钢铁冶炼工艺教材

钢铁冶炼工艺

内容简介

本书共分13章，系统地介绍了冶炼概述、高炉原燃料、高炉冶炼原理、高炉冶炼工艺、高炉炉况

判定及炉况非常的处理、高炉技术的发展、炼钢原材料、炼钢基本原理、铁水预处理、转炉炼钢工艺、

转炉炉衬材料及保护、电炉冶炼工艺、炼钢技术的发展等内容，较全面地反映了目前国内外钢铁冶炼新

技术、新工艺及发展趋势等。书中每章均附有复习摸索题，十分适合教学使用。

本书为高等职业院校冶金专业学生的教学用书，也可作为冶金企业进行职工培训的教材和供冶金

工程技术人员参考。

■12,—»—

刖B

本书是根据职业技术院校冶金技术专业''钢铁冶炼工艺”课程教学基本要求编写的教学用书，是在

充分了解我国钢铁工业生产现状、分析了炼铁炼钢岗位能力要求的基础上，精选内容编写而成。全书以

炼铁、炼钢的生产工艺为主线，也兼顾基本原理，突出生产现场实际应用性。书中系统地介绍了高炉原

燃料、高炉冶炼原理、高炉冶炼工艺、高炉炉况判定及炉况非常的处理、高炉技术的发展、炼钢原材料、

炼钢基本原理、铁水预处理、转炉炼钢工艺、转炉炉衬材料及保护、电炉冶炼工艺、炼钢技术的发展等

内容，较全面地反映了目前国内外钢铁冶炼新技术、新工艺及发展趋势等。本书也可作为冶金企业进行

职工培训的教材和供冶金工程技术人员参考。

本书由武汉工程职业技术学院陈胜清、周秋松主编，王展宏主审。

由于时间仓促，加之编者水平所限，书中不足之处，敬请读者批评指正。

作者

2

006年12月

目录

第一章概述.........................................................3

第二章炼铁原材料...................................................10

第三章高炉冶炼原理.................................................25

第四章高炉冶炼工艺.................................................38

第五章高炉炉况判定及炉况非常的处理................................92

第六章高炉技术的发展............................................109

第七章炼钢的原材料...............................................118

第八章炼钢基本原理...............................................134

第九章铁水预处理.................................................147

第十章转炉炼钢工艺...............................................158

第十一章转炉炉衬材料及保护......................................191

第十二章电炉冶炼工艺............................................202

第十三章炼钢技术的发展..........................................246

一、炼钢工艺方面...................................................246

3.多段炼钢少渣吹炼................................................247

6.连续炼钢.......................................................248

二、电炉炼钢方面...................................................249

3.超高功率电弧炉.................................................250

4.电弧炉偏心炉底出钢.............................................251

第一章概述

【本章学习要点】本章学习炼铁、炼钢工业的发展简史，炼铁产品及炼铁技术经济指标，铁

和钢的区别，炼钢的基本任务和炼钢技术经济指标。

一、钢铁工业发展简史

1、我国炼铁工业的发展简史

我国是世界上用铁最早的国家之一。

我国古代冶炼技术有过辉煌的历史。早在2500年前的春秋、战国时期，就已生产和使

用铁器，逐步由青铜时代过渡到铁器时代。公元前513年，赵国铸的“刑鼎”就是我国把握冶

炼液态铁和铸造技术的见证。而欧洲各国推迟到14世纪才炼出液态生铁。

冶炼技术在我国的发展，表现了我国古代劳动人民的伟大创造力，有力地促进了我国封

建社会的经济繁荣。欧洲的冶炼技术也是从中国输入的。但是，到了18世纪，特别是腐朽的清

王朝，炼铁业和其他行业一样发展非常缓慢。与此同时，欧洲爆发了工业革命。19世纪英国和

俄国第一把高炉鼓风动力改为蒸汽机，使炼铁炉的规模不断扩大。不久英国又用高炉煤气把鼓

风预热，逐步产生了现代高炉的雏形。当高炉生产向着大型化、机械化、电气化方向发展，冶

炼技术不断完善的时候，中国却正处在落后的封建统治时代，发展迟缓，一直到19世纪末，不

得不转而从欧洲输入近代炼铁技术。

1891年，清末洋务派首领张之洞首次在汉阳建造了两座日产100t生铁的高炉，迈出了

我国近代炼铁的第一步。之后，先后在鞍山、本溪、石景山、太原、马鞍山、唐山等地修建了高炉。

1943年是我国解放前钢铁产量最高的一年（包括东三省在内），生铁产量180万t,钢产量90万

t,居世界第十六位。后来由于战争的破坏，到了1949年，生铁年产量仅为25万t,钢年产量

15.8万t。

新中国成立后，我国于1953年生铁产量就达到了190万t,当时超过了历史最高水

平。1957年生铁产量达到了597万t,高炉利用系数达到了1.321,我国在这一指标上跨入

世界先进行列（美国当时高炉利用系数为1.0）。1958年生铁产量为1364万t,1978年突

破了3000万t,1988年达到了6000万t,1993年生铁产量为8000万t,跃居世界第二位，

1995年生铁产量为1亿t,居世界第一位。1998年生铁产量为1.2亿t,2005年生铁产量约

3亿t。

2、现代炼钢方法及其发展趋势

从1855年英国冶金学家亨利•贝塞麦发明酸性空气底吹转炉炼钢方法至今，现代炼钢生

产在不断探索中发展了一个半世纪。现代炼钢方法主要有氧气转炉炼钢法、电炉炼钢法。

平炉炼钢法由于用重油、成本高、冶炼周期长、热效率低等致命弱点，己基本上被剔除。

氧气转炉炼钢法以氧气顶吹转炉炼钢法为主，同时还有底吹氧气转炉炼钢法、顶底复合吹炼

氧气转炉炼钢法。1996年我国钢产量已达到一亿多吨，其中氧气转炉炼钢法所炼钢约占70%。

2005年我国粗钢产量己达到3.49亿吨，其中氧气转炉炼钢法所炼钢约占75%。

电炉炼钢法以交流电弧炉炼钢为主，同时也有少部分直流电弧炉炼钢、感应炉炼钢及电渣重

熔等。

纵观国内外炼钢方法的发展，以上三种主要炼钢方法的总发展趋势是:转炉炼钢法大力发

展，成为最主要的炼钢方法；电炉炼钢法稳步发展、长兴不衰；平炉炼钢法则被剔除。

目前炼钢的生产流程主要有以下两种：

铁水一铁水预处理一氧气转炉一初炼钢水一炉外精炼一连铸机一连铸坯

废钢f电弧炉f初炼钢水一炉外精炼一连铸机一连铸坯

二、高炉冶炼产品

3

高炉冶炼过程是一系列复杂的物理化学过程的总和。有炉料的挥发与分解，铁氧化物和其

他物质的还原，生铁与炉渣的形成，燃料燃烧，热交换和炉料与煤气运动等。这些过程不是单独

进行的，而是在相互制约下数个过程同时进行的。基本过程是燃料在炉缸风口前燃烧形成高温

还原煤气,煤气不停地向上运动，与不断下降的炉料相互作用，其温度、数量和化学成分逐步发生

变化,最后从炉顶逸出炉外。炉料在不断下降过程中，由于受到高温还原煤气的加热和化学作用，

其物理形状和化学成分逐步发生变化，最后在炉缸里形成液态渣铁，从渣铁口排出炉外。

高炉冶炼的主要产品是生铁，副产品是炉渣、煤气和一定量的炉尘(瓦斯灰)。

1.生铁

生铁组成以铁为主，此外含碳质量分数为2.5%〜4.5%,并有少量的硅、镒、磷、硫等元

素。生铁质硬而脆，缺乏韧性,不能延压成型，机械加工性能及焊接性能不好，但含硅高的生铁(灰

口铁)的铸造及切削性能良好。

生铁按用途又可分为普通生铁和合金生铁，前者包括炼钢生铁和铸造生铁，后者主要是铺铁

和硅铁。合金生铁作为炼钢的辅助材料，如脱氧剂、合金元素添加剂。普通生铁占高炉冶炼产品

的98%以上，而炼钢生铁又占我国目前普通生铁的80%以上，随着工业化水平的提高，这个比

例还将连续提高。

我国现行生铁标准如下表所示。

表1T炼钢生铁国家标准(GB717—82)

铁片炼炳用生技

W号炼04炼0«燎10

代号LO4L08L10

eC0.45>0.45-0.85>0.85-1.25

特奥<0.02

-奥0.02-0.03

破

二类O.O3-O.O5

三类0.05-0.07

化学成分一的<0.03

二3>0.03^0.05

H«>0.05

级<0.15

9二级>0.15-0.25

三级>0.25-0.4

表1-2铸造生铁国家标准(GB718—82)

4

扶H铸贵用生铁

牌号传34W30的26的22W18钝14

铁号

代号Z54Z30Z26Z22Z18Z14

研>3.3

.吁

硅11>3.20-3.60>2.80-3.20>22.80>2.00〜2.40>1.60-2.001.25-1.60

1海C0.03<0.04

I

*I*<0.04<0.05

化m8<0.05<0.06

学一<0.50

成二m>0.50-^0-90

三班>0.90*1.20

分

-缓<0.06

二级>0.06-0.10

研三级>0.10-0.20

因爆>0.20-0.40

K圾>0.40-0.90

2.炉渣

炉渣是高炉冶炼的副产品。矿石中的脉石和熔剂、燃料灰分等熔化后组成炉渣，其主要成

分为CaO、MgO、SiOz、AhO：,及少量的MnO、FeO、S等。炉渣有许多用途，常用做水泥原料及隔

热、建材、铺路等材料。每吨生铁的炉渣量由过去的700-1000kg,降低至150-300kg。

3.煤气

高炉煤气的化学成分为CO、CO,、也、附及少量的CH,。由于煤气中含有可燃成分CO、山和

3

CHb经除尘脱水后作为燃料，其发热值约(800-900)X4.18168kJ/m随着高炉能量利用的改善

而降低，每吨铁可产煤气2000〜30001?。

高炉煤气是无色、无味的气体，有毒易爆炸。应加强煤气的使用治理。

4.炉尘

炉尘是随高炉煤气逸出的细粒炉料，经除尘处理与煤气分离。炉尘含铁、碳、CaO等有

用物质，可作为烧结的原料，每吨铁产炉尘为10〜100kg,炉尘随着原料条件的改善而减少。

三、高炉生产主要技术经济指标

高炉生产的技术水平和经济成效可以用技术经济指标来衡量。其主要技术经济指标有以下

各项。

1.高炉有效容积利用系数

P

77V=----

%

式中JJy——每立方米高炉有效容积在一昼夜内生产铁的吨数；

P——高炉一昼夜生产的合格生铁；

匕一一高炉有效容积，指炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉五段之和。

高炉有效容积利用系数是衡量高炉生产强化程度的指标。越高，高炉生产率越

高，每天所产生铁越多。目前我国高炉有效容积利用系数为(1.8〜2.5)t/(n?・d),高的可达3.0t

/(m3,d)以上。

2.焦比(K)和燃料比(Kr)

5

及=2

p

式中K——生产一吨生铁消耗的焦炭量；

Q一一高炉一昼夜消耗的干焦量。

式中Kf——冶炼一吨生铁消耗的焦炭和喷吹燃料的数量之和;

0——高炉一昼夜消耗的干焦量和喷吹燃料之和。

如果只运算某种喷吹燃料的消耗，则分别表示煤比（M一一每吨生铁消耗的煤粉量）、

油Ip（v---每口由生消枉的重油曷、笺

焦比和燃料比是衡量高炉物或消耗，特别是能耗的重要指标，它对生铁成本的影响最

大，因此降低焦比和燃料比始终是高炉操作者努力的方向。目前我国喷吹高炉的焦比一样低

于450kg/t,燃料比小于550kg/t。先进高炉焦比已小于400kg/t,燃料比约450kg/t。

将燃料也折合成焦炭运算出的总焦炭量为综合焦比。

3：冶炼强度（I）

%

式中I一每昼夜每立方米高炉有效容积燃烧的焦炭量。

当高炉喷吹燃料时，每昼夜每立方米高炉有效容积消耗的燃料总量，称为综合冶炼强度

（G）,即:

运算冶炼强度要扣除休风时间。冶炼强度是表示高炉生产强化程度的指标，它取决于

高炉所能接受的风量，鼓入高炉的风量越多，冶炼强度越高。

利用系数、焦比和冶炼强度之间的关系（当休风时间为零、不喷吹燃料时）为：

叮丫=一

K

冶炼强度和焦比均影响利用系数，当采用某一技术措施后，若冶炼强度增加而焦比又

降低时，可使利用系数得到最大程度的提高。

4.生铁合格率

化学成分符合国家标准的生铁为合格生铁。合格生铁占高炉总产量的百分数为生铁合

格率，即:

生铁合格率雷器,x100%

生铁合格率是评判高炉产品质量好坏的重要指标，我国一些企业高炉生铁合格率

已达100%。

5.休风率

休风率是指休风时间占规定作业时间（日历时间扣除计划检修时间）的百分数，即：

休风时间

体风率=X100%

日历时间-计划检修时间

6

休风率反映设备治理保护和高炉的操作水平。降低休风率是高炉增产节焦的重

要途径，我国先进高炉休风率已降到1%以下。

6.生铁成本

生铁成本是指冶炼一吨生铁所需的费用，包括原料、燃料、动力、工资、车间经费等。

成本受价格因素的影响较大，一样原燃料成本费占80%左右；其余20%左右为冶炼成本费,

其中动力、工资、折旧、运输费约占18%,车间经费约占2%,副产品回收费应从成本中扣除,

目前大型高炉此项回收费占成本的8%〜9%。降低消耗，特别是降低焦炭消耗是降低成本

的重要内容。

7.炉龄

高炉从开炉到停炉大修之间的时间，为一代高炉的炉龄。延长炉龄是高炉工作者

的重要课题，大高炉炉龄要求达到10年以上，国外大型高炉炉龄最长己达20年。

四、钢和生铁的主要区别

钢和生铁都是铁基合金，都含有碳、硅、镒、硫、磷5种元素。其主要区别见表1―3。

表1—3钢和生铁的主要区别

目生铁

破（艰及分散）一般为0.04%—1・7%>2%•般为2.5%~4.3、

硅0.砌*含,较少较多

熔点1450~1530cllOO'-ilSOV

机械性能修度、，性、的性好硬而就,耐磨住好

可徽性好4

俾接性好

然处那性微好

铸造性好更B

钢和生铁最根本的区别是含碳量不同，生铁中3（C）>2%,钢中3（C）<2%。含碳量的

变化引起铁碳合金质的变化。钢的综合性能，特别是机械性能（抗拉强度、韧性、塑性）比生铁

好得多，从而用途也比生铁广泛得多。因此，除约占生铁总量10%的铸造生铁用于生产铁铸件

外，约占生铁总量90%的炼钢生铁要进一步冶炼成钢，以满足国民经济各部门的需要。

五、炼钢的基本任务

所谓炼钢，就是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根据对钢性能的要求加

入适量的合金元素，使之成为具有优良性能的钢。

炼钢的基本任务可归纳如下：

1）脱碳。在高温熔融状态下进行氧化熔炼，把生铁中的碳氧化降低到所炼钢号的规

格范畴内，是炼钢过程的一项最主要任务。

2）脱磷和脱硫。把生铁中的有害杂质磷和硫降低到所炼钢号的规格范畴内。

3）去气和去非金属夹杂物。把熔炼过程中进入钢液中的有害气体（氢和氮）及非金属夹杂

物（氧化物、硫化物和硅酸盐等）排除掉。

4）脱氧与合金化。把氧化熔炼过程中生成的对钢质有害的过量的氧（以FeO形式存在）

从钢液中排除掉；同时加入合金元素，将钢液中的各种合金元素的含量调整到所炼钢号的规格

范畴内。

5）调温。按照熔炼工艺的需要，适时地提高和调整钢液温度到出钢温度。

6）浇注。把熔炼好的合格钢液浇注成一定尺寸和形状的钢锭或连铸坯，以便下一步轧

制成钢材。浇注包括铸锭或连续铸钢。

值得强调的是，炼钢过程主要是氧化过程。

7

六炼钢生产主要技术经济指标

1.年产量

年产量=24nga

1007

式中n---年内工作日(24h为一个工作日)；

g---每炉金属料重量，t；

a一一合格钢锭(坯)收得率，%；

T——每炉平均冶炼时间，ho

2.每炉钢产量

合格钢产量⑥

每炉钢产量("炉)=

出钢炉数

3.作业率

作业率=孺馥

式中工作日((1)=日历时间(d)一停炉时间(d)。

4.利用系数

(1)转炉利用系数

指每公称吨位的容量每昼夜所生产的合格钢产量,即：

转炉利用系数(t/(t・d))=转炉公标时间(d)

(2)电炉利用系数

指每千千伏安变压器容量每昼夜所生产的合格钢锭量，即：

电炉利用系数(t/(1000kVA-d))=0|jr(d)x$(kVA)/!000

5.每炉钢冶炼时间

转炉每炉钢冶炼时间(min/炉)=全等赛谭黑飞器詈逊

6.转炉炉龄(炉衬寿命)

转炉炉龄(炉缺)=髅露

7.按计划出钢率

按计划出钢率=里啰鲁慧铲塞x100%

8.钢锭合格率

钢锭合格率;嘉普|豁卜100%

9.钢锭收得率

钢锭收得率:篇幅薛XI。。%

10.原材料消耗

基克电材旦里总小虱

某种原材料消耗(kg/t)名格的锭?至7加G)

11.电炉电耗

8

电弧炉用电量（kW'h）

电炉电松（kw•h/t）=一百魏更兴（7厂一

广、乙全士合格的（高）合金钢钢锭量⑹幻0nly

12.口金比=全部合格钢锭量⑷

复习思考题

1.简述我国炼铁发展简史。

2.高炉冶炼的主要产品和副产品有哪些？

3.高炉生产主要技术经济指标有哪些？

4.钢和生铁有哪些主要区别？

9

第二章炼铁原材料

【本章学习要点】本章学习铁矿石的分类及主要特性，高炉冶炼对铁矿石的要求，铁矿石冶

炼前的准备和处理，焦碳在高炉炼铁中的作用和对焦碳的质量要求，烧结生产原料准备和烧结

生产过程，球团矿生产等。

第一节铁矿石及其分类

一、矿物、矿石和岩石

地壳中的化学元素经过各种地质作用，形成的天然元素和天然化合物称为矿物。它具有

较均一的化学成分和内部结晶构造，具有一定的物理性质和化学性质。

矿石和岩石均由矿物所组成，是矿物的集合体。但是，矿石是在目前的技术条件下能经济合

理地从中提取金属、金属化合物或有用矿物的物质。因此矿石和岩石的概念是相对的。

矿石又由有用矿物和脉石矿物所组成。矿石中能够被利用的矿物为有用矿物，目前尚不能

利用的矿物为脉石矿物。

二、铁矿石的分类及主要特性

在自然界中，金属状态的铁是极少见的，一样都和其他元素结合成化合物。现在已知道的

含铁矿物有300多种，但在目前的工艺条件及技术水平下能够用作炼铁原料的只有20多种。

根据含铁矿物的主要性质，按其矿物组成，通常将铁矿石分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿四

种类型。

1.磁铁矿

磁铁矿化学式为FesO”结构致密，晶粒细小，黑色条痕。具有强磁性，含S、P较高，

还原性差。

2.赤铁矿

赤铁矿化学式为Fez。,，条痕为樱红色，具有弱磁性。含S、P较低，易破碎、易还原。

3.褐铁矿

褐铁矿是含结晶水的氧化铁，呈褐色条痕，还原性好，化学式为nFe2()3・mH20(n=l〜

3,m=l〜4)。褐铁矿中绝大部分含铁矿物是以2Fe。•3HQ的形式存在的。

4.菱铁矿

菱铁矿化学式为FeCO”颜色为灰色带黄褐色。菱铁矿经过焙烧，分解出CO?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。

各种铁矿石的分类及其主要特性列于表2-lo

表2—1铁矿石的分类及其特性

10

带东性能

W论

r石实际含铁量

化学式葭色

«林（质量分数）有害东航强度及还除性

/fm1（JHt分敏）

/%/%

or磁性H化铁FcO.72.45.2»ft45-70S.P«条使、致密.国通网

软.较躬破碎，

赤铁矿赤铁矿FcA70.0红色55-60S.Pft

马还原

水赤铁厂ZFejO/HQ66.14.0-5.0

什赤铁矿FejOj-HjO62.94.0~4.5

黄梅色sn

水针铁r3FejOr4HQ60.93.0-4.4

将铁矿3775疏松、曷还原

梅铁2FeO,-3HO60.03.0-4.2

7JJ至缄鼻色不等

黄忖铁矿Fe,O)-2HjO57.23.0-4.0

ItUGFejOj-JHiO55.22.5-4.0

灰色带Stt易破碎嬉侥

菱铁矿WMttFcjCO,48.23.830*40

KWfip较高后岛还原

第二节高炉冶炼对铁矿石的要求

铁矿石是高炉冶炼的主要原料，其质量的好坏,与冶炼进程及技术经济指标有极为密切的

关系。决定铁矿石质量的主要因素是化学成分、物理性质及其冶金性能。高炉冶炼对铁矿石

的要求是:含铁量高，脉石少，有害杂质少，化学成分稳固，粒度平均，良好的还原性及一定的机

械强度等性能。

一、铁矿石品位

铁矿石的品位即指铁矿石的含铁量，以TFe%表示。品位是评判铁矿石质量的主要

指标。矿石有无开采价值，开采后能否直接入炉冶炼及其冶炼价值如何，均取决于矿石的含铁

量。

铁矿石含铁量高有利于降低焦比和提高产量。根据生产体会，矿石品位提高1%,焦比

降低2%,产量提高3%。因为随着矿石品位的提高，脉石数量减少，熔剂用量和渣量也相应

减少，既节省热量消耗，又有利于炉况顺行。从矿山开采出来的矿石，含铁量一样在30%〜

60%之间。品位较高，经破碎筛分后可直接入炉冶炼的称为富矿。一样当实际含铁量大于理

论含铁量的70%〜90%时方可直接入炉。而品位较低，不能直接入炉的叫贫矿。贫矿必须

经过选矿和造块后才能入炉冶炼。

二、脉石成分

铁矿石的脉石成分绝大多数为酸性的，SiOz含量较高。在现代高炉冶炼条件下，为了

得到一定碱度的炉渣，就必须在炉料中配加一定数量的碱性熔剂（石灰石）与Si（h作用造渣。

铁矿石中SiO?含量愈高，需加入的石灰石也愈多，生成的渣量也愈多，这样，将使焦比升高，

产量下降。所以要求铁矿石中含SiO,愈低愈好。

脉石中含碱性氧化物（CaO、MgO）较多的矿石，冶炼时可少加或不加石灰石，对降低焦比

有利，具有较高的冶炼价值。

三、有害杂质和有益元素的含量

1.有害杂质

11

矿石中的有害杂质是指那些对冶炼有阻碍或使矿石冶炼时不易获得优质产品的元素。主

要有S、P、Pb、Zn、As、K、Na等。

⑴硫

硫在矿石中主要以硫化物状态存在。硫的危害主要表现在：

a.当钢中的含硫量超过一定量时，会使钢材具有热脆性。这是由于FeS和Fe结

合成低熔点(985℃)合金，冷却时最后凝固成薄膜状，并分布于晶粒界面之间，当钢材被加

热到1150〜1200℃时，硫化物第一熔化，使钢材沿晶粒界面形成裂纹。

b.对铸造生铁，会降低铁水的流动性，阻止Fe3c分解，使铸件产动气孔、难于切削并

降低其韧性。

'C.硫会显著地降低钢材的焊接性，抗腐蚀性和耐磨性。

国家标准对生铁的含硫量有严格规定，炼钢生铁，最高答应含硫质量分数不能

超过0.07%,铸造铁不超过0.06%。虽然高炉冶炼可以去除大部分硫，但需要高炉温、高炉

渣碱度，对增铁节焦是不利的。因此矿石中的含硫质量分数必须小于0.3%。

⑵磷

磷也是钢材的有害成分。以Fe『、Fe：,P形状溶于铁水。因为磷化物是脆性物质，冷凝

时集合于钢的晶界周围，减弱晶粒间的结合力，使钢材在冷却时产生很大的脆性，从而造成

钢的冷脆现象。由于磷在选矿和烧结过程中不易除去，在高炉冶炼中又几乎全部还原进入

生铁。所以控制生铁含磷的惟一途径就是控制原料的含磷量。

(3)铅和锌

铅和锌常以方铅矿(PbS)和闪锌矿(ZnS)的形式存在于矿石中。

在高炉内铅是易还原元素，但铅又不溶解于铁水，其密度大于铁水，所以还原出来

的铅沉积于炉缸铁水层以下，渗入破缝破坏炉底砌砖，甚至使炉底砌砖浮起。铅又极易挥发，

在高炉上部被氧化成PbO,粘附于炉墙上，易引起结瘤。一样要求矿石中的含铅质量分数低

于0.1%。

高炉冶炼中锌全部被还原，其沸点低(905℃),不熔于铁水。但很容易挥发，在炉内

又被氧化成ZnO,部分ZnO沉积在炉身上部炉墙上，形成炉瘤，部分渗入炉衬的孔隙和砖

缝中，引起炉衬膨胀而破坏炉衬。矿石中的含锌质量分数应小于0.1%。

(4)种

碑在矿石中含量较少。与磷相似，在高炉冶炼过程中全部被还原进入生铁，钢中含碑

也会使钢材产生'‘冷脆”现象，并降低钢材焊接性能。要求矿石中的含碑质量分数小于0.07%。

(5)碱金属

碱金属主要指钾和钠。一样以硅酸盐形式存在于矿石中。冶炼过程中，在高炉下部

高温区被直接还原生成大量碱蒸气，随煤气上升到低温区又被氧化成碳酸盐沉积在炉料和

炉墙上，部分随炉料下降，从而反复循环积存。其危害主要为：与炉衬作用生成钾霞石

(KQ-A1A-2SiO2),体积膨胀40%而损坏炉衬；与炉衬作用生成低熔点化合物，粘结在炉墙上,

易导致结瘤；与焦炭中的碳作用生成插入式化合物(CK.、CNaJ体积膨胀很大，破坏焦炭高温

强度，从而影响高炉下部料柱透气性。因此要限制矿石中碱金属的含量。

⑹铜

铜在钢材中具有两重性，铜易还原并进入生铁。当钢中含铜质量分数小于0.3%

时能改善钢材抗腐蚀性。当超过0.3%时又会降低钢材的焊接性，并引起钢的“热脆”现象，

使轧制时产生裂纹。一样铁矿石答应含铜质量分数不超过0.2%。

2.有益元素

矿石中有益元素主要指对钢铁性能有改善作用或可提取的元素。如锦(Mn)、铭(Cr)、钻

(Co)、银(Ni)、帆(V)、钛(Ti)等。当这些元素达到一定含量时，可显著改善钢的可加工性，

强度和耐磨、耐热、耐腐蚀等性能。同时这些元素的经济价值很大，当矿石中这些元素含量达到

一定数量时，可视为复合矿石，加以综合利用。

12

四、铁矿石的还原性

铁矿石的还原性是指铁矿石被还原性气体CO或Hz还原的难易程度。它是一项评判

铁矿石质量的重要指标。铁矿石的还原性好，有利于降低焦比。

影响铁矿石还原的因素主要有矿物组成、矿物结构的致密程度，粒度和气孔率等。一样磁

铁矿因结构致密，最难还原。赤铁矿有中等的气孔率，比较容易还原。褐铁矿和菱铁矿容易还

原，因为这两种矿石分别失去结晶水和去掉CO?后，矿石气孔率增加。烧结矿和球团矿的气

孔率高，其还原性一样比天然富矿的还要好。

五、矿石的粒度、机械强度和软化性

矿石的粒度是指矿石颗粒的直径。它直接影响着炉料的透气性和传热、传质条件。

通常，入炉矿石粒度在5〜35mm之间，小于5mm的粉末是不能直接入炉的。确定矿

石粒度必须兼顾高炉的气体力学和传热、传质几方面的因素。在有良好透气性和强度的前提

下，尽可能降低炉料粒度。

铁矿石的机械强度是指矿石耐冲击、抗摩擦、抗挤压的能力，力求强度要高一些为好。

铁矿石的软化性包括铁矿石的软化温度和软化温度区间两个方面。软化温度是指铁矿

石在一定的荷重下受热开始变形的温度；软化温度区间是指矿石开始软化到软化终了的温度

范畴。高炉冶炼要求铁矿石的软化温度要高，软化温度区间要窄。

六、铁矿石各项指标的稳固性

铁矿石的各项理化指标保持相对稳固，才能最大限度地发挥生产效率。在前述各项指

标中，矿石品位、脉石成分与数量、有害杂质含量的稳固性尤为重要。高炉冶炼要求成分波动

范畴:含铁原料TFe<±0.5%〜1.0%；w(Si02)<±0.2%〜0.3%；烧结矿的碱度为±0.03~

0.Io

为了确保矿石成分的稳固，加强原料的整粒和混匀是非常必要的。

第三节铁矿石冶炼前的准备和处理

从矿山开采出来的铁矿石，无论是粒度还是化学成分都不能满足高炉冶炼的要求，一样要

经过破碎、筛分、混匀、焙烧、选矿和造块等加工处理过程。

一、破碎

破碎是铁矿石准备处理工作中的基本环节，当矿石粒度很大时，破碎一样都要分段进

行，根据破碎的粒度，可分为粗碎、中碎、细碎和粉碎。

粗碎：从1300~500mm破碎到400〜125mm；

中碎

:从400〜125mm破碎到100〜25mm；

细碎

：从100〜25mm破碎至(]25〜5nim；

粉碎

：从〈5mm破碎到<lmm。

对于天然铁矿石的粗、中、细碎作业，目前采用的主要破碎设备有颗式破碎机和圆锥式

破碎机两大类，其工作原理如图2—1所示。

13

图2—1破碎机的工作原理示意图

（a）颗式破碎机；（b）圆锥式破碎机；（c）短锥式破碎机

二、筛分

通过单层或多层筛面，将颗粒大小不同的混合料分成若干不同粒度级别的过程，称为筛

分。其目的是筛除粉末，同时也要将大于规定粒度上限的大块筛除进行再破碎，并对合格块度进

行分级。筛分既可以提高破碎机的工作效率，又可以改善物料的粒度组成，更好地满足高炉冶炼

的要求。

矿石的筛分设备多采用振动筛。其筛分原理是利用筛网的上下垂直振动进行的。筛网

的振动可达每分钟1500次左右，振幅达0.5〜12mm,筛面与水平面成10°-40°的倾角。矿

石规定的入炉粒度若在8〜35mm范畴时，可分为二级入炉，8〜20nlm为一级，20〜35mm为

一级，分级入炉比混合入炉的成效好。

振动筛的筛分效率高，单位面积产量大，筛孔不易堵塞，调整方便，适用粒度范畴广。

通常，矿石在破碎、筛分过程中通过皮带运输机将破碎机械与筛分机械联系起来，构成

破碎筛分流程。

三、混匀

混匀又称为中和。其目的在于稳固铁矿石的化学成分，从而稳固高炉操作，保持炉况顺

行，改善冶炼指标。

矿石的混匀方法是按“平铺直取”的原则进行的。所谓平铺，是根据料场的大小将每一

批来料沿水平方向依次平铺，一样每层厚度为200-300mm,把料铺到一定高度（首钢原料场

规定4.5m）。所谓直取，即取矿时，沿料堆垂直断面截取矿石，这样可以同时截取许多层次的矿

石，从而达到混匀的目的。

四、铁矿石的焙烧

铁矿石的焙烧是将其加热到低于软化温度200〜300℃的一种处理过程。焙烧的目的

是改变矿石的矿物组成和内部结构，去除部分有害杂质，回收有用元素，同时还可以使矿石变得

疏松，提高矿石的还原性。焙烧的方法有氧化焙烧、还原磁化焙烧和氯化焙烧等。

氧化焙烧是铁矿石在氧化气氛条件下焙烧，主要用于去除褐铁矿中的结晶水，菱铁矿中

的C0”并提高品位，改善还原性。

还原磁化焙烧是在还原气氛中进行，其作用是将弱磁性的赤铁矿及非磁性的黄铁矿转

化为具有强磁性的磁铁矿，以便磁选。

五、铁矿石的选矿

选矿的目的主要是为了提高矿石品位。

在选矿时，根据各矿物的物理性质与物理化学性质的不同，借助各种选矿设备和药剂，将

矿石中有用的矿物和脉石加以分离，使有用矿物相对富集，从而提高矿石品位，同时分离回收

其他有用成分，除去部分有害杂质，从而充分、经济合理地利用矿产资源。

矿石经过选矿可得到三种产品：精矿、中矿和尾矿。

14

精矿是指选矿后得到的含有用矿物含量较高的产品；中矿为选矿过程中间产品，需进一步

选矿处理；尾矿是经选矿后留下的废弃物。

对于铁矿石，目前常用的选矿方法有：

1）重力选矿法。根据矿物密度的不同，在选矿介质中具有不同的沉降速度而进行选矿。

2）磁力选矿法。磁力选矿法是利用矿物的磁性差别，在不平均的磁场中，磁性矿物被

磁选机的磁极吸引，而非磁性矿物则被磁极排斥，从而达到选别的目的。

3）浮游选矿法。浮游选矿法是利用矿物表面不同的亲水性，挑选性地将疏水性强的矿

物用泡沫浮到矿浆表面，而亲水性矿物则留在矿浆中，从而实现不同矿物彼此分离。

第四节熔剂

高炉冶炼中，除主要加入铁矿石和焦炭外，还要加入一定量的助熔物质，即熔剂。

一、熔剂的作用

熔剂在冶炼过程中的主要作用有两个：第一个作用是使还原出来的铁与脉石和灰分实

现良好分离，并顺利从炉缸流出，即渣铁分离。第二个作用是生成一定数量和一定物理、化学

性能的炉渣，去除有害杂质硫，确保生铁质量。

二、熔剂的种类

根据矿石中脉石成分的不同，高炉冶炼使用的熔剂，按其性质可分为碱性、酸性和中

性三类。

1.碱性熔剂

当矿石中的脉石主要为酸性氧化物时，则使用碱性熔剂。由于燃料灰分的成分和绝大多数

矿石的脉石成分都是酸性的，因此，普遍使用碱性熔剂。常用的碱性熔剂有石灰石（CaCOj和白

云石（CaCOs,MgCOa）o

2.酸性熔剂

高炉使用主要含碱性脉石的矿石冶炼时，可加入酸性熔剂。作为酸性熔剂使用的有石

英石（SiO?）、均热炉渣（主要成分为2FeO・SiO”及含酸性脉石的贫铁矿等。生产中用酸性熔剂

的很少，只有在某些特别情形下才考虑加入酸性熔剂。

3.中性熔剂

亦称高铝质熔剂。当矿石和焦炭灰分中AI2O3很少，渣中AlzOs含量很低，炉渣流动性很

差时，在炉料中加入高铝原料作熔剂，如铁帆土。生产上极少遇到这种情形。

三、对碱性熔剂的质量要求

对碱性熔剂的质量有如下要求：

1）碱性氧化物（CaO+MgO）含量高，酸性氧化物（SiOz+AlQ）愈少愈好。否则，冶炼单

位生铁的熔剂消耗量增加，渣量增大，焦比升高。一样要求石灰石中CaO的质量分数不低于

50%,SiOz+AbOs的质量分数不超过3.5%。

熔剂的有效熔剂性是评判熔剂质量的重要指标,是指熔剂按炉渣碱度的要求,除去本身

酸性氧化物含量所消耗的碱性氧化物外，剩余部分的碱性氧化物含量。可用下式表示：

有效熔剂性=Ca。”+姆0M-熔剂、丝噂警强

4'4炉沿

当熔剂中与炉渣中MgO含量很少时，运算式可简化为：

有效熔剂性=84剂-&。2细仆筹身

47%明沿

要求熔剂的有效熔剂性愈高愈好。

2）有害杂质硫、磷含量要少。石灰石中一样硫的质量分数只有0.01%〜0.08%,磷的

质量分数为0.001%~0.03%,>

15

3)要有较高的机械强度，粒度要平均，大小适中。适宜的石灰石入炉粒度范畴是：大中

型高炉为20〜50mln,小型高炉为10〜30mm。

当炉渣黏稠引起炉况失常时，还可短期适量加入萤石(CaFj,以稀释炉渣和洗掉炉衬上的堆

积物。因此常把萤石称做洗炉剂。

第五节高炉用燃料

燃料是高炉冶炼中不可缺少的基本原料之一。现代高炉都使用焦炭做燃料，全部从炉顶

装入。近年来，喷吹技术的发展，从风口喷入一些燃料(如无烟煤粉、重油、天然气等)，替代

一部分焦炭，但只占全部燃料用量的10%〜30%,焦炭仍旧是高炉冶炼的主要燃料。

一、焦炭在高炉冶炼中的作用

焦炭在高炉冶炼中主要作为发热剂、还原剂和料柱骨架。焦炭在风口前燃烧放出大量热量

并产生煤气，煤气在上升过程中将热量传给炉料，使高炉内的各种物理化学反应得以进行。高

炉冶炼过程中的热量有70%〜80%来自焦炭的燃烧。焦炭燃烧产生的C0及焦炭中的固定碳是

铁矿石的还原剂。焦炭在料柱中占1/3〜1/2的体积，特别是在高炉下部高温区只有焦炭是以

固体状态存在，它对料柱起骨架作用，高炉下部料柱的透气性完全由焦炭来坚持。

另外，焦炭还是生铁的渗碳剂。焦炭燃烧还为炉料下降提供自由空间。

二、高炉冶炼对焦炭质量的要求

焦炭质量好坏，直接影响高炉冶炼过程的进行及能否获得好的技术经济指标，因此对

入炉焦炭有一定质量要求。

1.焦炭的化学成分

焦炭的化学成分常以焦炭的工业分析来表示。工业分析项目包括固定碳、灰分、硫分、挥

发分和水分的含量。

(1)固定碳和灰分焦炭中的固定碳和灰分的含量是互为消长的。固定碳按下式运算：

3(C图)=[100一(灰分十挥发分十硫)]%

要求焦炭中固定碳含量尽量高，灰分尽量低。因为固定碳含量高，发热量高，还原剂亦多，有

利于降低焦比。

生产实践证明：固定碳含量升高1%,可降低焦比2%。焦炭中灰分的主要成分是Si02、

AlAo灰分高，则固定碳含量少，而且使焦炭的耐磨强度降低，熔剂消耗量增加，渣量亦增加，

使焦比升高。生产实践还证明：灰分增加1%,焦比升高2%,产量降低3%。我国冶金焦炭灰

分一样为11%〜14%。

(2)硫和磷在一样冶炼条件下，高炉冶炼过程中的硫有80%是由焦炭带入的。因此降低

焦炭中的含硫量对降低生铁含硫量有很大作用。在炼焦过程中，能够去除一部分硫，但仍旧有

70%〜90%的硫留在焦炭中，因此要降低焦炭的含硫量必须降低炼焦煤的含硫量。焦炭中含磷

一样较少。

(3)挥发分焦炭中的挥发分是指在炼焦过程中未分解挥发完的压、CH,、N,等物质。挥发分

本身对高炉冶炼无影响，但其含量的高低表明焦炭的结焦程度。正常情形下，挥发分一样在

0.7%〜1.2%。含量过高，说明焦炭的结焦程度差，生焦多，强度差；含量过低，则说明结

焦程度过高，易碎。因此焦炭挥发分高低将影响焦炭的产量和质量。

(4)水分焦炭中的水分是湿法熄焦时渗入的，通常为2%〜6%。焦炭中的水分在高炉

上部即可蒸发，对高炉冶炼无影响。但要求焦炭中的水分含量要稳固，因为焦炭是按重量入炉

的，水分的波动将引起入炉焦炭量波动，会导致炉缸温度的波动。可采用中子测水仪测量入炉

焦炭的水分，从而控制入炉焦炭的重量。

2.焦炭的物理性质

16

(1)机械强度焦炭的机械强度是指焦炭的耐磨性和抗撞击能力。它是焦炭的重要质

量指标。高炉冶炼要求焦炭的机械强度要高。否则，机械强度不好的焦炭，在转运过程中和高

炉内下降过程中破裂产生大量的粉末，进入初渣，使炉渣的黏度增加，增加煤气阻力，造成炉

况不顺。

目前我国一样用小转鼓测定焦炭强度。小转鼓是用钢板焊成的无穿心轴的密封圆筒，

鼓内径和宽均为1000mm,内壁每隔90°焊角钢一块，共计4块。试验时，取粒度大于60mm的

焦炭30kg,放人转鼓内，转鼓以25r/min的速度旋转100转，即4min,倒出试样，用

和声610mm的圆孔筛筛分，以大于40mm的焦炭占试样总量的百分比(以M40表示)作为破碎强

度指标，以小于10mm的焦炭占试样总量的百分比(以M,。表示)作为耐磨强度指标。M40愈大，

Ml0愈小，表明焦炭的强度愈高。一样要求M40272%,HoWlO%。

应该指出，小转鼓强度只代表焦炭在常温下的强度，并不能代表焦炭在高炉内的实际

强度。鉴定焦炭在高温下的强度的方法有待于进一步研究。

(2)粒度平均、粉末少对于焦炭粒度，既要求块度大小合适，又要求粒度平均。大型高

炉焦炭粒度范畴为20〜60mm,中小高炉用焦炭，其粒度分别以20〜40mm和大于15mm为宜。

但这并不是一成不变的标准。高炉使用大量熔剂性烧结矿以来，矿石粒度普遍降低，焦炭和矿

石间的粒度差别扩大，这不利于料柱透气性，因此，有必要适当降低焦炭粒度，使之与矿石粒

度相适应。

3.焦炭的化学性质

焦炭的化学性质包括焦炭的燃烧性和反应性两方面。

燃烧性是指焦炭在一定温度下与氧反应生成COz的速度，即燃烧速度。其反应式为：

C+O2=CO2

反应性是指焦