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CO、CO2、N2、H2、CH4；

2000m3/t左右（2560kg/t），70%以上烧热风炉。

（3）炉渣：

SiO2、CaO、Al2O3、MgO、MnO、FeO、S（R=1.0～1.25）,200～500kg/t，温度比铁水高50～100℃。

（4）炉尘：

20～100kg/t。

•1.4高炉技术经济指标

（1）有效容积利用系数

（2）焦比

（3）冶炼强度

（4）焦炭负荷

（5）生铁合格率

（6）休风率

（7）生铁成本

（8）生铁一代寿命

2高炉炼铁的原料

•2.1铁矿石和燃料

•2.1.1铁矿石

铁矿石：

1.6～1.8吨/吨铁

铁矿石主要成分：

Fe3O4，理论含铁72.4%；

Fe2O3，理论含铁70%。

几个基本概念

1）富矿：

含铁品位>

50%的铁矿石；

A、天然富矿

天然矿石（块矿）：

磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿等。

B、人造富矿：

含铁量一般在55%~65%之间。

烧结矿：

高碱度烧结矿、自熔性烧结矿、非熔剂性烧结矿。

球团矿：

酸性球团矿、自熔性球团矿。

常见铁矿石的组成及特征

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（颗粒较大，成块状矿石）和粉矿（颗粒较小，成粉末状矿石）

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%）

2.1.1.2铁矿石质量评价

A、成分

a、矿石品位：

品位↑，焦比↓产量↑

b、脉石成分：

①碱性脉石，如CaO、MgO；

②酸性脉石，如SiO2、Al2O3。

c、有害杂质和有益元素的含量：

通常指硫、磷、铅、锌、

砷等。

B、粒度和强度

C、还原性

D、化学稳定性

2.1.2.3铁矿石的准备处理

A、破碎筛分；

B、混匀；

C、焙烧；

D、选矿：

重选、磁选、浮选；

E、造块。

•2.1.2熔剂

a、降低脉石和焦炭灰份的熔点；

初渣

作用b、使炉渣具有良好的流动性；

c、使炉渣具有一定的脱硫能力。

石灰石：

CaCO3

白云石：

CaCO3·

MgCO3

硅石：

SiO2

硅砂：

萤石：

CaF2，在高炉失常或高炉开炉时使用。

锰矿：

MnO2，洗炉或生产含锰生铁时使用。

•2.1.2.2对碱性熔剂的要求

（1）碱性氧化物含量高，酸性氧化物含量要少。

一般要求w（CaO+MgO）>

50%，w（SiO2+Al2O3）<

3.5%。

石灰石有效熔剂性能用有效w（CaO）表示如下：

w（CaO有效）=w（CaO）-Rw（SiO2）

R：

炉渣碱度，即渣中（CaO）/（SiO2）。

（2）硫、磷含量低。

石灰石一般含硫量0.01%~0.08%，含磷量0.001%~0.03%。

（3）强度高，粒度均匀，粉末少。

直接装入高炉的石灰石粒度上限，以其在达到900℃温度区能全部分解为准，大于300m3的高炉，石灰石的粒度范围应为20~50mm，小于300m3的高炉，应为10~30mm。

炉前应筛除粉末及泥土杂质。

•2.1.3高炉燃料

•2.1.3.1焦炭

A焦炭的作用

燃料，燃烧产生热量，高炉冶炼所消耗热量70%~80%来自焦炭燃烧；

还原剂，焦炭高温条件下直接还原铁矿石，焦炭燃烧产生还原性气体2C+O2=2CO+Q；

料柱骨架，支撑料柱，使料层透气，这一作用目前还没有其他燃料可以取代。

B焦炭的组成

水分：

熄焦方式（湿法4%~6%、干法0.5%）；

灰分：

SiO2占45～50%，Al2O3占15～30%；

挥发份：

CO、CO2、CH4、N2、H2；

固定碳：

80～85%；

C焦炭的机械强度和热强度

焦炭的机械强度是指成品焦炭的耐磨性、抗压强度和抗冲击的性能，目前测定焦炭机械强度的方法是转鼓实验。

D高炉生成对焦炭的要求

（1）含碳量高，灰分低，两者此消彼长；

（2）有害杂质少，高炉中的硫约80%来自焦炭；

（3）成分稳定，挥发分含量适中，水分含量低且稳定；

（4）强度高，避免焦炭破裂产生大量粉尘；

（5）焦炭粒度均匀；

（6）焦炭高温性能好。

•2.1.3.2喷吹燃料

作为燃料代替部分焦炭，降低生产成本。

（焦炭等级1~3，1600~1800元/t，煤粉

500~900元/t）

（1）气体燃料：

天然气、焦炉煤气、热转化气等；

（2）液体燃料：

重油、柴油、焦油等；

（3）固体燃料：

无烟煤、烟煤、褐煤等。

•2.1.3.3鼓风

作用：

燃烧焦炭和煤粉，产生热量和还原剂。

风温：

1100~1300℃，鼓风物理热占高炉热量

总收入的20%左右。

•小结

铁矿石：

1.6~1.8t/t

焦炭：

250~500kg/t

煤粉：

100~250kg/t

熔剂：

0~400kg/t

鼓风：

1700~2200Nm3/t

•2.2烧结矿

•烧结生产的目的和意义

【目的】：

充分利用各种细颗粒精矿、粉矿、破碎粉及二次含铁原料，节约资源以减少高炉冶炼成本。

（1）细颗粒精矿（-200目50~90%）：

贫矿经选矿后得到TFe>

60~68%的高品位细颗粒精矿不能直接入炉；

（2）粉矿：

天然富矿在开采、运输、破碎分级过程中产生的<

8mm的粉末不能直接入炉；

（3）破碎粉：

热爆裂性较差的富块矿、碳酸铁矿（菱铁矿）和含结晶水较高的褐铁矿等需要破碎成粉矿进行烧结；

（4）钢铁厂二次含铁原料：

瓦斯灰（高炉除尘灰）、轧钢皮、转炉渣和硫酸渣等。

【意义】

（1）通过烧结过程可以调整和控制烧结矿的成分和冶金性能，如R、FeO、MgO，使铁矿石的还原性能和软融性能达到最佳；

（2）通过调整烧结工艺参数，可得到一定粒度、多孔、比表面积大、还原性好、成分稳定的烧结矿；

（3）通过烧结，可去除原料中80~90%的硫；

（4）使用烧结矿改善和简化炉内冶炼过程，使高炉生产稳定。

•烧结的定义

将各种粉状铁料，配入适宜的燃料和熔剂，均匀混合，然后放在烧结机上点火烧结。

在燃料燃烧产生高温和一系列物理化学变化作用下，部分混合料颗粒表面发生软化熔融，产生一定数量的液相，并润湿其它未熔化的矿石颗粒。

冷却后，液相将矿粉颗粒粘结成块。

这一过程叫烧结，所得到的块矿叫烧结矿。

•2.2.1烧结矿质量指标

•2.2.1.1烧结矿强度和粒度

转鼓指数=（标准转鼓鉴定法）

A——试样中小于5mm部分的质量，kg。

•2.2.1.2还原性

通常用烧结矿中的FeO来表示还原性，FeO高则表示烧结矿的还原性差，反之则好。

•2.2.1.3碱度

烧结矿碱度用表示，按碱度的不同可分为三类：

1）非熔剂性烧结矿；

2）自熔性烧结矿；

3）熔剂性烧结矿。

•烧结矿种类

（1）非熔剂性烧结矿（酸性烧结矿、低碱度烧结矿）：

烧结配料中不加熔剂或只少量加入熔剂，烧结矿的碱度为自然碱度。

高炉用非熔剂性烧结矿是需要加入一定量石灰石以达到预定炉渣碱度。

（2）自熔性烧结矿：

烧结混合料中添加一定数量的熔剂，使烧结矿碱度控制在R=1.0~1.4。

高炉使用自熔性烧结矿时可不加或只加少量熔剂。

（3）熔剂性烧结矿：

烧结混合料中加入过量熔剂，使烧结矿碱度远高于正常高炉渣碱度（R>

1.6）。

高炉使用熔性烧结矿时往往与酸性矿配合使用，以获得碱度合适的炉渣。

•烧结生产方法

1）平地吹土烧法

鼓风烧结法2）烧结锅

3）带式烧结机

a、固定式烧结盘

1）间隙式

b、移动式烧结盘

抽风烧结法

a、环式烧结机

2）连续式b、带式烧结机

c、带式抽风烧结机

•2.2.2烧结过程及主要反应

•带式抽风烧结法工艺流程

将铁矿、熔剂和燃料经过适当处理，按一定的比例加水混合，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。

•国内外广泛使用的是连续生产的带式抽风烧结机（烧结机大小用有效烧结面积表示）国内有：

13、18、24、36、50、75、90、130、290、450m2

武钢二烧：

393m2（193m2烧结、200m2冷却）

武钢四烧：

450m2（96.3.28破土动工）

武钢一烧：

75m2×

4台

武钢三烧：

82.5m2×

4台

•抽风烧结过程分层性

（1）烧结矿层

（2）燃烧层

（3）预热层

（4）干燥层

（5）过湿层

•名词解析

露点：

含有一定水汽的空气，在气压不变的情

况下降温度，使饱和水压降至与当前实

际水压相等的温度，称为露点。

露点温度：

空气在水汽含量和气压都不变的条

件下，冷却到饱和时的温度。

燃料燃烧

水分的蒸发和凝结

•烧结过程反应碳酸盐分解

铁氧化的分解和还原

有害杂质的去除

•2.2.3烧结矿固结机理

•2.2.3.1固相反应

定义：

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；

（3）固相反应是放热反应，反应的最初产物与反应物的数量（比例）无关。

•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。

例如以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CaO·

SiO2，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）。

•烧结料层中的固相反应

混合料在烧结过程中随温度升高，氧化物矿物（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。

•烧结过程中可能产生的固相反应及开始温度

•Fe2O3不与SiO2反应

在用赤铁矿生产的非熔剂性烧结矿时，需要较高的配碳量，使Fe2O3还原成Fe3O4，才能形成低熔点的2FeO·

SiO2胶结相。

•Fe3O4不与CaO反应

用磁铁精矿生产熔剂性烧结矿时，需要低配碳形成较强的氧化性气氛，使Fe3O4氧化成Fe2O3，以便形成铁酸钙。

•2.2.3.2液相黏结及基本液相体系

固相反应只为液相的生成提供条件，烧结矿的固结主要依靠发展液相来完成。

固相反应形成的低熔点化合物在烧结温度下生成液相。

随着燃料层的移动，温度升高，各种互相接触的矿物又形成一系列的易熔化合物，在燃烧温度下形成新的液相。

液相浸润并溶解周围的矿物颗粒而将它们黏结在一起；

相邻液滴可能聚合，冷却时产生收缩；

往下抽入的空气和反应产物可能穿透熔化物而流过，冷却后便形成多孔、坚硬的烧结矿。

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。

•三种不同性质烧结矿的主要液相系

（1）非熔剂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—SiO2液相系；

酸性烧结矿的主要粘结相：

2FeO·

SiO2（Fe2·

SiO4）—FeO；

a）硅酸铁（FeO—SiO2）液相体系：

固相反应产物：

SiO2（FeO72%、SiO228%）熔点1205℃；

共晶系：

SiO2—FeO（FeO76%、SiO224%）熔点1177℃

2FeO·

SiO2—FeO体系形成条件：

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；

较强的还原气氛，使Fe3O4还原成FeO

2Fe3O4+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。

b）Fe3O4—2FeO·

SiO2液相体系（省略）

FeO-SiO2体系状态图

（2）自熔性烧结矿的主要液相系

二元碱度R=1.0~1.3，烧结料中加入相当数量的CaO

自熔性烧结料组成：

Fe2O3、Fe3O4、CaO、MgO、SiO2

成矿过程的主要液相体系：

CaO-SiO2、CaO-FeO-SiO2、CaO-MgO-SiO2、CaO-SiO2-Al2O3-FeO、2CaO·

SiO2-2FeO·

a）硅酸钙（CaO-SiO2）液相系

主要化合物：

（下页附图）

①CaO·

SiO2，硅灰石，熔点1544℃

②2CaO·

SiO2，正硅酸钙，熔点2130℃，开始形成温度500~690℃

③3CaO·

SiO2，硅酸三钙，在1250~2070℃稳定，1250℃以下分解

④3CaO·

2SiO2，硅钙石，在1464℃分解成2CaO·

SiO2+L

共熔点：

SiO2+SiO2，共熔点1436℃

②CaO·

SiO2+3CaO·

2SiO2，共熔点1460℃

③2CaO·

SiO2+CaO，共熔点2070℃

•CaO-SiO2体系状态图

•注：

这个体系的熔化温度都比较高，烧结条件下（1200~1450℃）产生的液相量不会很多，但其中的正硅酸钙2CaO·

SiO2是固相反应的最初产物，熔点又很高，烧结过程不会全部熔化（熔化后也不分解），直接转移到烧结矿中。

但2CaO·

SiO2能与2FeO·

SiO2形成低熔点固溶体（钙铁橄榄石），熔点在1170~1206℃之间，因而在烧结温度下能形成液相，冷却时2CaO·

SiO2从共晶混合物中析出。

若正硅酸钙在液相结晶时单独析出，或被其它粘结相包裹，将对烧结矿产生十分有害的影响。

•b）钙铁橄榄石（CaO-FeO-SiO2）液相体系

该体系是高温还原性气氛下生产自熔性烧结矿时的主要粘结相之一。

钙铁橄榄石[（CaO）x（FeO）2-x（SiO2），x=0.25~1.0]是2CaO·

SiO2与2FeO·

SiO2形成的固熔体，x=1时的熔点1206℃。

①铁黄长石2CaO·

FeO·

该体系的主要矿物：

②钙铁橄榄石CaO·

SiO2

③钙铁辉石CaO·

2SiO2

随烧结矿碱度升高，钙铁橄榄石逐渐取代铁橄榄石。

冷却时过量的2CaO·

SiO2从液相中首先析出，最后析出的钙铁橄榄石包裹在2CaO·

SiO2外面。

钙铁橄榄石熔化温度比铁橄榄石低，液相粘度小，料层透气性好，但烧结矿急剧冷却时，液相来不及结晶而形成各种过冷成分的含铁玻璃质，使烧结矿呈粗孔薄壁结构，强度差。

（冷却强度：

上层120~130℃/min，下层40~50℃/min）。

钙铁橄榄石系粘结相的生成条件：

需要足够多数量的FeO，故配碳量要高，还原性气氛要强。

•CaO-FeO-SiO2体系状态图

•熔剂性烧结矿的主要液相系

高碱度烧结矿R＞1.6

超高碱度烧结矿R＞2.5

烧结料中配入较多的CaO，从500~700℃开始CaO与Fe2O3开始形成最初产物CaO·

Fe2O3，随温度升高，反应加速进行，且开始出现2CaO·

Fe2O3和CaO·

2Fe2O3。

a）铁酸钙（CaO-Fe2O3）液相体系

下页附图

Fe2O3，铁酸一钙（异分熔点化合物），在1216℃分解成2CaO·

Fe2O3+L

②2CaO·

Fe2O3，铁酸二钙，熔点1449℃

③CaO·

2Fe2O3，二铁酸钙，在1155~1226℃稳定存在，冷却到1155℃时分解成CaO·

Fe2O3和Fe2O3，在1226℃熔化并分解出Fe2O3。

CaO·

Fe2O3+CaO·

2Fe2O3，共熔点1205℃。

•铁酸钙系化合物熔点均很低，液相易于形成。

特别是当CaO·

Fe2O3液相生成后，当其中逐步熔入Fe2O3时，其熔点是下降的。

这是高碱度烧结矿烧结温度低，FeO低的原因之一。

•铁酸钙粘结相生成条件：

i）高碱度：

虽然固相反应中铁酸钙形成较早，生成速度也快，但一旦形成液相后所有铁酸钙都将分解成简单氧化物。

由于CaO与SiO2亲和力比CaO与Fe2O3的亲和力大得多，故CaO首先与SiO2形成2CaO·

SiO2或3CaO·

SiO2析出，只有当CaO过剩时才与Fe2O3形成铁酸钙。

ii）强氧化性气氛：

阻止Fe2O3在低温时被还原，使Fe2O3与CaO通过固相反应生成CaO·

Fe2O3。

可减少FeO含量，从而防止生成铁橄榄石。

（燃料外加技术：

延长一混时间，使一混也有制粒功能，在一混与二混之间分加30~40%的焦粉，在二混时焦粉滚在料团外面，这样可以让碳充分燃烧，同时降低料团内部还原气氛，有利于铁酸钙生成。

）

iii）低烧结温度：

高温下铁酸钙剧烈分解，只有降低烧结温度，才有可能使固相反应形成的铁酸钙保留下来。

•CaO-Fe2O3体系状态图

•2.2.3.3冷却固结

烧结矿的冷却固结实际上是一个再结晶的过程。

燃料层移动过后，烧结矿的冷却过程随即开始。

随着温度的降低，液相黏结着周围的矿物颗粒而凝固。

各种低熔点化合物（液相）开始结晶。

首先是晶核的形成，凡是未熔化的矿物颗粒和随空气带来的粉尘都可充当晶核。

晶粒围绕晶核逐渐长大。

冷却快时，结晶发展不完整，因此裂纹较多，强度较差；

冷却慢时，晶粒发展较完整，强度较好。

上层烧结矿容易受空气急冷，强度较差；

下层烧结矿的强度则较好。

•总结：

烧结过程三步骤

•2.2.3.4烧结矿的矿物组成及结构

矿物组成：

磁铁矿、铁酸钙、钙铁橄榄石，

少量的富氏体、石英、玻璃相等。

常见的显微结构：

（1）粒状结构

（2）斑状结构

（3）骸状结构

（4）单点状的共晶结构

（5）熔蚀结构

•2.2.4强化烧结过程分析

•2.2.4.1烧结生产主要技术经济指标

（1）成品烧结矿台时产量Q（t/台.时）

K—烧结矿成品率=成品烧结矿量/烧结料重量=除去返矿、烧损（水分、挥

发分、燃料、溶剂分解）后的成品重量/烧结料重量，一般K=50~70%

—烧结混合料堆比重（t/m3）1.5~1.9t/m3

F—烧结机有效烧结面积（m2），F=台车宽度B×

烧结机长度L

d—垂直烧结速度（m/min）10~20mm/min

d=料层厚度h/烧结时间t

t=烧结机长度L/台车运行速度（m/min）

F=B×

L

（t/台·

时）

（2）利用系数：

单位时间内每m2有效烧结面积的产量

（t/m2.h）（1.0~1.4）

（3）成品率K

（4）烧成率：

混合料扣除烧损后的重量/烧结混合料量，（成品矿+返矿）/烧结混合料量，（80~85%）

（5）作业率：

设备年开动小时总计/（日历天数×

24）

（6）烧结机年产量=日历天数×

24×

作业率×

台时产量

=设备年开动小时总计×

台时产量

（t/年.台）

•2.2.4.2烧结料层透气性

改善料层透气性是强化过程烧结，提高烧结矿产量和质量的关键：

1）改善料层透气性可以提高垂直烧结速度，增加产量；

2）由于供氧充足，反应充分，从而保证了烧结矿的质量。

•2.2.4.3强化烧结措施

1）混合料预热，防止气流中水分凝结恶化料层的透气性；

2）加生石灰或消石灰，可以强化烧结过程；

3）热风烧结，改善表层烧结矿强度、改善烧结矿还原性、降低烧结矿中FeO含量；

4）分层布料和双层烧结，克服烧结矿上下层质量不均匀和节约燃料。

•2.3球团矿

球团是人造块状原料的一种方法。

它是将精矿粉、熔剂的混合物，在造球机中滚成直径8~15mm的生球，然后干燥、焙烧、固结成为具有良好冶金性质的含铁原料。

球团法按固结方法可分为高温固结和低温固结两种类型，如右图所示：

•2.3.1球团矿质量指标

•2.3.1.1生球质量指标

（1）生球粒度

（2）生球抗压强度（3）生球落下强度（4）生球破裂温度

•2.3.1.2球团矿质量指标

（1）冷强度

（2）还原性（3）高温软化及熔融特性

•2.3.1.3球团矿与烧结矿质量比较

球团矿比烧结矿在冶金性能上有以下优点：

（1）粒度小而均匀

（2）冷态强度高（3）还原性好

（4）原料来源较宽，产品种类多（5）适于处理细

精矿粉

•2.3.2矿粉造球过程

•2.3.2.1造球

铁精矿粉滚动成球过程的基本依据是水对矿粉的润湿作用和造球机械作用力的结合。

细磨物料的成球可分为三个成长阶段：

成核阶段、过渡阶段、生球长大阶段。

生球强度影响因素：

（1）原料性质：

亲水性孔隙度颗粒表面性状

（2）粒度：

大小组成颗粒形状

（3）添加剂：

膨润土消石灰

（4）工艺操作：

加水加料方法