（钢铁冶金专业论文）铁矿烧结矿矿相显微图像识别系统的研究与开发.pdf

分类号一 硕士学位论文 密级 铁矿烧结矿矿相显微图像识别系统的研究与开发 r e s e a r c ha n ds y s t e md e v e l o p m e n to f m i c r o g r a p h r e c o g n i z a t i o no f i r o no r esi n t e rm i n e r a l o g y 作者姓名： 学科专业： 学院( 系、所) ： 指导教师： 赵忠花 钢铁冶金 资源加工与生物工程学院 范晓慧教授 答辩委员会主席擅婪 中南大学 2 0 10 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：盘盛。盔日期：2 望垃年月型日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：石篮啦导师签名：簋越日期：五袒年上月么日 硕士学位论文 摘要 摘要 烧结矿是目前我国高炉生产的主要炉料，其质量的好坏与烧结矿 的矿物组成、性质和结构有着密切的联系，因此测定及分析烧结矿的 矿物组成及微观结构至关重要。 烧结矿是一种多种矿物组成的复合体，它是由含铁矿物和脉石矿 物及由它们形成的粘结相粘结而成；其在显微镜下的微观结构主要包 括粒状结构、斑状结构、骸晶状结构、熔融结构、共晶结构等。烧结 矿矿物组成复杂多样，矿物成分之间相互包裹、形状特征复杂。烧结 矿的矿物组成及微观结构随原料及烧结工艺条件的不同而异。 本文在研究烧结矿矿相显微结构的基础上，总结烧结矿矿相显微 图像特征，探索出适合处理烧结矿矿相显微图片的分割识别算法选择 原则，并选择区域生长算法、模糊c 均值算法、分水岭算法识别烧 结矿矿相显微图像，分割识别结果表明：区域生长算法处理速度快、 处理精度高，较适用于烧结矿矿相显微图像的识别。 应用v c + + 结合o p e n v c 开发了铁矿烧结矿矿相矿相显微图像识 别系统，该系统主要包括图像读取、区域生长法识别烧结矿矿物成分、 图像滤波、专家子系统、结果评判等功能。针对同一矿相显微图像采 用该系统识别出的烧结矿矿物成分百分含量与人工光学显微镜测定 结果相比较，相对误差均小于5 ，该系统的开发可以快速准确掌握 烧结矿基本矿物类型的百分含量，系统识别结果准确、识别速度较快， 满足实际操作过程中的要求。 关键词烧结矿，矿物组成，显微特征，区域生长算法 l _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - - 。_ - _ 。_ 。_ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ 。- _ - 一一 a b s t r a t a tp r e s e n t ，s i n t e ri st h em a i nb u r d e nf o rb l a s tf u m a c ep r o d u c t i o n s i n t e rq u a l i t yh a sac l o s er e l a t i o n s h i pw i t hi t sc o m p o s i t i o n ，p r o p e r t ya n d s t r u c t u r e t h e r e f o r e ，i t i s v e r yi m p o r t a n tt o m e a s u r ea n da n a l y z e c o m p o s i t i o na n dm i c r o s c o p i cf e a t u r eo f s i n t e r s i n t e rc a nb ed e f i n e da sak i n do fc o m p l e xc o n t a i n i n gv a r i o u s m i n e r a l s ，t h ec o m p o s i t i o no fw h i c ha r ei r o n c o n t a i n i n gm i n e r a l s ，g a n g u e m i n e r a l sa n db i n d i n gp h a s ef o r m e db yt h e m i t sm i c r o s t r u c t u r e sw e r e o b s e r v e du n d e rm i c r o s c o p e ，m a i n l yi n c l u d i n gg r a n u l a rc r y s t a ls t r u c t u r e ， p o r p h y r i t i cc r y s t a ls t r u c t u r e ，m e l t i n gc r y s t a ls t r u c t u r e ，e u t e c t i cc r y s t a l s t r u c t u r ee t c m i n e r a lc o m p o s i t i o n so fs i n t e ra r ec o m p l i c a t e da n dv a r i o u s ， p r e s e n t i n gi n t e r - w r a p p i n ga n dc o m p l i c a t e ds h a p ef e a t u r e a n dm i n e r a l c o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r e o fs i n t e rv a r yb yr a wm a t e r i a l sa n d s i n t e r i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e r , c h a r a c t e r i s t i c so fs i n t e rm i n e r a l o g ym i c r o g r a p ha r e s u m m a r i z e db a s e do nm i c r o i m a g e so fs i n t e r s e l e c t i o np r i n c i p l eo f i m a g es e g m e n t a t i o na n dr e c o g n i t i o na l g o r i t h m s f o rs i n t e rm i n e r a l o g y m i c r o g r a p hp r o c e s s i n gi se x p l o r e d h e n c e ，r e g i o ng r o w i n ga l g o r i t h m ， f u z z yc - m e a n sa l g o r i t h ma n dw a t e r s h e da l g o r i t h ma r ec h o s e n r e g i o n g r o w i n ga l g o r i t h m h a sf a s t e r p r o c e s s i n gs p e e da n dh i g h e ra c c u r a c y , c o m p a r e d w i t ht h eo t h e ra l g o r i t h m s b yi m a g es e g m e n t a t i o n a n d r e c o g n i t i o n t h e r e f o r e ，i t i sm o r ea p p l i c a b l et or e c o g n i t i o no fs i n t e r m i n e r a l o g ym i c r o g r a p h i m a g er e c o g n i z es y s t e m f o ri r o no r es i n t e r m i n e r a l o g y w a s d e v e l o p e db yv c + + a n do p e n v c t h es y s t e mc o n s i s t so f f u n c t i o n ss u c h a si m a g er e a d i n g ，r e c o g n i t i o no fs i n t e rm i n e r a lc o m p o s i t i o nb yr e g i o n g r o w i n ga l g o r i t h m ，i m a g e f i l t e r i n g ，e x p e r ts u b s y s t e m ，a n d r e s u l t s e v a l u a t i o n ，e t c t h er e l a t i v ee r r o ro f s i n t e rc o m p o s i t i o nr e c o g n i z e db yt h e s y s t e mw a sl e s s t h a n5 ，c o m p a r i n gw i t ht h a tt e s t e du n d e ro p t i c a l m i c r o s c o p e c o n t e n to fm a i nm i n e r a l so fs i n t e rc a nb ea c q u a i n t e db yt h i s s y s t e mw h i c hh a sh i g hs p e e da n da c c u r a c y , m e e t i n gt h er e q u i r e m e n to f s i n t e rm i n e r a l o g yp r o c e s s i n gd u r i n ga c t u a lo p e r a t i o n a b s t r a c t s i n t e r , m i n e r a lc o m p o s i t i o n ，m i c r o s t r u c t u r e ， 1 1 1 硕士学位论文目录 目录 摘要i a b s t ra t i i 第一章文献综述1 1 1 钢铁工业发展概况1 1 1 1 世界钢铁工业发展情况1 1 1 2 我国钢铁工业发展情况3 1 2 烧结工业发展概况。5 1 2 1 世界烧结的发展5 1 2 2 我国烧结的发展6 1 3 高炉精料方针及其对烧结矿质量要求7 1 3 1 高炉精料方针7 1 3 2 高炉精料方针对烧结矿质量要求9 1 4 烧结矿矿物组成及微观结构对烧结矿质量的影响1 0 1 4 1 矿物组成及显微结构对烧结矿强度的影响1 0 1 4 2 烧结矿矿物组成及微观结构对烧结矿还原性的影响1 2 1 4 3 矿物组成及结构对烧结矿低温还原粉化的影响1 3 1 5 烧结矿显微图像的识别方法1 3 1 6 数字图像处理技术在钢铁冶金中应用现状1 4 1 6 1 数字图像处理技术在高炉炼铁中应用1 4 1 6 2 数字图像处理技术在烧结球团中应用。1 5 1 7 论文提出17 第二章烧结矿矿相显微图像特征1 9 2 1 烧结矿矿物组成及显微结构类型19 2 1 1 烧结矿矿物组成1 9 2 1 2 烧结矿显微结构特征。1 9 2 2 烧结矿矿物组成工艺矿物学性质2 0 2 3 烧结矿矿相显微图像特征2 5 2 4 本章小结：2 7 第三章烧结矿矿相显微图像识别算法2 9 3 1 图像分割识别2 9 3 1 1 图像分割识别步骤一2 9 硕士学位论文 目录 3 1 2 图像分割识别的特点2 9 3 2 烧结矿矿相显微图像识别算法3 0 3 2 1 烧结矿矿相显微图像的识别原则3 0 3 2 2 几种识别算法的对比3 0 3 2 3 烧结矿矿相显微图像识别算法的确定3 6 3 3 本章小结3 7 第四章系统开发及实现3 8 4 1 系统功能。3 8 4 2 图像读取3 9 4 2 1b m p 位图3 9 4 2 2 j p e g 格式图像4 l 4 2 3 应用v c h 实现图像的读取4 2 4 3 图像效果判断4 3 4 4 图像滤波4 6 4 5 图像分割识别的实现4 7 4 6 分割识别结果4 9 4 7 本章小结5 0 第五章结论与展望5 1 5 1 结：沧5l 5 2 展望51 参考文献。5 3 致 射5 7 攻读学位期间主要成果5 8 硕士学位论文 第章文献综述 1 1 钢铁工业发展概况 第一章文献综述 1 1 1 世界钢铁工业发展情况 钢铁工业是指生产生铁、钢、钢材、工业纯铁和铁合金的工业，其构成了现 代社会的基础，从清洁水、能源到各类精密的运输设施及基础设施，钢铁无处不 在，是带动国民经济发展的支柱产业之一。 2 0 世纪5 0 年代世界粗钢产量仅为2 亿吨，至目前为止世界粗钢产量增长近 6 倍，图1 1 描述了1 9 9 0 到2 0 0 9 年世界粗钢产量。世界钢铁工业得到了很大的 发展，尤其是2 0 世纪8 0 年代以来，世界钢铁工业进入全盛的发展时期。各国钢 铁工业在生产中开发并应用了一系列新技术、新工艺、新设备、新材料，使之形 成钢铁生产的最佳工艺流程，从而实现了高效低耗、高精度、连续化、智能化、 清洁化的生产i 。 图1 - 11 9 9 0 年- 2 0 0 9 年世界粗钢产量 f i g 1 1c r u d es t e e ly i e l do f t h ew o r d ( 1 9 9 0 - 2 0 0 9 ) 2 1 世纪是世界钢铁工业大发展的世纪，世界钢铁主要发展方面体现在以下 几点【1 卅： ( 1 ) 钢铁生产工艺流程逐步优化 传统的钢铁生产工艺流程是在一种“冷态”下间歇式生产的工艺流程。日本 在2 0 世纪6 0 年代建设的l o 多个大型钢铁厂就是采用这种工艺流程。2 0 世纪8 0 年代以后，世界钢铁业已逐步将传统钢铁生产工艺流程改造为现代化的“热态 硕士学位论文第一章文献综述 连续生产工艺流程。该工艺流程具有高效、连续、紧凑、智能等特点。2 0 世纪 8 0 年代末期，德国、法国、日本、意大利、美国等钢铁工业发达国家开发成功 接近最终钢铁产品形状的连铸、连轧技术，如带钢、h 型钢的连铸连轧技术等， 因该流程具有紧凑、生产周期短、物料消耗少、生产效率高等一系列优点，在近 十几年来得到了快速的发展 ( 2 ) 钢铁生产装备逐步更新换代 2 0 世纪8 0 年代以来，为适应钢铁生产工艺要求开发应用了一大批高效、低 耗、优质、智能化的工艺技术装备。例如顶底复合吹炼转炉、超高功率直流电弧 炉、l f 钢包精炼炉、d h 、r h 钢水真空处理炉，高效连铸连轧机、钢板型控制 自动控制设备等。由于上述新工艺设备的使用，世界轧钢技术提高到了新的更高 水平，实现轧钢生产过程的自动化、高效化和高精度化。目前在国外现代化钢铁 企业、冷轧板卷、镀锡板、镀锌板、涂层带钢、冷轧硅钢片、高强度无缝钢管、 高级造船板等高技术含量、高附加值钢材产量已占其世界钢材总量的6 0 以上， 热轧带钢厚度精度达+ 3 0 u r n ，冷轧钢带钢厚度精度达+ 5 u m ，现代化高线轧机线 材直径精度达士o 0 1 u r n 。 ( 3 ) 炼钢、炼铁工艺技术水平不断提高 炼铁生产方面，世界主要产钢国家积极开发应用了高炉长寿技术、煤氧喷吹 强化冶炼技术，直接还原铁和熔融还原铁生产技术等。目前国外现代化钢铁厂高 炉的平均寿命已达1 5 年左右，最高的已达2 0 年以上。另外国外现代化高炉普遍 采用了煤氧喷吹强化冶炼技术，一些高炉的喷煤比达到2 0 0 k g t f e 以上。 炼钢生产方面，世界钢铁工业发达国家开发并应用了炼钢用铁水的预处理、 转炉的自动化吹炼，电炉的高功率熔炉，多功能的钢水炉外精炼与真空处理、钢 水的高效连铸新技术等。提高了炼钢炼铁生产率。 ( 4 ) 钢铁企业联营重组与组织机构调整，钢铁企业间竞争加剧 2 0 世纪9 0 年代以来，随着科技进步和全球经济一体化步伐的日益加快、国 硕士学位论文 第一章文献综述 多种经营和高附加值钢材的生产方面比蒂森克虏伯差得多，2 0 0 0 年销售收入仅 为1 2 1 8 亿美元( 居世界大型钢铁企业第9 位，居世界5 0 0 强第4 2 2 位) ，仅相当于蒂 森克虏伯公司2 0 0 0 年销售收入的1 3 。 ( 5 ) 国外钢铁企业高度重视科技开发和技术创新 纵观国外钢铁企业的发展历程，可以看出，这些企业之所以能够不断开发和 创造出具有世界先进水平的科技成果、生产装备、钢材产品，一个最大的原因就 是高度重视科研开发和技术创新，都设有世界一流水平的研究与开发( r & d ) 机 构，并投入大量经费进行研究与开发工作。 世界钢铁工业发展迅速，各种需求不断拉动钢铁产量增长及质量改进，在未 来技术和原材料将是制约钢铁发展的主要因素，未来钢铁工业的竞争将是大型企 业联合起来应对高科技的生产工艺、高附加值的产品和控制原材料的领域的竞 争。 1 1 2 我国钢铁工业发展情况 我国钢铁工业在世界钢铁工业中占据重要地位，其发展势头良好，建国以来 我国钢产量增长很快，1 9 4 9 年我国粗钢产量仅有1 5 8 万吨，到2 0 0 8 年突破5 亿吨，在经济危机影响下，2 0 0 9 年达5 6 8 亿吨，仍保持增长势头。图1 2 描述 了1 9 9 0 年 - 2 0 0 9 年我国粗钢。图1 3 描述了1 9 9 0 - 2 0 0 9 我国粗钢铁产量占世界 粗钢产量百分比。我国钢铁工业在世界钢铁领域占据越来越重要地位，从而奠定 我国钢铁大国的基础，我国钢产量不仅满足了市场对钢材产品的需求，其钢铁总 量超过钢产量排名前十除我国之外的其他国家钢产量总和，其占世界钢铁总产量 比例越来越大，但是钢铁产量的辉煌掩盖不了我国钢铁业存在的内在危机。与发 达国家相比，我国钢铁工业呈现出“大而不强、多而寡优的产业格局，我国钢 产业集中度低；中国钢铁企业前五名的钢产量之和还不及全国钢产量的2 5 ，归 纳我国钢铁工业与世界钢铁强国相比，主要差距表现在【5 叫： ( 1 ) 科技领域，自主创新能力差，新技术、新产品的开发落后于欧盟、日本、 韩国、美国等，同时一些先进的工艺技术装备、一些高技术含量钢材仍需进口， 更谈不上有自主知识产权的先进技术及高档产品输出了。 ( 2 ) 生产经营方面，企业数量众多，但是产业集中度低，同时生产过程中高 资源、高能源、高能耗、高污染，人均劳动生产率低，环境保护差，规模经济程 度低。 ( 3 ) 钢铁行业内企业发展也不平衡，既有国际一流的先进生产工艺技术水平， 又存在着占全国总产能3 0 的属于淘汰范围的生产落后的生产装备：钢铁业的布 局、原燃料资源、物流运输等外部环境都存在这许多不利于钢铁业发展的因素， 同时我国钢产品结构不合理，产品档次低，优质产品仍需进口。我国钢铁工业的 硕士学位论文 第一章文献综述 奋斗目标是，由世界钢铁大国发展成为世界钢铁强国。 图l - 21 9 9 0 - - - 2 0 0 9 年中国粗钢产量 f i g 1 - 2c r u d e s t e e ly i e l do fc h i n af r o m19 9 0t o2 0 0 9 图1 - 31 9 9 0 - - - 2 0 0 9 我国粗钢总产量占世界粗钢总产量百分比 f i g 1 3c h i n a t sc r u d e s t e e lo u t p mo ft h et o t a lg l o b a ls h a r e ( 19 9 0 - - - 2 0 0 9 ) 经济活动全球化的发展，使我国钢铁工业面临着与发达国家工业化时期所不 同的发展环境，经受着提高企业的市场竞争力和适应可持续发展的双重挑战。依 照目前全球经济走势，中国市场对钢铁产品需求将持续增长，这对包括中国钢铁 工业在内的全球钢铁业是一个较大的发展空间，同时也是对原料供应和冶金物流 业等支撑条件带来严峻考验。未来应加强我国钢铁工业发展的支撑条件研究，如 铁矿资源、煤炭资源、水资源的保证程度以及环境保护因素对我国钢铁工业发展 4 硕士学位论文 第一章文献综述 的影响；制定长期稳定的钢铁资源供应战略，建立强大的冶金物流体系；同时， 应借国际企业重组之机，合理调配产能、优化产品结构，重点发展质量、高附加 值的产品，提高产品的国际竞争力。 1 2 烧结工业发展概况 1 2 1 世界烧结的发展 烧结法是迄今为止除北美外用途最广的铁矿石造块方法【7 引，其是将粉状物 料( 如粉矿和精矿) 进行高温加热，在不完全熔化的条件下烧结成矿的方法。所得 产品为烧结矿( 块) ，外形为不规则多孔状。其所得产品可作为高炉冶炼的原料。 烧结生产在钢铁工业中占有重要地位，其进步与发展为钢铁工业提供强有力支 撑。 1 8 9 7 年英国人亨廷顿( t h u m i n 垂o n ) 等人【2 0 】申请了硫化铅焙烧专利，之后应 用于生产，该专利主要采用烧结锅设备完成鼓风间断烧结作业，其后烧结设备及 工艺发生了巨大变化。19 0 5 年e j s a v e l s b e r g 首次将烧结锅用于铁矿粉烧结，打 开了烧结技术在钢铁工业中应用的局面。1 9 0 9 年，s p e n b a c h 申请用连续环式烧 结机烧结铅锌矿石。尤其是1 9 11 年，a s d w i g h t 和r l l l o y d 首次发明抽风连 续带式烧结机用于铁矿粉的烧结，即d l 型烧结机，在冶金工业发展史中具有 里程碑的作用，该设备一出现很快就取代了压团机和烧结锅、烧结盘等设备，并 在当今普遍使用。目前世界上正在运行的带式烧结机共约有1 0 0 0 多台，世界烧 结矿的总产量在上世纪9 0 年代就达到每年平均约5 3 亿吨以上的产量 9 - 1 0 j 。 2 0 世纪8 0 年代起烧结技术得到了快速发展，主要体现在烧结工艺和新技术 的研究开发和应用。烧结工艺方面有自动化配料、混合机强化制粒、偏析布料、 冷却筛分、整粒技术及铺底料技术等；新技术主要表现为球团烧结技术、小烧结 技术、低硅烧结技术【l 州1 】等。但是就烧结矿基础理论方面，由于烧结过程伴随着 复杂的物理化学变化，以致以往对烧结过程基础理论的研究主要停留在定性水 平。几年来随着计算机应用技术的普及，烧结工作者针对烧结矿生产工艺过程进 行调优，从而实现烧结生产过程的最优控制，以达到烧结矿的优质高产及烧结矿 工艺的高效低耗已引起广泛关注。针对烧结矿过程基础理论的定量研究及烧结过 程数学模型的开发应用得到迅速发展。日本、西欧、北美、澳大利亚等国均就此 投入了相当的研究力量f 1 2 。14 1 ，并取得了显著成就，不少研究成果已在生产中初步 得到应用并取得了显著的经济效益。并且随着钢铁工业的发展为了达到烧结矿产 质量要求，其设备面积也在不断增大，如日本等国已将单机最大烧结面积从7 0 年代开始，已从4 0 0 、5 0 0 m 2 扩大到6 0 0 m 2 ，台车宽从4 m 增加到5 m 。上述工艺 和技术目前已经在大部分钢铁企业推过应用并取得了显著经济效益。 硕士学位论文第一章文献综述 1 2 2 我国烧结的发展 我国建国以来烧结工艺及技术得到了快速的发展，烧结矿一般占高炉炉料的 7 0 - - , 9 0 ，我国是世界上的烧结矿生产大国【1 5 】，其发展及进步主要体现在如下方 面f 1 5 - 1 7 1 ： ( 1 ) 烧结工艺及技术的进步 烧结工作者一方面不断探明和掌握烧结生产规律，进而改进烧结工艺条件及 参数，提高烧结生产效率及烧结矿产质量：另一方面努力寻找新的烧结工艺，为 烧结矿产质量指标进一步改善提供理论基础。例如高碱度烧结技术、球团烧结技 术、小烧结技术、低温烧结技术、低硅烧结技术等。 另外，加强了烧结厂环境治理及能源综合利用，从环保及节约能源的角度不 断改善烧结厂的环境。 ( 2 ) 设备大型化及自动化 烧结工艺过程设备的大型化及自动化水平与烧结矿产、质量息息相关。建国 初期，我国最大的烧结机为7 5 i n 2 ，发展至9 0 年代宝钢、武钢烧结机为4 5 0 m z ， 并开始淘汰9 0 m 2 以下的烧结机，到2 0 0 3 年底，我国已建成和投产1 4 台2 6 5 - - 4 5 0 m 2 的大型烧结机和4 9 台9 0 - 1 8 0 m 2 的中型烧结机，大中型烧结机的总面积 达到11 0 6 8 m 2 ，烧结机总面积的5 4 。同时，一些钢铁企业都逐步在提高烧结机 的单机面积以适应烧结技术的发展。截止2 0 0 9 年上半年，烧结机领域内最大面 积记录是由日本和法国保持的6 0 0 m 2 ，而目前在我国市场最大面积是各大型钢铁 厂所普遍使用的机型面积是4 5 0 m 2 ，而2 0 0 9 年下半年太钢投产的6 6 0 m 2 烧结机， 在该领域内刷新了世界记录。我国自1 9 8 9 年以后投产的大中型烧结机的工艺技 术装备和自动化水平得到提高，实现了较为完善的过程检测和控制项目，并采用 计算机控制系统对生产过程自动进行操作、监视、控制及生产管理。烧结设备的 大型化及自动化，增加烧结矿产量，降低设备投资，提高生产效率，设备维修和 管理费用相对降低，是国内外从经济方面考虑追求的目标，是烧结生产“降本增 效 的有效途径。 ( 3 ) 烧结生产指标及产品质量提高。 近年来，我国烧结矿产、质量显著提高，目前多数烧结厂烧结矿品位达到 5 5 以上，有的还达到5 8 ，s i 0 2 含量降低到5 ，甚至更低，烧结矿f e o 含量 8 1 0 之间，转鼓指数和还原性明显提高。 综上所述世界烧结工艺发展速度迅速，我国烧结生产近年来发展也取得较大 成就，但是随着国际间及企业间的竞争日益激烈，对烧结矿的产、质量，尤其是 质量要求越来越高。与国外发达国家相比，我国烧结生产自动化水平相对较低， 对能源综合利用程度低。所以我国烧结厂在自动化水平、环境治理和余热回收方 6 硕士学位论文 第一章文献综述 面的发展，越来越受到重视。 1 3 高炉精料方针及其对烧结矿质量要求 1 3 1 高炉精料方针 高炉精料是高炉优质、低耗、高产的物质基础。国内外强化高炉冶炼，都把 高炉精料放在首位。为满足高炉内各区域对原料、燃料性能的要求，必须在入炉 前对天然物料进行加工，以改善其质量并充分发挥其效用，从而达到较好的经济 技术指标【1 8 9 1 ，高炉精料的具体内容可用“高、稳、熟、小、匀、净、少、低、 好九字来概括。 “高”是指铁矿石的含铁品位要高，烧结矿和球团矿机械强度高( 冷态、热 态) ，还原性高，焦炭中固定碳高，烧结矿碱度要高。即： ( 1 ) 铁矿石品位高：高炉入炉铁矿石品位高是精料方针的核心，也是高炉精 料方针的主要工作方向。高品位铁矿石，使熔剂用量和渣量减少、矿石消耗降低， 不仅减少高炉冶炼的单位热耗，同时改善炉料透气性提高冶炼强度，降低焦比。 铁矿石品位提高1 ，焦比降低2 ，产量增加约2 - - 3 ，渣量减少3 0 k g t 。目前， 国际较高入炉含铁品位高达6 2 ，相应渣量仅有1 5 0 k g t 。我国目前高炉入炉含 铁铁品位比国际水平低5 左右，烧结矿平均水平低4 - - 5 ，球团矿3 4 。对 焦炭要求固定碳高，灰分1 0 以下。 ( 2 ) 入炉原料强度高：各种原料的强度要高，即在炉外能经受运转、冲击； 而且在炉内高温还原状态下，也能经受起膨胀、挤压、摩擦。烧结矿转鼓强度一 般要求大于8 0 ，抗磨指数小于5 。国外先进国家球团矿转鼓指数一般大于 9 3 ，抗压强度3 0 0 0 n 球以上。我国为球团矿转鼓指数大于7 8 ，抗磨指数小 于5 ，抗压强度大于2 0 0 0 n 球。 ( 3 ) 高碱度烧结矿：高碱度烧结矿转鼓强度高、s i 0 2 含量低，冶金性能好。 一般认为，使用8 0 - 8 5 的烧结矿，配加1 5 2 0 的球团矿是合理的炉料结 构。 ( 4 ) 冶金性能好：烧结矿的冶金性能主要包括还原性、还原粉化率、荷重软 化温度、熔滴性等。据生产实践统计，铁矿石的还原性每改善1 0 ，焦比可降低 8 9 。 “稳”是指入炉原料的化学成分稳定，物理性能波动小。这是稳定炉况，稳 定操作，保证顺行，实现自动控制的先决条件。保证炉料化学成分和物理性能的 稳定，关键在于入炉原料的混匀工作。入炉原料成分及碱度允许波动范围见表 1 1 。由表1 1 可知，我国对入炉原料成分波动范围要求较宽。 7 硕士学位论文第一章文献综述 表1 1 入炉原料成分及碱度允许波动范围 t a b l e l 一1f l u c t u a t i o nr a n g eo f b l a s tf u r n a c er a wm a t e r i a lc o m p o s i t i o na n db a s i c i t y 中国 日本 俄罗斯 法国 德国 1 o o 2 o 2 0 2 0 1 1 0 0 3 o 3 0 1 0 0 3 0 0 3 o 0 2 8 0 为还原性好的铁矿石，r i 6 0 为还原性不好的铁矿石。矿石还原性每改善1 0 ，焦比可降低8 9 。 ( 2 ) 软化性是指矿石在荷重还原条件下，开始收缩率为3 4 时的温度。为有 利于煤气流顺利通过高炉内的软熔带，要求铁矿石软化温度要高一些，软熔温度 区间窄。 ( 3 ) 熔滴性是指矿石在高炉内开始熔化时所对应的温度。为使高炉生产顺行， 要求铁矿石熔滴温度高、区间窄，最大煤气压差低一些。 “低”指烧结矿中f e o 含量要低。低f e o 含量的烧结矿还原性能好，为降 低焦比创造好条件。烧结矿中f o o 含量降低1 ，焦比降低1 5 ，产量相应增 8 硕士学位论文 第一章文献综述 加1 5 。 “小、匀、净”是针对原料粒度而言。为了改善矿石的还原性和炉料的透气 性，入炉要有适当、均匀的粒度，大块要破碎，粉末要筛净，要求平均粒度小， 粒度均匀，缩小上下限之间的粒度差。“小 指入炉原料燃料粒度要小且均匀， 上下限所规定的范围要窄。最佳强度的粒度，烧结矿为2 5 一- 4 0 m m ，焦炭为2 0 - - 4 0 m m 。铁矿石粒度由1 0 - - 一4 0 m m 降低为8 - - 3 0 m m ，高炉产量可增加9 6 ，焦 比降低3 1 。我国对高炉入炉原料控制范围见表1 3 。“匀是指粒度均匀，对 烧结矿入炉粒度要求一般是6 - - 5 0 m m ，烧结矿“整粒 是从烧结机机尾开始， 经过破碎、筛分等过程，最终筛分出小于5 m m 烧结矿。日本钢管公司高炉使用 6 6 的烧结矿与基准期使用7 3 未过筛的烧结矿相比，生铁产量由2 7 81f f d 上升 至3 3 7 7 f f d ，焦比由4 7 8 k t 降低至4 6 6 k g t 。“净 是指烧结矿、球团矿中小于 5 m m 的粉矿要筛除，其产品称为“净矿”。精矿烧结矿能很好改善高炉透气性， 为提高冶炼强度和增加喷煤量提供了充分条件。高炉入炉原料要求小于5 m m 的 粉矿要少于3 ，5 1 0 m m 粒度要少于3 0 。 表1 - 3 高炉入炉原料粒度控制范围 t a b l el 一3p a n i c l es i z er a n g eo fb l o t 如m a c er a wm a t e f i a l 综上所述，精料对矿石来说关键是要使用高品位，低渣量( 3 0 0 k g t f e ) ；高还 原性，低f e o ( 5 ) ；高强度，低粉末；成分稳定，粒度均匀的熔剂性人造富矿。 1 3 2 高炉精料方针对烧结矿质量要求 烧结矿是高炉炼铁生产的主要原料之一，其占高炉入炉炉料的7 0 - 9 0 ，其 质量的好坏，与冶炼进程及技术经济指标有着密切的关系。烧结矿作为高炉炼铁 原料必须满足一定的质量要求，烧结矿成品质量技术要求是根据高炉冶炼的具体 使用要求而定的。近年来随着高炉精料技术的发展，高炉对烧结矿质量的要求越 来越高，并且目前烧结矿质量改善是炉前“精料”的主要内容。评价烧结矿质量 9 硕士学位论文第一章文献综述 的主要指标有 2 0 , 6 9 1 ：化学成分及其稳定性、粒度组成及筛分、转鼓强度、落下强 度、低温还原粉化性、还原性、软熔性等。高炉对高碱度烧结矿的质量( g b 5 0 4 0 8 2 0 0 7 ) 要求见l - 4 。 1 - 4 高炉对高碱度烧结矿的质量要求( g b 5 0 4 0 8 2 0 0 7 ) t a b l e1 4q u a l i t yr e q u i r e m e n t so fb l a s tf u r n a c eo nh i g hb a s i c i t ys i n t e r ( g b 5 0 4 0 8 2 0 0 7 ) 高炉炼铁的生产实践表明，炉料质量最佳化是炉料结构合理化的基础，烧结 矿质量的微小改善即可使高炉冶炼成本明显下降。因此烧结矿不仅需要满足高炉 冶炼提出的诸如冷态机械强度、还原性等性能指标，并且必须有稳定的化学成分 及合理的粒度组成。为高炉炼铁高质优产打下坚实基础，目前国内外高炉炉料结 构主要为高碱度烧结矿配加酸性炉料( 氧化球团、普通烧结矿或天然矿等) ，高碱 度烧结矿良好的冷态机械性能及其高温性能，是其目前作为优质高炉炼铁原料的 必要条件。 1 4 烧结矿矿物组成及微观结构对烧结矿质量的影响 烧结矿的质量表现在其机械强度( 转鼓强度、落下强度及抗压强度) 及冶金性 能( 还原性、软熔性、低温还原粉化) ，它们与粘结相的发展程度、结晶条件、粘 结相矿物的强度及还原性等有关【2 眦1 1 。由于烧结矿液相冷却析晶时，浓度及温度 的不均匀以及矿物本身特点不同，各种集合体可以树枝状、针状、柱状、片状、 板状等形式凝固组成，而这些不同形式的集合体的强度和还原性又有很大差别， 因此烧结矿冷凝时形成的矿物组成及其结构是影响烧结矿质量的重要因素。 1 4 1 矿物组成及显微结构对烧结矿强度的影响 国内外工作者针对烧结矿中的各种矿物的机械强度做了大量研究工作1 2 1 。2 引， 烧结矿各种不同的矿物组成都有其自身具有的强度，表1 5 是烧结矿中主要矿物 l o 硕士学位论文 第一章文献综述 磁铁矿f e 3 0 4 赤铁矿f e 2 0 3 钙铁橄榄石【( c a o ) 。( f e o ) 2 x s i 0 2 x = o x = o 2 5 x = o 5 x = 1 0 x = 1 o ( 玻璃相) x = 1 5 ( c a o ) y f e 2 0 3 铁酸一钙y = l 铁酸二钙y = 2 3 6 9 2 6 7 2 0 2 6 5 5 6 6 2 3 3 4 6 1 0 2 3 7 6 1 4 2 2 6 7 无 含1 0 - - 2 8 f e 2 0 3 发 4 9 9 生异常粉化 无 无 无 由上表可知：磁铁矿、赤铁矿、铁酸一钙、铁橄榄石有较高的强度，其次则 为钙铁橄榄石、铁酸二钙，最后为玻璃相。因此在烧结矿的矿物中应尽量减少玻 璃质的形成，以提高烧结矿的强度。研究表旺j 7 2 , 7 3 】，在钙铁橄榄石 ( c a o ) x - ( f e o ) 2 嘱s i 0 2 1 中，当x 1 0 时，其抗压性、耐磨性及脆性的指标与前一类接近或超过， 当x = 1 5 时，即为 ( c a o ) 1 5 - ( f e o ) o 5 s i 0 2 ，其强度低且易产生裂纹，它的晶格常 数接近于硅酸二钙( 2 c a o s i 0 2 ) ，会在冷却过程中发生晶型转变，体积膨胀产生 内应力使强度降低。据有关资料研究铁酸钙的抗压强度为3 6 3n c m 2 ，玻璃相仅 为4 5n c m 2 ，特别是分布在钙铁橄榄石及铁橄榄石结晶体中间的整体及单一玻 璃质影响强度最严重。因此在烧结矿的结构中应尽量减少玻璃相的形成，以利于 提高烧结矿的强度。 烧结矿的矿物组成及结构对其强度有重要影响。非熔剂性烧结矿在矿物组成 方面是属低组分的，其显微结构为斑状或共晶结构，其中磁铁矿斑晶被钙铁橄榄 石和少量玻璃相所固结，因而强度好。熔剂性烧结矿在矿物组成上是属多组分的 烧结矿，其显微结呈斑状结构，其中的磁铁矿斑晶被钙铁橄榄石、玻璃相以及少 量的硅酸二钙和铁酸钙等所固结，强度较差。高碱度烧结矿在矿物组成上也属低 组分烧结矿，其显微结构为熔蚀或共晶结构，其中磁铁矿与铁酸钙一起固结，具 o 7 6 2 j 5 引 z 丘 互 乱 勰 硕士学位论文第一章文献综述 有良好的强度。 另外在冷却过程中烧结矿冷凝结晶过程中，产生不同内应力： ( 1 ) 烧结矿表面与中心存在温差而产生的热应力。该应力的产生取决于冷却 条件，可采用缓冷或热处理的方法来消除。 ( 2 ) 各种矿物具有不同热膨胀系数而引起的相间应力。因此减少烧结矿中的 矿物组分，有利于提高烧结矿强度。 ( 3 ) 熔剂性烧结矿中硅酸二钙在冷却过程中的多晶转变所引起的相变应力。 通常在熔剂性烧结矿中主要出现p - c 2 8 和r - c s 。当p c 2 s 在冷却转变为r - c 2 s 时， 由于相变，体积膨胀1 0 ，因而产生极大应力，导致烧结矿自动粉碎。 总之烧结矿的内应力越大，其所能承受的机械作用力就越小，内应力的产生 使烧结矿质量变差，因此在生产中应尽量避免产生内应力。 1 4 2 烧结矿矿物组成及微观结构对烧结矿还原性的影响 烧结矿的还原性是其重要的冶金性能之一。烧结矿的还原性是其重要的冶金 性能之一，其对高炉冶炼，尤其是加强稳定和降低焦比有很大影响，许多冶金工 作者进行了大量的研究工作，发现还原性和烧结矿的矿物组成、矿物结构及物理 性能( 包括粒度、气孔率、气孔大小等) 有很大关系【2 1 3 1 1 。 烧结矿不同的含铁矿物的还原性见表1 5 。由表1 5 可见，赤铁矿、二铁酸 钙、铁酸一钙及磁铁矿等容易还原，铁酸二钙还原性稍低，而玻璃质、钙铁橄榄 石，特别是铁橄榄石是难还原矿物。从结晶化学角度来看，矿物的还原性差异主 要与其本身的晶格能有关，部分单矿物晶体的晶格能见表1 - 6 。 表1 - 6 单矿物晶体的晶格能 t a b l e1 6l a t t i c ee n e r g yo fs i n g l em i n e r a l 矿物名称 晶格能( 1 ( j ) 赤铁矿