第一節(jié) 鐵礦石及其分類
一、礦物、礦石和巖石
地殼中的化學(xué)元素經(jīng)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nFe2O3·mH2O(n=1～3，m=1～4)。褐鐵礦中絕大部分含鐵礦物是以2Fe2O3·3H2O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2-1。
第二節(jié)、高爐冶煉對鐵礦石的要求
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械強度等性能。
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。品位是評價鐵礦石質(zhì)量的主要指標(biāo)。礦石有無開采價值，開采后能否直接入爐冶煉及其冶煉價值如何，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，礦石品位提高1％，焦比降低2％，產(chǎn)量提高3％。因為隨著礦石品位的提高，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)實際含鐵量大于理論含鐵量的70％～90％時方可直接入爐。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，冶煉時可少加或不加石灰石，對降低焦比有利，具有較高的冶煉價值。
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)是指那些對冶煉有妨礙或使礦石冶煉時不易獲得優(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：
a.當(dāng)鋼中的含硫量超過一定量時，會使鋼材具有熱脆性。這是由于FeS和Fe結(jié)合成低熔點(985℃)合金，冷卻時最后凝固成薄膜狀，并分布于晶粒界面之間，當(dāng)鋼材被加熱到1150～1200℃時，硫化物首先熔化，使鋼材沿晶粒界面形成裂紋。
b.對鑄造生鐵，會降低鐵水的流動性，阻止Fe3C分解，使鑄件產(chǎn)生氣孔、難于切削并降低其韌性。
c.硫會顯著地降低鋼材的焊接性，抗腐蝕性和耐磨性。
國家標(biāo)準(zhǔn)對生鐵的含硫量有嚴(yán)格規(guī)定，煉鋼生鐵，最高允許含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能超過0.07％，鑄造鐵不超過0.06％。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，對增鐵節(jié)焦是不利的。因此礦石中的含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須小于0.3％。
(2)磷
磷也是鋼材的有害成分。以Fe2P、Fe3P形態(tài)溶于鐵水。因為磷化物是脆性物質(zhì)，冷凝時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。一般要求礦石中的含鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.1％。
高爐冶煉中鋅全部被還原，其沸點低(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(K2O·A12O3·2SiO2)，體積膨脹40％而損壞爐襯；與爐襯作用生成低熔點化合物，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(CK8、CNa8)體積膨脹很大，破壞焦炭高溫強度，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％時能改善鋼材抗腐蝕性。當(dāng)超過0.3％時又會降低鋼材的焊接性，并引起鋼的“熱脆”現(xiàn)象，使軋制時產(chǎn)生裂紋。一般鐵礦石允許含銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.2％。
2．有益元素
礦石中有益元素主要指對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，可顯著改善鋼的可加工性，強度和耐磨、耐熱、耐腐蝕等性能。同時這些元素的經(jīng)濟價值很大，當(dāng)?shù)V石中這些元素含量達(dá)到一定數(shù)量時，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。它是一項評價鐵礦石質(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，因為這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、機械強度和軟化性
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度的前提下，盡可能降低爐料粒度。
鐵礦石的機械強度是指礦石耐沖擊、抗摩擦、抗擠壓的能力，力求強度要高一些為好。
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、鐵礦石各項指標(biāo)的穩(wěn)定性
鐵礦石的各項理化指標(biāo)保持相對穩(wěn)定，才能最大限度地發(fā)揮生產(chǎn)效率。在前述各項指標(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范圍:含鐵原料TFe<±0．5％～l．0％；ω(SiO2)<±0．2％～0．3％；燒結(jié)礦的堿度為±0．03～0．1。
為了確保礦石成分的穩(wěn)定，加強原料的整粒和混勻是非常必要的。
