成分的稳定，需在储矿场按平铺切取法进行混匀。

一般采用先破碎筛分后混匀的流程，减少粒度不均匀产生偏析而造成成分波动。

对于烧结、球团的原料同样需要混匀，以保证烧结矿成分稳定。

C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，在固定下发生的物理化学过程。

例如，氧化焙烧是在空气充足的氧化性气氛中进行，保证燃料完全燃烧和矿石的氧化，可用于去除CO

2、和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500~900oC之间分解:

4FeCO3+O2=2Fe2O3+4CO2↑

褐铁矿的脱水，在250~500oC之间发生反应：

2Fe2O

3.3H2O=2Fe2O3+3H2O↑

氧化焙烧可是矿石中的硫氧化：

3FeS2+8O2=Fe3O4+6SO2↑

还原焙烧的目的是使贫赤铁矿中的Fe2O3转变为具有磁性的Fe3O4，以便磁选。

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2↑

3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O↑

氯化焙烧则是为了回收赤铁矿中的有色金属如锌、铜、砷等，或去除其他有害杂质。

D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的分开,从而使有用矿物富集的过程,通过选矿可使矿石品位提高,去除部分有害物质,回收有用元素（如钒\铬等）,使矿物资源得到充分利用.

通过选矿获得的有用富集矿物称为精矿,如铁精矿等;其余部分叫尾矿,主要由脉石组成,一般废弃.在对复合铁矿石选矿时,常有一些有用元素富集于尾矿中（如钒钛磁铁矿中的钛）,必须将它们进一步精选出来.

精选铁矿石的方法主要有:

1.重选:

利用含铁矿物和脉石密度的差异选分。

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。

用比重大于水的液体做介质时，成为重液选。

2.磁选：

利用有用矿物和脉石导磁性不同的特点进行选分。

在磁场作用下，强磁性的颗粒（如Fe3O4）便同弱磁性（如Fe2O3）或无磁性的（如石英）颗粒分开。

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。

3.浮选：

利用矿物亲水性差异性进行矿选。

将矿物磨碎到一定粒度，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，亲水性好的颗粒表面容易被水润湿而下沉，亲水性弱的颗粒浮起，从而使用矿物和脉石分离。

为了提高浮选效果，常使用各种浮选药剂来调节和控制浮选过程。

如可在矿粒表面形成薄膜、控制润湿度、促进浮起的捕集剂，形成气泡和稳定泡沫、防止浮起颗粒下沉的气泡剂等。

造块

富选得到的精矿粉，天然富矿破碎筛分后的粉矿，以及一些含铁粉尘物料（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入炉。

铁矿粉造块并非简单的将细矿粉制成团矿，而是在造块过程中采用一些技术，以生产出优质的冶炼原料。

例如加入CaO,MgO以提高矿石碱度；在可能的条件下加入还原剂C，改善矿石的还原性能。

铁矿粉造块的过程中，还可以去除某些杂质元素。

铁矿粉造块技术使高炉冶炼的各项技术指标得到大幅度提高。

熔剂

矿石冶炼条件下，脉石及灰分不能熔化，必须加入熔剂以生成低熔点化合物，形成流动性好的炉渣，实现渣铁分离并自炉内顺畅派出。

此外，加入熔剂形成一定碱度的炉渣，可去除生铁中有害杂质硫，提高生铁质量。

近代高炉大多使用高碱度烧结矿加酸性炉料。

当烧结矿碱度适宜，酸性炉料配比准确，原料化学成分波动较小时，所需加入的熔剂量较少。

熔剂的种类

由于矿石脉石和焦炭灰分多是酸性氧化物（SiO2+Al2O3），所以高炉所使用的熔剂多为碱性熔剂（石灰石CaCO3,白云石CaCO

3.MgCO3）等。

现代高炉造渣所需熔剂通常在造块过程中加入。

一些使用天然富矿或酸性球团矿的高炉，仍需加入石灰石。

石灰石中CaO实际含量为50%左右，此外还含有少量MgCO3，SiO2，Al2O3等。

扣除中和SiO2所需的CaO后，石灰石中有效CaO含量一般为45%~48%。

大于300m3的高炉，直接装入高炉的石灰石粒度范围应为20~50mm，小于300m3的高炉，应为10~30mm。

入炉前应筛除粉末及泥土杂质。

为了提高高炉渣的含硫量，改善炉渣的流动性，提高脱硫能力，有时在炉料中加入含镁熔剂。

在高炉炉渣中Al2O3高时效果特别显著。

常用的含镁熔剂为白云石（CaCO3+MgCO3）。

我国少数企业以菱镁石（MgCO3）或蛇纹石（3MgO+2SiO2+2H2O）作含镁熔剂，后者可同时作为酸性熔剂。

国外（如日本、欧洲很多国家）以蛇纹石、橄榄石做含镁熔剂较为普遍。

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。

实际生产中多采用兑如酸性矿石的办法，很少使用酸性熔剂。