铁矿粉造块理论及工艺

铁矿粉造块理论及工艺
冯根生
高炉炼铁
炼铁的任务
使矿石中金属铁氧化物中的铁元素和氧元素分离——还原过程；
实现矿石中已还原金属与脉石的机械分离——熔化和造渣过程
得到温度和化学成分合格的液态铁水
炼铁系统—消耗及能耗炼铁系统：物料处理量最大、能耗最高、成本和效益压力最大的工序环节。

铁前系统物料处理量占钢铁企业65-70%。

吨铁消耗1.6-1.8吨矿石，500-
550Kg燃料，产生1.5tCO
2。

约280-
400Kg/t炉渣。

炼铁系统—消耗及能耗铁前能耗占钢铁工业总能耗的70％左右，烧结及炼铁工序能源消耗总量占钢铁冶金过程的60%以上，占全国能源消耗总量的10%。

炼铁系统承担钢铁企业的节能、减排、增效的重任。

高炉炼铁面临的问题矿石资源和能源短缺的制约—关键问题
节能、减排的压力
市场环境（近几年经济危机）
炼铁系统—高产、低耗、高效合理、高效（高效率、高效益）利用国内外资源，改善和稳定入炉原、燃料的质量；要优化高炉操作。

炼铁系统—高产、低耗、高效
改善入炉含铁原料的质量
不仅仅是提高烧结矿、球团矿的强度，更重要的是改善烧结矿和球团矿的还原性，发展间接还原，提高煤气的利用率，达到降低高炉燃料消耗；改善烧结矿和球团矿的高温冶金性能性能，进一步提高软化和熔融温度，降低软熔带的位臵，使得间接还原时间延长，从而提高煤气的利用率，达到进一步降低燃耗的作用。

炼铁系统—高产、低耗、高效布料技术（上部调剂）：无钟炉顶的高炉上普遍采用大料批、重分装布料模式。

大喷煤配合使用中心加焦。

目的是使炉顶煤气流分布合理。

下部调节技术（下部调剂）：根据操作条件选用不同风速、鼓风动能和合适的风口燃烧带理论燃烧温度控制炉缸燃烧带的位臵和现状及温度，满足高炉煤气合理初始分布和炉缸具有充沛的高温热量的要求。

高炉炼铁原料
高炉炼铁用原料及要求
主要原料包括：
铁矿石烧结矿、球团矿、块矿）；燃料（焦炭、粉煤）
熔剂（石灰石、白云石等、萤石）
高炉炼铁
高炉炼铁用原料及要求—铁矿石：
含铁品位高；
强度好、粒度均匀、合适；
理化性能指标稳定。

冶金性能好：还原性好，低温还原粉化率低、球团矿还原膨胀低、块矿热裂小及良好的软化和熔滴性能；
有害杂质少，脉石适合造渣；
铁矿石质量对炼铁的影响
含铁品位：
含铁品位越高越好
入炉品位增加1%，焦比降低0.8-1.2%，产量增加1.2-1.6%。

可减少渣量30千克，增加喷煤量15千克。

强度及粒度构成；
强度低，<5mm的比例增加1%，焦比上升0.5%，产量下降0.5—1%。

关注粒度组成：>50mm, <8%；40-10mm,60%-65%
<5mm ,<3%-5%。

要重视5mm-10mm比例,<30%，最高不超过35%。

转鼓（ISO>6.3mm）75-80%。

容积1000m32000m33000m34000m35000m3
冶金性能：
铁矿石在高炉冶炼条件下，表现的高温物理和化学性能。

间接还原性好，低温还原粉化率低、球团矿还原膨胀低、块矿热裂小及良好的软化和熔滴性能。

间接还原性好：降低直接还原度，提高间接还原度。

直接还原度增加10%，焦比增加8—9%，产量下降8—9%。

铁矿石质量对炼铁的影响
我们追求高还原性：（通过铁矿粉造块实现）烧结矿间接还原性RI>85%,希望>90%；
球团矿和块矿间接还原性RI>70%,希望>75%以上。

铁矿石质量对炼铁的影响
500℃低温还原粉化性能RDI——特指烧结矿原因是烧结矿中再生的骸晶状赤铁矿这种铁矿物400～600℃低温还原时发生的晶型转变，再生的骸晶状赤铁矿由αFe2O3转变为γFe2O3，前者为三方晶系六方晶格，后者为等轴晶系立方晶格，晶格的转变造成结构扭曲，产生极大的内应力，导致在机械作用下严重的碎裂。

影响铁矿石低温还原粉化性能的因素是多方面的，包括铁矿石的化学成分矿物组成、还原性等方面。

块矿热裂性能
由于部分赤铁矿或褐铁矿含有部分结晶水，在加入到高炉中后受到还原气体的高温作用，结晶水的分解和剧烈蒸发将造成铁矿石的碎裂，产生粉末，影响高炉的料层透气性。

软化和熔融滴落性能
烧结矿开始软化温度>1050℃，软化温度区间<150℃；
球团矿及块矿开始软化温度>1000℃，软化温度区间<150℃，良好的熔融滴落性能。

改善高炉中下部的透气性，提高产量，降低焦比。

铁矿石质量对炼铁的影响脉石成分合理，适合造渣。

合适的Al
2O
3
含量
Al
2O
3
是硅酸盐网络形成的促进物，高Al
2
O
3
使得炉渣性能变差，影响高炉操作。

同时影响烧结矿、球团矿产量和质量。

合理控制铁矿石中Al
2O
3
含量；
炉料适当补充MgO.
铁矿石质量对炼铁的影响
有害杂质（S、P、Pb、Zn、As、K、Na等）
（1）硫：以硫化物状态存在。

钢的热脆；（2）磷：烧结、球团、炼铁不能脱磷，磷将溶入铁水，造成钢的冷脆现象；
（3）铅和锌：以方铅矿（PbS）和闪锌矿（ZnS）的形式存在，侵蚀炉底和引起结瘤。

一般要求矿石中的含铅量低于0.1％。

含锌量应小于0.1％。

铁矿石质量对炼铁的影响（4）砷：使钢材产生冷脆现象，降低钢材焊接性能。

要求矿石中的含量小于0.07%。

（5）碱金属：主要指钾和钠，一般以硅酸盐形态存在于矿石中。

易导致结瘤；破坏焦炭高温强度，从而影响高炉下部料柱透气性。

含量小于0.2%。

（6）铜：超过0.3％时又会降低钢材的焊接性，并引起热脆现象，允许含量不超过0.2％。

抗腐蚀钢材小于0.3％。

铁矿石造块的必要性
现代高炉生产对原料提出更加严格的要求—精料方针。

资源环境受到制约，天然富矿少，经过选矿后粒度细，不适合在高炉填充床中的冶炼。

通过造块工艺，不仅可改善铁矿石的冶金性能。

同时通过造块过程，可脱除某些杂质，如：S、K、Na等。

造块过程可利用冶金企业产生的大量粉尘和废弃物，达到资源高效利用的目的。

铁矿粉造块的意义
对炼铁具有重要的作用
炼铁反应大多在气流与团体填充料床之间进行，稳定的操作要求填充床具有一定透气性，这就要求炉料必须具有一定粒度且粒度均匀。

天然或加工的炉料（铁矿、熔剂及燃料）往往不具备这样的要求，细粒散料造块是满足这一要求最主要的手段。

铁矿粉造块的意义
铁矿粉造块不是简单地将细粒矿粉制成烧结矿、球团矿，而是在造块过程中采用一些技术，以生产出优质的适合高炉冶炼的原料。

例如加入某些物质以改善铁矿组成，最常用的是加入CaO或MgO以提高矿石碱度；把铁矿粉制成一种符合冶炼要求的单一原料是人们长期研究的课题和追求的目标。

铁矿粉造块的意义
环保和回收
某些冶金工业粉状产品及副产品，不适于下一步工序要求，为了使用及保存方便，也常需要制块操作；冶金工业中还有大量固体废弃物，为了保护环境及回收利用，将这些固体废弃物造块也是一常见工艺。

如瓦斯灰、转炉尘、铁皮、钢渣等
铁矿粉造块工艺方法
烧结工艺
球团工艺
冷固结工艺
工艺的选择依据：资源特征和产品性能
铁矿粉造块——人造富矿
烧结矿
球团矿
铁矿粉烧结工艺
现代烧结生产是抽风烧结过程，即将铁矿粉、熔剂、燃料、代用品及返矿按一定比例配成烧结混合料，添加适量的水分，经过混合和制粒后铺到烧结机台车上，在一定负压下点火，在强制抽风的作用下，料层内的燃料自上至下燃烧，产生热量，混合料在高温作用下发生一系列的物理、化学变化，部分散料熔化生成液相，冷却后粘结周围物料，最终固结生成烧结矿。

烧结是液相粘结的固结过程。

烧结过程
烧结工艺作业框图
烧结工艺流程图
烧结矿带（即成矿层）
主要反应是液相凝固，矿物析晶，空气经过此带得到预热。

成矿层可分为冷烧结矿和热烧结矿两层。

冷烧结矿层的表层强度较差，其原因一是烧结温度低，二是被抽入冷空气快速急冷，表层矿物来不及释放能量而析晶，因而玻璃质较多，内应力大而性脆。

在烧结机尾部卸矿时，被击碎而筛去进入返矿。

冷烧结矿层的表层厚度一般为40—50mm。

燃烧带
主要反应是燃料燃烧，温度可达1100～1500℃，混合料在固相反应形成的低熔点矿物在高温下软化，进一步发展产生液相，此层厚度在15～50mm，它对烧结矿的产质量影响很大，过厚影响烧结料层透气性而导致产量降低，过薄则烧结温度低，液相数量不足，烧结矿粘结不好，烧结矿强度低。

该带厚度主要受燃料配加量、粒度、抽风量和铁矿石融化及液相数量的影响。

干燥预热带
混合料被燃烧带下来的热废气干燥和预热，特点是热交换进行得迅速剧烈，以致废气温度很快从1100一1500℃降至60～70℃。

在相应的温度下，该带内发生的主要反应是水分的蒸发、结晶水和碳酸盐分解，铁矿石的氧化还原以及固相反应等，此带厚度一般为20～40mm。

水分冷凝带(即过湿层)
由于上层废气中带入较多的水分，进入本层时，温度降到露点以下而冷凝析出，料层过湿，过湿出现的重力水破坏已造好的混合料小球，从而影响烧结透气性。

生产中采用混合料预热等措施可以减少过湿层的影响。

烧结过程
混合料带
处于料层的最下部，在此带的烧结混合料的物理化学性质基本保持不变。

烧结过程
烧结过程是一个复杂的成矿过程，其基本过程原理是以物理化学、传输原理、结晶矿物学为理论基础。

运用物理化学（热力学、动力学）研究烧结过程中固体燃料的燃烧、结晶水及碳酸盐分解、铁矿物的氧化还原、水分的蒸发和冷凝等基本反应规律；运用传输原理（流体力学、传热学）研究烧结过程的气体运动规律、料层透气性和影响因素，分析料层的温度分布规律、蓄热现象等热量传输规律；运用结晶矿物学和物理化学研究烧结过程的固相反应、液相生成、冷凝固结的成矿过程规律。

烧结原料及特性
烧结原料主要包括：
铁矿粉、熔剂、燃料、固体废弃物等
国内铁矿资源
国内铁矿石分布
主要分布地区：
东北鞍山地区：储量100亿吨；包括东、西鞍山，
齐大山等贫矿和本溪地区的部分
富矿。

四川攀西地区：储量80亿吨，钒钛磁铁矿为主；河北冀东地区:储量数十亿吨，贫磁铁矿；
西北地区：(包头、甘肃镜铁山)：复合矿；
华东及中南地区：梅山、大冶、广东大宝山等
我国铁矿特点
A.储量相对较少，现在近70%依靠进口；
B.以贫矿为主，采矿、选矿成本较高
C.多共生矿，选矿难度大；
D.复合矿储量较大，尤其是包头白云地区和攀西地区，复合矿中其它金属的价值远高于铁的价值。

世界各国铁矿石储量
烧结原料及特性—铁矿粉
矿物种类：
磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿。

按粒度分类：
精矿粉、富矿粉。

按品位分类：
富矿、贫矿。

烧结原料及特性—磁铁矿存在形态：Fe3O4；比密度4.9-5.2，有金属光泽，有磁性，理论含铁量72.4%。

其晶体为八面体，组织结构致密坚硬，一般为块状或粒状。

表面颜色为银灰或黑色，条痕为黑色。

烧结原料及特性—磁铁矿
烧结原料及特性—赤铁矿
主要存在形态为不含水的三氧化二铁Fe2O3，密度4.8-5.3，硬度不一，完整晶型赤铁矿硬度为5.5-6，理论含铁量为70%。

晶型组织多种多样，从非常致密到松软的粉状，片状组织表面具有金属光泽，平滑如镜为镜铁矿，条痕色为红色。

烧结原料及特性—赤铁矿
烧结原料及特性—褐铁矿
含有结晶水的赤铁矿（nFe
2O
3
.mH
2
O），按
结晶水的含量可分为以下几类：
褐铁矿名称分子式理论含铁量含水密度水赤铁矿2Fe2O3.H2O66.1 5.324--5针赤铁矿Fe2O3.H2O62.910.114-4.5水针赤铁矿3Fe2O3.4H2O60.912.83-4.4褐铁矿2Fe2O3.3H2O6014.393-4.2黄针铁矿Fe2O3.2H2O57.218.373--4
烧结原料及特性—褐铁矿
烧结原料及特性—菱铁矿
含铁的碳酸盐FeCO
3，理论含铁量为48.2%，往
往与其它金属的碳酸盐共生。

常见的碳酸盐坚硬、致密，密度为3.9，硬度为3.5-4，在空气和水的作用下，易转变为褐铁矿。

这种褐铁矿覆盖在菱铁矿表面。

颜色为灰色带黄褐色。

菱铁矿经过焙烧，分解出CO2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。

烧结原料及特性—菱铁矿。