铁矿石分类及特性

【本章学习要点】本章学习铁矿石的分类及主要特性，高炉冶炼对铁矿石的要求，铁矿石冶炼前的准备和处理，焦碳在高炉炼铁中的作用和对焦碳的质量要求，烧结生产原料准备和烧结生产过程，球团矿生产等。

第一节铁矿石及其分类

一、矿物、矿石和岩石

地壳中的化学元素经过各种地质作用，形成的天然元素和天然化合物称为矿物。它具有较均一的化学成分和内部结晶构造，具有一定的物理性质和化学性质。

矿石和岩石均由矿物所组成，是矿物的集合体。但是，矿石是在目前的技术条件下能经济合理地从中提取金属、金属化合物或有用矿物的物质。因此矿石和岩石的概念是相对的。

矿石又由有用矿物和脉石矿物所组成。矿石中能够被利用的矿物为有用矿物，目前尚不能利用的矿物为脉石矿物。

二、铁矿石的分类及主要特性

在自然界中，金属状态的铁是极少见的，一般都和其他元素结合成化合物。现在已知道的含铁矿物有300多种，但在目前的工艺条件及技术水平下能够用作炼铁原料的只有20多种。根据含铁矿物的主要性质，按其矿物组成，通常将铁矿石分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿四种类型。

1．磁铁矿

磁铁矿化学式为Fe3O4，结构致密，晶粒细小，黑色条痕。具有强磁性，含S、P较高，还原性差。

2．赤铁矿

赤铁矿化学式为Fe2O3，条痕为樱红色，具有弱磁性。含S、P较低，易破碎、易还原。

3．褐铁矿

褐铁矿是含结晶水的氧化铁，呈褐色条痕，还原性好，化学式为nFe2O32mH2O(n= 1～3，m=1～4)。褐铁矿中绝大部分含铁矿物是以2Fe2O323H2O的形式存在的。

4．菱铁矿

菱铁矿化学式为FeC03，颜色为灰色带黄褐色。菱铁矿经过焙烧，分解出C02气体，含铁量即提高，矿石也变得疏松多孔，易破碎，还原性好。其含S低，含P较高。

各种铁矿石的分类及其主要特性列于表2-1。

表2—1 铁矿石的分类及其特性

第二节高炉冶炼对铁矿石的要求

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。决定铁矿石质量的主要因素是化学成分、物理性质及其冶金性能。高炉冶炼对铁矿石的要求是：含铁量高，脉石少，有害杂质少，化学成分稳定，粒度均匀，良好的还原性及一定的机械强度等性能。

一、铁矿石品位

铁矿石的品位即指铁矿石的含铁量，以TFe％表示。品位是评价铁矿石质量的主要指标。矿石有无开采价值，开采后能否直接入炉冶炼及其冶炼价值如何，均取决于矿石的含铁量。

铁矿石含铁量高有利于降低焦比和提高产量。根据生产经验，矿石品位提高1％，焦比降低2％，产量提高3％。因为随着矿石品位的提高，脉石数量减少，熔剂用量和渣量也相应减少，既节省热量消耗，又有利于炉况顺行。从矿山开采出来的矿石，含铁量一般在30％～60％之间。品位较高，经破碎筛分后可直接入炉冶炼的称为富矿。一般当实际含铁量大于理论含铁量的70％～90％时方可直接

入炉。而品位较低，不能直接入炉的叫贫矿。贫矿必须经过选矿和造块后才能入炉冶炼。

二、脉石成分

铁矿石的脉石成分绝大多数为酸性的，SiO2含量较高。在现代高炉冶炼条件下，为了得到一定碱度的炉渣，就必须在炉料中配加一定数量的碱性熔剂(石灰石)与Si02作

用造渣。铁矿石中Si02含量愈高，需加入的石灰石也愈多，生成的渣量也愈多，这样，将使焦比升高，产量下降。所以要求铁矿石中含Si02愈低愈好。

脉石中含碱性氧化物(Ca0、MgO)较多的矿石，冶炼时可少加或不加石灰石，对降低焦比有利，具有较高的冶炼价值。

三、有害杂质和有益元素的含量

1．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。主要有S、P、Pb、Zn、As、K、Na等。

(1)硫

硫在矿石中主要以硫化物状态存在。硫的危害主要表现在：

a.当钢中的含硫量超过一定量时，会使钢材具有热脆性。这是由于FeS和Fe结合成低熔点(985℃)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。

b.对铸造生铁，会降低铁水的流动性，阻止Fe3C分解，使铸件产生气孔、难于切削并降低其韧性。

c.硫会显著地降低钢材的焊接性，抗腐蚀性和耐磨性。

国家标准对生铁的含硫量有严格规定，炼钢生铁，最高允许含硫质量分数不能超过0.07％，铸造铁不超过0.06％。虽然高炉冶炼可以去除大部分硫，但需要高炉温、高炉渣碱度，对增铁节焦是不利的。因此矿石中的含硫质量分数必须小于0.3％。

(2)磷

磷也是钢材的有害成分。以Fe2P、Fe3P形态溶于铁水。因为磷化物是脆性物质，冷凝时聚集于钢的晶界周围，减

弱晶粒间的结合力，使钢材在冷却时产生很大的脆性，从而造成钢的冷脆现象。由于磷在选矿和烧结过程中不易除去，在高炉冶炼中又几乎全部还原进入生铁。所以控制生铁含磷的惟一途径就是控制原料的含磷量。

(3)铅和锌

铅和锌常以方铅矿(PbS)和闪锌矿(ZnS)的形式存在于

矿石中。

在高炉内铅是易还原元素，但铅又不溶解于铁水，其密度大于铁水，所以还原出来的铅沉积于炉缸铁水层以下，渗入砖缝破坏炉底砌砖，甚至使炉底砌砖浮起。铅又极易挥发，在高炉上部被氧化成PbO，粘附于炉墙上，易引起结瘤。一般要求矿石中的含铅质量分数低于0.1％。

高炉冶炼中锌全部被还原，其沸点低(905℃)，不熔于铁水。但很容易挥发，在炉内又被氧化成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。矿石中的含锌质量分数应小于0．1％。

(4)砷

砷在矿石中含量较少。与磷相似，在高炉冶炼过程中全部被还原进入生铁，钢中含砷也会使钢材产生“冷脆”现象，

并降低钢材焊接性能。要求矿石中的含砷质量分数小于0．07％。

(5)碱金属

碱金属主要指钾和钠。一般以硅酸盐形式存在于矿石中。冶炼过程中，在高炉下部高温区被直接还原生成大量碱蒸气，随煤气上升到低温区又被氧化成碳酸盐沉积在炉料和炉墙上，部分随炉料下降，从而反复循环积累。其危害主要为：与炉衬作用生成钾霞石(K2O2A12O322SiO2)，体积膨胀40％而损坏炉衬；与炉衬作用生成低熔点化合物，粘结在炉墙上，易导致结瘤；与焦炭中的碳作用生成插入式化合物(CK8、CNa8)体积膨胀很大，破坏焦炭高温强度，从而影响高炉下部料柱透气性。因此要限制矿石中碱金属的含量。

(6)铜

铜在钢材中具有两重性，铜易还原并进入生铁。当钢中含铜质量分数小于0．3％时能改善钢材抗腐蚀性。当超过0.3％时又会降低钢材的焊接性，并引起钢的“热脆”现象，使轧制时产生裂纹。一般铁矿石允许含铜质量分数不超过0.2％。

2．有益元素

矿石中有益元素主要指对钢铁性能有改善作用或可提取的元素。如锰(Mn)、铬(Cr)、钴(Co)、镍(Ni)、钒(V)、钛(Ti)等。当这些元素达到一定含量时，可显著改善钢的可加

工性，强度和耐磨、耐热、耐腐蚀等性能。同时这些元素的经济价值很大，当矿石中这些元素含量达到一定数量时，可视为复合矿石，加以综合利用。

四、铁矿石的还原性

铁矿石的还原性是指铁矿石被还原性气体C0或H2还原的难易程度。它是一项评价铁矿石质量的重要指标。铁矿石的还原性好，有利于降低焦比。

影响铁矿石还原的因素主要有矿物组成、矿物结构的致密程度，粒度和气孔率等。一般磁铁矿因结构致密，最难还原。赤铁矿有中等的气孔率，比较容易还原。褐铁矿和菱铁矿容易还原，因为这两种矿石分别失去结晶水和去掉CO2后，矿石气孔率增加。烧结矿和球团矿的气孔率高，其还原性一般比天然富矿的还要好。

五、矿石的粒度、机械强度和软化性

矿石的粒度是指矿石颗粒的直径。它直接影响着炉料的透气性和传热、传质条件。

通常，入炉矿石粒度在5～35mm之间，小于5mm的粉末是不能直接入炉的。确定矿石粒度必须兼顾高炉的气体力学和传热、传质几方面的因素。在有良好透气性和强度的前提下，尽可能降低炉料粒度。

铁矿石的机械强度是指矿石耐冲击、抗摩擦、抗挤压的能力，力求强度要高一些为好。

铁矿石的软化性包括铁矿石的软化温度和软化温度区间两个方面。软化温度是指铁矿石在一定的荷重下受热开始变形的温度；软化温度区间是指矿石开始软化到软化终了的温度范围。高炉冶炼要求铁矿石的软化温度要高，软化温度区间要窄。

六、铁矿石各项指标的稳定性

铁矿石的各项理化指标保持相对稳定，才能最大限度地发挥生产效率。在前述各项指标中，矿石品位、脉石成分与数量、有害杂质含量的稳定性尤为重要。高炉冶炼要求成分波动范围:含铁原料TFe<±0．5％～l．0％；ω(SiO2)<±0．2％～0．3％；烧结矿的碱度为±0．03～0．1。

为了确保矿石成分的稳定，加强原料的整粒和混匀是非常必要的。

第三节铁矿石冶炼前的准备和处理

从矿山开采出来的铁矿石，无论是粒度还是化学成分都不能满足高炉冶炼的要求，一般要经过破碎、筛分、混匀、焙烧、选矿和造块等加工处理过程。

一、破碎

破碎是铁矿石准备处理工作中的基本环节，当矿石粒度很大时，破碎一般都要分段进行，根据破碎的粒度，可分为粗碎、中碎、细碎和粉碎。

粗碎：从l300～500mm破碎到400～125mm；

中碎：从400～125mm破碎到100～25mm；

细碎：从l00～25mm破碎到25～5mm；

粉碎：从<5mm破碎到

对于天然铁矿石的粗、中、细碎作业，目前采用的主要破碎设备有颚式破碎机和圆锥式破碎机两大类，其工作原理如图2—1所示。

图2—1 破碎机的工作原理示意图

(a)颚式破碎机；(b)圆锥式破碎机；(c)短锥式破碎机

二、筛分

通过单层或多层筛面，将颗粒大小不同的混合料分成若干不同粒度级别的过程，称为筛分。其目的是筛除粉末，同时也要将大于规定粒度上限的大块筛除进行再破碎，并对合格块度进行分级。筛分既可以提高破碎机的工作效率，又可以改善物料的粒度组成，更好地满足高炉冶炼的要求。

矿石的筛分设备多采用振动筛。其筛分原理是利用筛网的上下垂直振动进行的。筛网的振动可达每分钟l500次左右，振幅达0．5～12mm，筛面与水平面成l0°～40°的倾角。矿石规定的入炉粒度若在8～35mm范围时，可分为二级入炉，8～20mm为一级，20～35mm 为一级，分级入炉比混合入炉的效果好。

振动筛的筛分效率高，单位面积产量大，筛孔不易堵塞，调整方便，适用粒度范围广。

通常，矿石在破碎、筛分过程中通过皮带运输机将破碎机械与筛分机械联系起来，构成破碎筛分流程。

三、混匀

混匀又称为中和。其目的在于稳定铁矿石的化学成分，从而稳定高炉操作，保持炉况顺行，改善冶炼指标。

矿石的混匀方法是按“平铺直取”的原则进行的。所谓平铺，是根据料场的大小将每一批来料沿水平方向依次平铺，一般每层厚度为200-300mm，把料铺到一定高度(首钢原料场规定4.5m)。所谓直取，即取矿时，沿料堆垂直断面

截取矿石，这样可以同时截取许多层次的矿石，从而达到混匀的目的。

四、铁矿石的焙烧

铁矿石的焙烧是将其加热到低于软化温度200～300℃的一种处理过程。焙烧的目的是改变矿石的矿物组成和内部结构，去除部分有害杂质，回收有用元素，同时还可以使矿石变得疏松，提高矿石的还原性。焙烧的方法有氧化焙烧、还原磁化焙烧和氯化焙烧等。

氧化焙烧是铁矿石在氧化气氛条件下焙烧，主要用于去除褐铁矿中的结晶水，菱铁矿中的C02，并提高品位，改善还原性。

还原磁化焙烧是在还原气氛中进行，其作用是将弱磁性的赤铁矿及非磁性的黄铁矿转化为具有强磁性的磁铁矿，以便磁选。

五、铁矿石的选矿

选矿的目的主要是为了提高矿石品位。

在选矿时，根据各矿物的物理性质与物理化学性质的不同，借助各种选矿设备和药剂，将矿石中有用的矿物和脉石加以分离，使有用矿物相对富集，从而提高矿石品位，同时分离回收其他有用成分，除去部分有害杂质，从而充分、经济合理地利用矿产资源。

矿石经过选矿可得到三种产品：精矿、中矿和尾矿。

精矿是指选矿后得到的含有用矿物含量较高的产品；中矿为选矿过程中间产品，需进一步选矿处理；尾矿是经选矿后留下的废弃物。

对于铁矿石，目前常用的选矿方法有：

1)重力选矿法。根据矿物密度的不同，在选矿介质中具有不同的沉降速度而进行选矿。

2)磁力选矿法。磁力选矿法是利用矿物的磁性差别，在不均匀的磁场中，磁性矿物被磁选机的磁极吸引，而非磁性矿物则被磁极排斥，从而达到选别的目的。

3)浮游选矿法。浮游选矿法是利用矿物表面不同的亲水性，选择性地将疏水性强的矿物用泡沫浮到矿浆表面，而亲水性矿物则留在矿浆中，从而实现不同矿物彼此分离。

第四节熔剂

高炉冶炼中，除主要加入铁矿石和焦炭外，还要加入一定量的助熔物质，即熔剂。

一、熔剂的作用

熔剂在冶炼过程中的主要作用有两个：第一个作用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，即渣铁分离。第二个作用是生成一定数量和一定物理、化学性能的炉渣，去除有害杂质硫，确保生铁质量。

二、熔剂的种类

根据矿石中脉石成分的不同，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。

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和绝大多数矿石的脉石成分都是酸性的，因此，普遍使用碱性熔剂。常用的碱性熔剂有石灰石(CaC03)和白云石(CaC032MgC03)。

2．酸性熔剂

高炉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石英石(Si02)、均热炉渣(主要成分为2FeO2Si02)及含酸性脉石的贫铁矿等。生产中用酸性熔剂的很少，只有在某些特殊情况下才考虑加入酸性熔剂。

3．中性熔剂

亦称高铝质熔剂。当矿石和焦炭灰分中A1203很少，渣中A1203含量很低，炉渣流动性很差时，在炉料中加入高铝原料作熔剂，如铁钒土。生产上极少遇到这种情况。

三、对碱性熔剂的质量要求

对碱性熔剂的质量有如下要求：

1)碱性氧化物(CaO+MgO)含量高，酸性氧化物

(Si02+A1203)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。一般要求石灰石中Ca0的质量分数不低于50％，Si02+A1203的质量分数不超过3．5％。

熔剂的有效熔剂性是评价熔剂质量的重要指标，是指熔剂按炉渣碱度的要求，除去本身酸性氧化物含量所消耗的碱性氧化物外，剩余部分的碱性氧化物含量。可用下式表示：

当熔剂中与炉渣中Mg0含量很少时，计算式可简化为：

要求熔剂的有效熔剂性愈高愈好。

2)有害杂质硫、磷含量要少。石灰石中一般硫的质量分数只有0．01％～0．08％，磷的质量分数为0．001％～0．03％。

3)要有较高的机械强度，粒度要均匀，大小适中。适宜的石灰石入炉粒度范围是：大中型高炉为20～50mm，小型高炉为l0～30mm。

当炉渣黏稠引起炉况失常时，还可短期适量加入萤石(CaF2)，以稀释炉渣和洗掉炉衬上的堆积物。因此常把萤石称做洗炉剂。

第五节高炉用燃料

燃料是高炉冶炼中不可缺少的基本原料之一。现代高炉都使用焦炭做燃料，全部从炉顶装入。近年来，喷吹技术的发展，从风口喷入一些燃料(如无烟煤粉、重油、天然气等)，替代一部分焦炭，但只占全部燃料用量的10％～30％，焦炭仍然是高炉冶炼的主要燃料。

一、焦炭在高炉冶炼中的作用

焦炭在高炉冶炼中主要作为发热剂、还原剂和料柱骨架。焦炭在风口前燃烧放出大量热量并产生煤气，煤气在上升过程中将热量传给炉料，使高炉内的各种物理化学反应得以进行。高炉冶炼过程中的热量有70％～80％来自焦炭的燃烧。焦炭燃烧产生的C0及焦炭中的固定碳是铁矿石的还原剂。焦炭在料柱中占1/3～1/2的体积，尤其是在高炉下部高温区只有焦炭是以固体状态存在，它对料柱起骨架作用，高炉下部料柱的透气性完全由焦炭来维持。

另外，焦炭还是生铁的渗碳剂。焦炭燃烧还为炉料下降提供自由空间。

二、高炉冶炼对焦炭质量的要求

焦炭质量好坏，直接影响高炉冶炼过程的进行及能否获得好的技术经济指标，因此对入炉焦炭有一定质量要求。

1．焦炭的化学成分

焦炭的化学成分常以焦炭的工业分析来表示。工业分析项目包括固定碳、灰分、硫分、挥发分和水分的含量。

(1)固定碳和灰分焦炭中的固定碳和灰分的含量是互为消长的。固定碳按下式计算：

ω(C固)=[100—(灰分十挥发分十硫)]％

要求焦炭中固定碳含量尽量高，灰分尽量低。因为固定碳含量高，发热量高，还原剂亦多，有利于降低焦比。

生产实践证明：固定碳含量升高l％，可降低焦比2％。焦炭中灰分的主要成分是Si02、A12O3。灰分高，则固定碳含量少，而且使焦炭的耐磨强度降低，熔剂消耗量增加，渣量亦增加，使焦比升高。生产实践还证明：灰分增加l％，焦比升高2％，产量降低3％。我国冶金焦炭灰分一般为11％～l4％。

(2)硫和磷在一般冶炼条件下，高炉冶炼过程中的硫有80％是由焦炭带入的。因此降低焦炭中的含硫量对降低生铁含硫量有很大作用。在炼焦过程中，能够去除一部分硫，但仍然有70％～90％的硫留在焦炭中，因此要降低焦炭的含硫量必须降低炼焦煤的含硫量。焦炭中含磷一般较少。

(3)挥发分焦炭中的挥发分是指在炼焦过程中未分解挥发完的H2、CH4、N2等物质。挥发分本身对高炉冶炼无影响，但其含量的高低表明焦炭的结焦程度。正常情况下，挥发分一般在0．7％～l．2％。含量过高，说明焦炭的结焦程度

差，生焦多，强度差；含量过低，则说明结焦程度过高，易碎。因此焦炭挥发分高低将影响焦炭的产量和质量。

(4)水分焦炭中的水分是湿法熄焦时渗入的，通常为2％～6％。焦炭中的水分在高炉上部即可蒸发，对高炉冶炼无影响。但要求焦炭中的水分含量要稳定，因为焦炭是按重量入炉的，水分的波动将引起入炉焦炭量波动，会导致炉缸温度的波动。可采用中子测水仪测量入炉焦炭的水分，从而控制入炉焦炭的重量。

2．焦炭的物理性质

(1)机械强度焦炭的机械强度是指焦炭的耐磨性和抗撞击能力。它是焦炭的重要质量指标。高炉冶炼要求焦炭的机械强度要高。否则，机械强度不好的焦炭，在转运过程中和高炉内下降过程中破裂产生大量的粉末，进入初渣，使炉渣的黏度增加，增加煤气阻力，造成炉况不顺。

目前我国一般用小转鼓测定焦炭强度。小转鼓是用钢板焊成的无穿心轴的密封圆筒，鼓内径和宽均为1000mm，内壁每隔90°焊角钢一块，共计4块。试验时，取粒度大于

60mm 的焦炭30kg，放人转鼓内，转鼓以25r／min的速度旋转100转，即4min，倒出试样，用φ40mm和声φl0mm的圆孔筛筛分，以大于40mm的焦炭占试样总量的百分比(以M40表示) 作为破碎强度指标，以小于l0mm的焦炭占试样总量

的百分比(以M10表示)作为耐磨强度指标。M40愈大，Ml0愈小，表明焦炭的强度愈高。一般要求M40≥72％，M l0≤10％。

应该指出，小转鼓强度只代表焦炭在常温下的强度，并不能代表焦炭在高炉内的实际强度。鉴定焦炭在高温下的强度的方法有待于进一步研究。

(2)粒度均匀、粉末少对于焦炭粒度，既要求块度大小合适，又要求粒度均匀。大型高炉焦炭粒度范围为20～60mm，中小高炉用焦炭，其粒度分别以20～40mm和大于15mm 为宜。但这并不是一成不变的标准。高炉使用大量熔剂性烧结矿以来，矿石粒度普遍降低，焦炭和矿石间的粒度差别扩大，这不利于料柱透气性，因此，有必要适当降低焦炭粒度，使之与矿石粒度相适应。

3．焦炭的化学性质

焦炭的化学性质包括焦炭的燃烧性和反应性两方面。

燃烧性是指焦炭在一定温度下与氧反应生成C02的速度，即燃烧速度。其反应式为：

C+02=C02

反应性是指焦炭在一定温度下和C02作用生成C0的速度。反应式为：

C+C02=2CO

若这些反应速度快，则表明燃烧性和反应性好。一般认为，为了提高炉顶煤气中的CO2含量，改善煤气利用程度，

在较低温度下，希望焦炭的反应性差些为好；为了扩大燃烧带，使炉缸温度及煤气流分布更为合理，使炉料顺利下降，亦希望焦炭的燃烧性差一些为好。但焦炭的燃烧性、反应性究竟在多大程度上影响高炉冶炼，有待于进一步研究。

三、炼焦生产工艺流程

炼焦生产工艺流程如图2-2所示。

图2-2 炼焦生产工艺流程

现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。

1 洗煤是原煤在炼焦之前，先进行洗选，目的是降低煤中所含的灰分和去除其他杂质。