兰州理工大学钢铁冶金第二章高炉炼铁原料

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（TFe60~68%）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SideritePyriteGoethite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位(%）冶炼性能赤铁矿（Fe2O3）704930～35P，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（2Fe2O3·3H2O）55.2～66.138.64～46.2730↑易还原各类铁矿石含量及冶炼性能铁矿石的评价A成分⑴品位：含铁量，理论上品位↑1%，焦比↓2%，产量↑3%⑵脉石成分：SiO2、Al2O3↓越低（须重视Al2O3），MgO↑越好⑶有害杂质和有益元素：S、P、Pb、Zn、As、K、Na、Cu、Mn、V、Ni、Cr、NbB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)熔剂的质量要求①碱性氧化物含量（CaO+MgO≥52%）概念：石灰石有效熔剂性能用CaO（有效）表示CaO（有效）=CaO（石灰石）-R×SiO2（石灰石）②S、P↓S（0.01~0.08%），P（0.001~0.03%）③减少CaCO3入炉：原因：a.高温分解吸热b.CO2+C=2COc.CO2会冲淡CO浓度造成焦比K增加。2.1.3高炉燃料A.焦炭①主要作用：作为高炉热量主要来源的60～80%，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②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[S]80%±来源于焦碳强度：M40、M10(转鼓指数)③成分稳定（特指水分）：干熄焦技术（宝钢）④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25～150mm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。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R＜0.9)低于炉渣碱度。B)自熔性烧结矿碱度(1.0～1.4)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(2.0～3.0)超高碱度(3.0～4.0)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2～3%或更高)，使渣中MgO含量达到7～8%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（0~10mm）石灰石、白云石（80~0mm）碎焦、无烟煤（25~0mm）瓦斯灰、轧钢皮（10~0mm）破碎筛分破碎配料皮带一次混料（混匀）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3mm3~0mm水水蒸汽烟道灰灰尘热返矿冷返矿冷返矿3~0mm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。CaO·FeO·SiO2、CaO·3Fe2O3·SiO2、CaO·Fe2O3（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（℃）2FeO•SiO212052FeO•SiO2—SiO211782FeO•SiO2—Fe3O41142CaO•Fe2O312462CaO•Fe2O31449CaO•2Fe2O31230CaO•SiO215402CaO•SiO22130CaO•SiO2—2CaO•Fe2O31185CaO0.19•FeO1.81•SiO211502CaO•SiO2—FeO1280Fe3O4—CaO•2Fe2O31180Fe2O3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,最初产物不是CaO·SiO2，而是2CaO·SiO2。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（℃）CaO—SiO23:12:13:21:12CaO·SiO2500~700MgO—SiO22:11:12MgO·SiO2680CaO—Fe2O32:11:1CaO·Fe2O3500~675CaO—Al2O33:15:31:11:21:6CaO·Al2O3MgO—Al2O31:11:6MgO·Al2O3Fe3O4—SiO22FeO·SiO2990~1100例如：CaO—SiO2系中的化合物有2CaO·SiO2正硅酸钙3CaO·SiO2不稳定化合物（1225℃以下分解成2CaO·SiO2和CaO）3CaO·2SiO2硅钙石CaO·SiO2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3CaO·SiO2生成）3CaO·SiO22CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·2SiO2CaO·SiO2SiO23CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·2SiO2CaO2CaO·SiO23CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·2SiO2CaO·SiO2SiO2CaO·SiO2SiO22CaO·SiO2CaO·SiO23CaO·2SiO2481216(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+SiO22FeO·SiO2铁橄榄石990~1100CaO+Fe2O3CaO·Fe2O3铁酸一钙500、600、610、650、675CaCO3+Fe2O3CaO·Fe2O3铁酸一钙590CaO+SiO22CaO·SiO2正硅酸钙500、610、690MgO+SiO22MgO·SiO2镁橄榄石680MgO+Fe2O3MgO·Fe2O3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：FeO—SiO2FeO--SiO2：2FeO·SiO2是酸性烧结矿的主要粘结相，随FeO熔入液相，液相熔点下降；FeO—Fe3O4（纯磁铁矿烧结时的主要粘结相）Fe3O4—2FeO·SiO2：随Fe3O4熔入液相，液相熔点升高。3）烧结矿的液相反应a)FeO—SiO2体系：固相反应产物：2FeO·SiO2（FeO72%、SiO228%，数量比较少）熔点1205℃共晶系：2FeO·SiO2—FeO（FeO76%、SiO22.4%）熔点1177℃FeO-SiO2体系形成条件：①较高的温度（矿石中SiO2很少，即使全部形成2FeO·SiO2，产生的液相量很少,提高温度让更多的FeO熔入液相);②较强的还原气氛，使Fe3O4还原成FeO2Fe3O4+3SiO2+2CO=3(2FeO·SiO2)+2CO2在酸性烧结矿中，足够的铁橄榄石液相数量是保证烧结矿强度必须的。Fe2O3不与SiO2反应此体系有一个低共熔点：2FeO·SiO2（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，