【正文】 過各種地質(zhì)作用，形成的天然元素和天然化合物稱為礦物。它具有較均一的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)晶構(gòu)造，具有一定的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。礦石和巖石均由礦物所組成，是礦物的集合體。但是，礦石是在目前的技術(shù)條件下能經(jīng)濟(jì)合理地從中提取金屬、金屬化合物或有用礦物的物質(zhì)。因此礦石和巖石的概念是相對(duì)的。礦石又由有用礦物和脈石礦物所組成。礦石中能夠被利用的礦物為有用礦物，目前尚不能利用的礦物為脈石礦物。 二、鐵礦石的分類及主要特性 在自然界中，金屬狀態(tài)的鐵是極少見的，一般都和其他元素結(jié)合成化合物?，F(xiàn)在已知道的含鐵礦物有300多種，但在目前的工藝條件及技術(shù)水平下能夠用作煉鐵原料的只有20多種。根據(jù)含鐵礦物的主要性質(zhì)，按其礦物組成，通常將鐵礦石分為磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦四種類型。 1．磁鐵礦 磁鐵礦化學(xué)式為Fe3O4，結(jié)構(gòu)致密，晶粒細(xì)小，黑色條痕。具有強(qiáng)磁性，含S、P較高，還原性差。 2．赤鐵礦赤鐵礦化學(xué)式為Fe2O3，條痕為櫻紅色，具有弱磁性。含S、P較低，易破碎、易還原。 3．褐鐵礦 褐鐵礦是含結(jié)晶水的氧化鐵，呈褐色條痕，還原性好，化學(xué)式為nFe2O3mH2O(n= 1～3，m=1～4)。褐鐵礦中絕大部分含鐵礦物是以2Fe2O33H2O的形式存在的。 4．菱鐵礦 菱鐵礦化學(xué)式為FeC03，顏色為灰色帶黃褐色。菱鐵礦經(jīng)過焙燒，分解出C02氣體，含鐵量即提高，礦石也變得疏松多孔，易破碎，還原性好。其含S低，含P較高。各種鐵礦石的分類及其主要特性列于表21。表2—1　鐵礦石的分類及其特性第二節(jié) 高爐冶煉對(duì)鐵礦石的要求鐵礦石是高爐冶煉的主要原料，其質(zhì)量的好壞，與冶煉進(jìn)程及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有極為密切的關(guān)系。決定鐵礦石質(zhì)量的主要因素是化學(xué)成分、物理性質(zhì)及其冶金性能。高爐冶煉對(duì)鐵礦石的要求是：含鐵量高，脈石少，有害雜質(zhì)少，化學(xué)成分穩(wěn)定，粒度均勻，良好的還原性及一定的機(jī)械強(qiáng)度等性能。一、鐵礦石品位鐵礦石的品位即指鐵礦石的含鐵量，以TFe％表示。品位是評(píng)價(jià)鐵礦石質(zhì)量的主要指標(biāo)。礦石有無開采價(jià)值，開采后能否直接入爐冶煉及其冶煉價(jià)值如何，均取決于礦石的含鐵量。鐵礦石含鐵量高有利于降低焦比和提高產(chǎn)量。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，礦石品位提高1％，焦比降低2％，產(chǎn)量提高3％。因?yàn)殡S著礦石品位的提高，脈石數(shù)量減少，熔劑用量和渣量也相應(yīng)減少，既節(jié)省熱量消耗，又有利于爐況順行。從礦山開采出來的礦石，含鐵量一般在30％～60％之間。品位較高，經(jīng)破碎篩分后可直接入爐冶煉的稱為富礦。一般當(dāng)實(shí)際含鐵量大于理論含鐵量的70％～90％時(shí)方可直接入爐。而品位較低，不能直接入爐的叫貧礦。貧礦必須經(jīng)過選礦和造塊后才能入爐冶煉。二、脈石成分鐵礦石的脈石成分絕大多數(shù)為酸性的，SiO2含量較高。在現(xiàn)代高爐冶煉條件下，為了得到一定堿度的爐渣，就必須在爐料中配加一定數(shù)量的堿性熔劑(石灰石)與Si02作用造渣。鐵礦石中Si02含量愈高，需加入的石灰石也愈多，生成的渣量也愈多，這樣，將使焦比升高，產(chǎn)量下降。所以要求鐵礦石中含Si02愈低愈好。脈石中含堿性氧化物(Ca0、MgO)較多的礦石，冶煉時(shí)可少加或不加石灰石，對(duì)降低焦比有利，具有較高的冶煉價(jià)值。三、有害雜質(zhì)和有益元素的含量1．有害雜質(zhì)礦石中的有害雜質(zhì)是指那些對(duì)冶煉有妨礙或使礦石冶煉時(shí)不易獲得優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的元素。主要有S、P、Pb、Zn、As、K、Na等。 (1)硫 硫在礦石中主要以硫化物狀態(tài)存在。硫的危害主要表現(xiàn)在： ，會(huì)使鋼材具有熱脆性。這是由于FeS和Fe結(jié)合成低熔點(diǎn)(985℃)合金，冷卻時(shí)最后凝固成薄膜狀，并分布于晶粒界面之間，當(dāng)鋼材被加熱到1150～1200℃時(shí)，硫化物首先熔化，使鋼材沿晶粒界面形成裂紋。 ，會(huì)降低鐵水的流動(dòng)性，阻止Fe3C分解，使鑄件產(chǎn)生氣孔、難于切削并降低其韌性。 ，抗腐蝕性和耐磨性。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)生鐵的含硫量有嚴(yán)格規(guī)定，煉鋼生鐵，％，％。雖然高爐冶煉可以去除大部分硫，但需要高爐溫、高爐渣堿度，對(duì)增鐵節(jié)焦是不利的。％。 (2)磷磷也是鋼材的有害成分。以Fe2P、Fe3P形態(tài)溶于鐵水。因?yàn)榱谆锸谴嘈晕镔|(zhì)，冷凝時(shí)聚集于鋼的晶界周圍，減弱晶粒間的結(jié)合力，使鋼材在冷卻時(shí)產(chǎn)生很大的脆性，從而造成鋼的冷脆現(xiàn)象。由于磷在選礦和燒結(jié)過程中不易除去，在高爐冶煉中又幾乎全部還原進(jìn)入生鐵。所以控制生鐵含磷的惟一途徑就是控制原料的含磷量。 (3)鉛和鋅 鉛和鋅常以方鉛礦(PbS)和閃鋅礦(ZnS)的形式存在于礦石中。 在高爐內(nèi)鉛是易還原元素，但鉛又不溶解于鐵水，其密度大于鐵水，所以還原出來的鉛沉積于爐缸鐵水層以下，滲入磚縫破壞爐底砌磚，甚至使?fàn)t底砌磚浮起。鉛又極易揮發(fā)，在高爐上部被氧化成PbO，粘附于爐墻上，易引起結(jié)瘤。％。 高爐冶煉中鋅全部被還原，其沸點(diǎn)低(905℃)，不熔于鐵水。但很容易揮發(fā)，在爐內(nèi)又被氧化成ZnO，部分ZnO沉積在爐身上部爐墻上，形成爐瘤，部分滲入爐襯的孔隙和磚縫中，引起爐襯膨脹而破壞爐襯。礦石中的含鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0．1％。 (4)砷 砷在礦石中含量較少。與磷相似，在高爐冶煉過程中全部被還原進(jìn)入生鐵，鋼中含砷也會(huì)使鋼材產(chǎn)生“冷脆”現(xiàn)象，并降低鋼材焊接性能。要求礦石中的含砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0．07％。 (5)堿金屬 堿金屬主要指鉀和鈉。一般以硅酸鹽形式存在于礦石中。冶煉過程中，在高爐下部高溫區(qū)被直接還原生成大量堿蒸氣，隨煤氣上升到低溫區(qū)又被氧化成碳酸鹽沉積在爐料和爐墻上，部分隨爐料下降，從而反復(fù)循環(huán)積累。其危害主要為：與爐襯作用生成鉀霞石(K2OA12O32SiO2)，體積膨脹40％而損壞爐襯；與爐襯作用生成低熔點(diǎn)化合物，粘結(jié)在爐墻上，易導(dǎo)致結(jié)瘤；與焦炭中的碳作用生成插入式化合物(CKCNa8)體積膨脹很大，破壞焦炭高溫強(qiáng)度，從而影響高爐下部料柱透氣性。因此要限制礦石中堿金屬的含量。 (6)銅 銅在鋼材中具有兩重性，銅易還原并進(jìn)入生鐵。當(dāng)鋼中含銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0．3％時(shí)能改善鋼材抗腐蝕性。％時(shí)又會(huì)降低鋼材的焊接性，并引起鋼的“熱脆”現(xiàn)象，使軋制時(shí)產(chǎn)生裂紋。％。 2．有益元素礦石中有益元素主要指對(duì)鋼鐵性能有改善作用或可提取的元素。如錳(Mn)、鉻(Cr)、鈷(Co)、鎳(Ni)、釩(V)、鈦(Ti)等。當(dāng)這些元素達(dá)到一定含量時(shí)，可顯著改善鋼的可加工性，強(qiáng)度和耐磨、耐熱、耐腐蝕等性能。同時(shí)這些元素的經(jīng)濟(jì)價(jià)值很大，當(dāng)?shù)V石中這些元素含量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，可視為復(fù)合礦石，加以綜合利用。 四、鐵礦石的還原性 鐵礦石的還原性是指鐵礦石被還原性氣體C0或H2還原的難易程度。它是一項(xiàng)評(píng)價(jià)鐵礦石質(zhì)量的重要指標(biāo)。鐵礦石的還原性好，有利于降低焦比。影響鐵礦石還原的因素主要有礦物組成、礦物結(jié)構(gòu)的致密程度，粒度和氣孔率等。一般磁鐵礦因結(jié)構(gòu)致密，最難還原。赤鐵礦有中等的氣孔率，比較容易還原。褐鐵礦和菱鐵礦容易還原，因?yàn)檫@兩種礦石分別失去結(jié)晶水和去掉CO2后，礦石氣孔率增加。燒結(jié)礦和球團(tuán)礦的氣孔率高，其還原性一般比天然富礦的還要好。 五、礦石的粒度、機(jī)械強(qiáng)度和軟化性 礦石的粒度是指礦石顆粒的直徑。它直接影響著爐料的透氣性和傳熱、傳質(zhì)條件。 通常，入爐礦石粒度在5～35mm之間，小于5mm的粉末是不能直接入爐的。確定礦石粒度必須兼顧高爐的氣體力學(xué)和傳熱、傳質(zhì)幾方面的因素。在有良好透氣性和強(qiáng)度的前提下，盡可能降低爐料粒度。鐵礦石的機(jī)械強(qiáng)度是指礦石耐沖擊、抗摩擦、抗擠壓的能力，力求強(qiáng)度要高一些為好。 鐵礦石的軟化性包括鐵礦石的軟化溫度和軟化溫度區(qū)間兩個(gè)方面。軟化溫度是指鐵礦石在一定的荷重下受熱開始變形的溫度；軟化溫度區(qū)間是指礦石開始軟化到軟化終了的溫度范圍。高爐冶煉要求鐵礦石的軟化溫度要高，軟化溫度區(qū)間要窄。 六、鐵礦石各項(xiàng)指標(biāo)的穩(wěn)定性 鐵礦石的各項(xiàng)理化指標(biāo)保持相對(duì)穩(wěn)定，才能最大限度地發(fā)揮生產(chǎn)效率。在前述各項(xiàng)指標(biāo)中，礦石品位、脈石成分與數(shù)量、有害雜質(zhì)含量的穩(wěn)定性尤為重要。高爐冶煉要求成分波動(dòng)范圍:含鐵原料TFe177。0．5％～l．0％；ω(SiO2)177。0．2％～0．3％；燒結(jié)礦的堿度為177。0．03～0．1。 為了確保礦石成分的穩(wěn)定，加強(qiáng)原料的整粒和混勻是非常必要的。 第三節(jié)　鐵礦石冶煉前的準(zhǔn)備和處理 從礦山開采出來的鐵礦石，無論是粒度還是化學(xué)成分都不能滿足高爐冶煉的要求，一般要經(jīng)過破碎、篩分、混勻、焙燒、選礦和造塊等加工處理過程。 一、破碎 破碎是鐵礦石準(zhǔn)備處理工作中的基本環(huán)節(jié)，當(dāng)?shù)V石粒度很大時(shí)，破碎一般都要分段進(jìn)行，根據(jù)破碎的粒度，可分為粗碎、中碎、細(xì)碎和粉碎。 粗碎：從l300～500mm破碎到400～125mm； 中碎：從400～125mm破碎到100～25mm； 細(xì)碎：從l00～25mm破碎到25～5mm； 粉碎：從5mm破碎到lmm。 對(duì)于天然鐵礦石的粗、中、細(xì)碎作業(yè)，目前采用的主要破碎設(shè)備有顎式破碎機(jī)和圓錐式破碎機(jī)兩大類，其工作原理如圖2—1所示。圖2—1　破碎機(jī)的工作原理示意圖 (a)顎式破碎機(jī)；(b)圓錐式破碎機(jī)；(c)短錐式破碎機(jī) 二、篩分 通過單層或多層篩面，將顆粒大小不同的混合料分成若干不同粒度級(jí)別的過程，稱為篩分。其目的是篩除粉末，同時(shí)也要將大于規(guī)定粒度上限的大塊篩除進(jìn)行再破碎，并對(duì)合格塊度進(jìn)行分級(jí)。篩分既可以提高破碎機(jī)的工作效率，又可以改善物料的粒度組成，更好地滿足高爐冶煉的要求。 礦石的篩分設(shè)備多采用振動(dòng)篩。其篩分原理是利用篩網(wǎng)的上下垂直振動(dòng)進(jìn)行的。篩網(wǎng)的振動(dòng)可達(dá)每分鐘l500次左右，振幅達(dá)0．5～12mm，篩面與水平面成l0176。～40176。的傾角。礦石規(guī)定的入爐粒度若在8～35mm范圍時(shí)，可分為二級(jí)入爐，8～20mm為一級(jí)，20～35mm 為一級(jí)，分級(jí)入爐比混合入爐的效果好。 振動(dòng)篩的篩分效率高，單位面積產(chǎn)量大，篩孔不易堵塞，調(diào)整方便，適用粒度范圍廣。 通常，礦石在破碎、篩分過程中通過皮帶運(yùn)輸機(jī)將破碎機(jī)械與篩分機(jī)械聯(lián)系起來，構(gòu)成破碎篩分流程。 三、混勻 混勻又稱為中和。其目的在于穩(wěn)定鐵礦石的化學(xué)成分，從而穩(wěn)定高爐操作，保持爐況順行，改善冶煉指標(biāo)。 礦石的混勻方法是按“平鋪直取”的原則進(jìn)行的。所謂平鋪，是根據(jù)料場(chǎng)的大小將每一批來料沿水平方向依次平鋪，一般每層厚度為200300mm，把料鋪到一定高度()。所謂直取，即取礦時(shí)，沿料堆垂直斷面截取礦石，這樣可以同時(shí)截取許多層次的礦石，從而達(dá)到混勻的目的。 四、鐵礦石的焙燒 鐵礦石的焙燒是將其加熱到低于軟化溫度200～300℃的一種處理過程。焙燒的目的是改變礦石的礦物組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，去除部分有害雜質(zhì)，回收有用元素，同時(shí)還可以使礦石變得疏松，提高礦石的還原性。焙燒的方法有氧化焙燒、還原磁化焙燒和氯化焙燒等。 氧化焙燒是鐵礦石在氧化氣氛條件下焙燒，主要用于去除褐鐵礦中的結(jié)晶水，菱鐵礦中的C02，并提高品位，改善還原性。 還原磁化焙燒是在還原氣氛中進(jìn)行，其作用是將弱磁性的赤鐵礦及非磁性的黃鐵礦轉(zhuǎn)化為具有強(qiáng)磁性的磁鐵礦，以便磁選。五、鐵礦石的選礦選礦的目的主要是為了提高礦石品位。在選礦時(shí)，根據(jù)各礦物的物理性質(zhì)與物理化學(xué)性質(zhì)的不同，借助各種選礦設(shè)備和藥劑，將礦石中有用的礦物和脈石加以分離，使有用礦物相對(duì)富集，從而提高礦石品位，同時(shí)分離回收其他有用成分，除去部分有害雜質(zhì)，從而充分、經(jīng)濟(jì)合理地利用礦產(chǎn)資源。礦石經(jīng)過選礦可得到三種產(chǎn)品：精礦、中礦和尾礦。精礦是指選礦后得到的含有用礦物含量較高的產(chǎn)品；中礦為選礦過程中間產(chǎn)品，需進(jìn)一步選礦處理；尾礦是經(jīng)選礦后留下的廢棄物。 對(duì)于鐵礦石，目前常用的選礦方法有： 1)重力選礦法。根據(jù)礦物密度的不同，在選礦介質(zhì)中具有不同的沉降速度而進(jìn)行選礦。 2)磁力選礦法。磁力選礦法是利用礦物的磁性差別，在不均勻的磁場(chǎng)中，磁性礦物被磁選機(jī)的磁極吸引，而非磁性礦物則被磁極排斥，從而達(dá)到選別的目的。 3)浮游選礦法。浮游選礦法是利用礦物表面不同的親水性，選擇性地將疏水性強(qiáng)的礦物用泡沫浮到礦漿表面，而親水性礦物則留在礦漿中，從而實(shí)現(xiàn)不同礦物彼此分離。第四節(jié)　熔 劑 高爐冶煉中，除主要加入鐵礦石和焦炭外，還要加入一定量的助熔物質(zhì)，即熔劑。 一、熔劑的作用 熔劑在冶煉過程中的主要作用有兩個(gè)：第一個(gè)作用是使還原出來的鐵與脈石和灰分實(shí)現(xiàn)良好分離，并順利從爐缸流出，即渣鐵分離。第二個(gè)作用是生成一定數(shù)量和一定物理、化學(xué)性能的爐渣，去除有害雜質(zhì)硫，確保生鐵質(zhì)量。 二、熔劑的種類 根據(jù)礦石中脈石成分的不同，高爐冶煉使用的熔劑，按其性質(zhì)可分為堿性、酸性和中性三類。1．堿性熔劑當(dāng)?shù)V石中的脈石主要為酸性氧化物時(shí)，則使用堿性熔劑。由于燃料灰分的成分和絕大多數(shù)礦石的脈石成分都是酸性的，因此，普遍使用堿性熔劑。常用的堿性熔劑有石灰石(CaC03)和白云石(CaC03MgC03)。 2．酸性熔劑 高爐使用主要含堿性脈石的礦石冶煉時(shí)，可加入酸性熔劑。作為酸性熔劑使用的有石英石(Si02)、均熱爐渣(主要成分為2FeOSi02)及含酸性脈石的貧鐵礦等。生產(chǎn)中用酸性熔劑的很少，只有在某些特殊情況下才考慮加入酸性熔劑。 3．中性熔劑 亦稱