铁矿石基础知识
文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
铁矿石基础知识
v 1 铁矿石的分类及特性
v 2 配料计算
v 3 铁矿石经济性评价
v 1.1 矿石和脉石
v 地壳中的铁贮量比较丰富，按元素总量计占4.2%，仅次于氧、硅及铝居第四位。但在自然界中铁不能纯金属状态存在，绝大多数形成氧化物、硫化物或碳酸盐等化合物。不同的岩石含铁品位可以差别很大。凡在当前技术条件下，从中经济地提取出金属铁的岩石称为铁矿石。这样，铁矿石中除了含Fe的有用矿物外，还含有其他化合物，统称为脉石。常见的脉石有SiO2、Al2O3、CaO及MgO等。
v 1.2 天然铁矿石的分类及特征
v 天然铁矿石按其主要矿物分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等几种，主要矿物组成及特征见表1-1。
v 赤铁矿又称红矿，其主要含铁矿物为Fe2O3，其中铁占70%，氧占30%，常温下无磁性。但Fe2O3有两种晶形，一为α- Fe2O3 ，一为γ- Fe2O3 ，在一定温度下，当α- Fe2O3转变为γ- Fe2O3时，便具有了磁性。
v 色泽为赤褐色到暗红色，
v 由于其硫、磷含量低，还原性较磁铁矿好，是优良原料。
v 赤铁矿的熔融温度为：1580~ 1640℃。
磁铁矿主要含铁矿物为Fe3O4，具有磁性。其化学组成可视为
Fe2O3·FeO，其中FeO=30%，Fe2O3·=69%；TFe=72.4%，O=27.6%。磁铁矿颜色为灰色或黑色，由于其结晶结构致密，所以还原性比其它铁矿差。磁铁矿的熔融温度为：1500~1580℃。这种矿物与TiO2和V2O5共生，叫钒钛磁铁矿；只与TiO2共生的叫钛磁铁矿，其它常见混入元素还有Ni、Cr、Co等。在自然界中纯磁铁矿很少见，常常由于地表氧化作用使部分磁铁矿氧化转变为半假象赤铁矿和假象赤铁矿。所谓假象就是
Fe3O4虽然氧化成Fe2O3·，但它仍保留原来磁铁矿的外形。
v 在自然界中纯磁铁矿很少见，常常由于地表氧化作用使部分磁铁矿氧化转变为半假象赤铁矿和假象赤铁矿。所谓假象就是Fe3O4虽然氧化成Fe2O3·，但它仍保留原来磁铁矿的外形。它们一般可用TFe/FeO的比值来区分：
v TFe/FeO=2.33 为纯磁铁矿石
v TFe/FeO<3.5 为磁铁矿石
v TFe/FeO=3.5~7.0 为半假象赤铁矿石
v TFe/FeO>7.0 为假象赤铁矿石
v 式中，TFe－矿石中的总含铁量（%），又称全铁；FeO－矿石中的FeO 含量（%）。
v 褐铁矿通常指含水氧化铁的总称。
v 如3Fe2O3·4H2O称为水针铁矿；2Fe2O3·3H2O才称褐铁矿。这类矿石一般含铁较低，但经过焙烧去除结晶水后，含铁量显着上升。颜色为浅褐色、深褐色或黑色，硫、磷、砷等有害杂质一般多。
菱铁矿又称碳酸铁矿石，因其晶体为菱面体而得名。颜色为灰色、浅黄色、褐色。其化学组成为FeCO3，亦可写成FeO·CO2，其中FeO=62.1%，CO2=37.9%； TFe=48.2% 。常混入Mg、Mn等的矿物。一般含铁较低，但若受热分解放出CO2后品位显着升高，而且组织变得更为疏松，很易还原。所以使用这种矿石一般要先经焙烧处理。
v 1.3 铁矿石质量评价
v 铁矿石质量直接影响高炉冶炼效果，必须严格要求。通常从以下几方面评价：
v （1）矿石品位
v 品位即铁矿石的含铁量，它决定着矿石的开采价值和入炉前的处理工艺。入炉品位愈高，愈有利于降低焦比和提高产量，从而提高经济效益。经验表明，若矿石含铁量提高1%，则焦比降低2%，产量增加3%。因为品位提高，意味着酸性脉石大幅度减少，冶炼时可少加石灰石造渣，因而渣量大大减少，既节省热量，又促进炉况顺行。例如鞍山地区的酸性贫铁矿，含铁30%，SiO2 50%，富选后精矿品位达到60%，SiO2降低到14%；含铁量提高一倍，SiO2降低近3/4。而生产1t生铁的渣量和熔剂用量减少到原来的1/8。可见提高品位对冶炼的影响是很大的。
v 矿石的贫富一般以其理论含铁量的70%来评估。实际含铁量超过理论含铁量的70%称富矿。但这并不是绝对固定的标准。因为它还与矿石的脉石成分、杂质含量和矿石类型等因素有关。如对褐铁矿、菱铁矿和碱性脉石矿含铁量的要求可适当放宽。因褐、菱铁矿受热分解出H2O和CO2后
品位会提高。碱性脉石矿含CaO高，冶炼时可少加或不加石灰石，其品位应按扣去CaO的含铁量来评价。
v TFe——原矿含铁量，%；CaO——原矿CaO含量，%
v （2）脉石成分
v 脉石中含有碱性脉石，如CaO、MgO；有酸性脉石，如SiO2、Al2O3。一般铁矿石含酸性脉石者居多，即其中SiO2高，需加入相当数量的石灰石造成碱度（CaO/SiO2）为1.0左右的炉渣，以满足冶炼工艺的需求。因此希望酸性脉石含量愈少愈好。而含CaO高的碱性脉石则具有较高的冶炼价值。如某铁矿成分（%）为Fe 45.30，CaO 10.05，MgO 3.34，SiO2 11.20。自然碱度（CaO/SiO2）=0.9，（CaO+MgO）/SiO2=1.2，接近炉渣碱度的正常范围，属自熔性富矿。
若考虑MgO则为52.3％。脉石中的MgO还有改善炉渣性能的作用，但这类矿石不多见。脉石中的Al2O3含量也应控制，若Al2O3含量过高，炉渣难熔而不易流动，使冶炼造成困难。随着铁矿石资源的紧张状况加剧，进口铁矿石中Al2O3含量越来越高，炉渣中Al2O3含量也相应升高，给炼铁操作带来很大的挑战，目前普遍采取提高MgO的含量来解决炉渣流动性的问题。
v （3）有害杂质和有益元素的含量
v 有害杂质通常指S、P、Pb、Zn、As等，它们的含量愈低愈好。Cu有时为害，有时为益，视具体情况而定。入炉矿石中有害杂质的界限含量（％）一般如下：
S P Pb Zn As Cu
≤0.3 ≤0.25 ≤0.1 ≤0.1～0.2 ≤0.07 ≤0.2
v 硫是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热脆性。
v 所谓“热脆”就是S几乎不熔于固态铁而与铁形成FeS，而FeS与Fe 形成的共晶体熔点为988℃，低于钢材热加工的开始温度
（1150~1200℃）。热加工时，分布于晶界的共晶体先行熔化而导致开裂。因此矿石含硫愈低愈好。国家标准规定生铁中S≤0.07%，优质生铁S≤0.03%，就是要严格控制钢中硫含量。
v 高炉炼铁过程可去除90%以上的硫。但脱硫需要提高炉渣碱度，渣量增加，导致焦比增加而产量降低。根据鞍钢经验，矿石中含硫每增加
0.1％，焦比升高5%。一般规定矿石中S≤0.06%为一级矿，S≤0.2%为一级矿，S>0.3%为高硫矿。对于高硫矿石，可以通过选矿和烧结的方法降低含硫量。
v 硫可改善钢材的切削加工性能，在易切削钢中，S可达0.15~0.3%。
v 磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。
v 磷能溶于α-Fe中（可达1.2%），固溶并富集在晶粒边界的磷原子使铁素体在晶粒间的强度大大增高，从而使钢材的室温强度提高而脆性增加，称为冷脆。磷在钢的结晶过程中容易偏析，而又很难用热处理的方法来消除，亦使钢材冷脆的危险性增加。但含磷铁水的流动性好，充填性好，对制造畸形复杂铸件有利。磷亦可改善钢材的切削性能，故在易切削钢中磷含量可达0.08～0.15%。
矿石中的磷在选矿和烧结过程中不易除去，在高炉冶炼过程磷几乎全部进入生铁。因此，生铁含磷量决定于矿石含磷量，要求铁矿石含磷愈低愈好。
v 铅（Pb）、锌（Zn）和砷（As）
v 在高炉内都易还原。Pb不溶于Fe而密度又比Fe大，还原后沉积于炉底，破坏性很大。Pb在1750℃时沸腾，挥发的铅蒸气在炉内循环能形成炉瘤。Zn还原后在高温区以Zn蒸气大量挥发上升，部分以ZnO沉积于炉墙，使炉墙胀裂并形成炉瘤。As可全部还原进入生铁，它可降低钢材的焊接性并使之“冷脆”。生铁含As量应小于0.1%，优质生铁不应含As。
v 铁矿石中的铅、锌、砷常以硫化物形态存在，如方铅矿（PbS）、闪锌矿（ZnS）、毒砂（FeAsS）。烧结过程中很难排除铅、锌，因此要求含量越低越好。一般要求含铅、锌不应超过0.1%。含铅高的铁矿石可以通过氯化焙烧和浮选方法使铅铁分离。含锌高的矿石不能单独直接冶炼，应该与含锌少的矿石混合使用，或进行焙烧、选矿等处理，降低铁矿石中的含锌量。烧结过程中能部分去除矿石中的砷，可以采用氯化焙烧方法排除。通常要求，铁矿石含砷不超过0.07%
v 铜
v 在钢中若不超过0.3%可增加钢材抗蚀性，超过0.3%时，则降低其焊接性，并有热脆现象。铜在烧结中一般不能去除，在高炉中又全部还原进入生铁。故钢铁含铜量决定于原料含铜量。一般铁矿石允许含铜量不超过0.2%。对于一些难选的高铜氧化矿，可采用氯化焙烧法回收铜，同时
可炼高铜（Cu＞1.0%）铸造生铁，它具有很好的机械性能和耐腐蚀性能。
此外，一些铁矿石还含有碱金属钾、钠，它们在高炉下部高温区大部分被还原后挥发，到上部又氧化而进入炉料中，造成循环累积，使炉墙结瘤。因此要求矿石中含碱金属量必须严格控制。我国普通高炉碱金属（K2O+Na2O）入炉量限制为3~5kg/t·Fe，国外高炉碱金属（K2O+Na2O）入炉限制量为低于3kg/t·Fe。入炉铁矿石碱金属含量要求为：
（K2O+Na2O）≤0.2%。
v 氟
v 在冶炼过程中以CaF2形态进入渣中。CaF2能降低炉渣的熔点，增加炉渣流动性，当铁矿石中含氟高时，炉渣在高炉内过早形成，不利于矿石还原。矿石中含氟不超过1%时对冶炼无影响，当含量达到4%～5%时需要注意控制炉渣的流动性。采外，高温下氟挥发对耐火材料和金属构件有一定的腐蚀作用。
v 铁矿石中常共生有Mn、Cr、Ni、Co、V、Ti、Mo；。这些元素有改善钢铁性能的作用，故称有益元素。
v 当它们在矿石中的含量（%）达到一定数值时，如Mn≥5、Cr≥0.06、Ni≥0.2，Co≥0.03，V≥0.1~0.15，Mo≥0.3，Cu≥0.3，则称为复合矿石，经济价值很大，应考虑综合利用。
对于铁矿石中一些有害杂质，如果含量较高，如Pb≥0.5，Zn≥0.7，Sn ≥0.2时，应视为复合矿石综合利用。因为这些杂质本身也是重要的金属。
v （4）矿石的粒度和强度
v 入炉铁矿石应具有适宜的粒度和足够的强度。粒度过大会减少煤气与铁矿石的接触面积，使铁矿石不易还原；过小则增加气流阻力，同时易吹出炉外形成炉尘损失；粒度大小不均，则严重影响料柱透气性。因此，大块应破碎，粉末应筛除，粒度应适宜而均匀。一般要求矿石粒度在10~40mm范围，并力求缩小上下限粒度差。
v 铁矿石的强度是指铁矿石耐冲击、摩擦的强弱程度。随着高炉容积不断扩大，入炉铁矿石的强度也要相应提高。否则易生成粉末、碎块，一方面增加炉尘损失，另一方面使高炉料柱透气性变坏，引起炉况不顺。v （5）铁矿石的还原性
v 铁矿石还原性是指铁矿石被还原性气体CO或H2还原的难易程度，是评价铁矿石质量的重要指标。还原性愈好，愈有利于降低焦比，提高产量。改善矿石还原性（或采用易还原矿石）是强化高炉冶炼的重要措施之一。
v 影响铁矿石还原性的因素主要有矿物组成、矿石结构的致密程度、粒度和气孔率等。
v （6）矿石化学成分的稳定性
v 铁矿石成分的波动会引起炉温、炉渣碱度和性质以及生铁质量的波动，造成炉况不顺，使焦比升高，产量下降。同时，炉况的频繁波动使高炉自动控制难以实现，因此，国内外都严格控制炉料成分的波动范围。稳定矿石成分的有效方法是对矿石进行混匀处理。
2. 配料计算
v 2.1 配料目的
v 烧结厂使用的原料种类很多,而且成分波动大，在充分利用国家资源的情况下，必须根据炼铁对烧结矿化学成分和冶金性能的要求进行配料计算，以保证烧结矿的含铁量、碱度、含FeO量及硫等有害杂质含量在规定的范围内，从而获得化学成分和物理性能都稳定的烧结矿，并使烧结矿具有足够的透气性，已满足高炉炼铁的需要。
v 2.2 配料计算方法—单烧法
v 单烧法是以一种含铁料作原料，按烧结矿技术规格要求，配加适当的熔剂和燃料，使其碱度达到预定的规格，这样所得出的烧结矿的含铁量称为该种含铁原料的单烧值。
v 在进行配料计算前，必须已知下列数据：
v （1）各种原燃料的有关物理性能与化学成分；
v （2）烧结矿的技术规格；
v 烧结矿成分计算的步骤：
v （1）确定配料比
v （2）计算干料量
v （3）计算残存量（烧成量）
v （4）计算进入配料中的各种组分
v （5）验算烧结矿R
v （6）计算烧结矿的化学成份
v （1）确定配料比
v 根据烧结矿技术条件的要求及原料供应计划、化学成分来确定各种原料的配料比。
v （2）计算干料量
v 干料量＝湿料配比×(100一水分)，％
总干料量∑干料＝各种干料量之和。
v （3）计算残存量（烧成量）
v 残存量＝干料量×(100—烧损)，％
焦粉残存量＝焦粉干料配比×(100一烧损)＝焦粉干料配比×灰分，％v 总残存量∑残存量＝各种原料残存量之和
v （4）计算进入配料中的各种组分
v 进入配料中各种原料的含鉄量：
v TFe＝某原料含铁量×某原料干料配比，％
v 总铁量∑TFe＝各原料含鉄量之和
v 进入配料中各种原料的SiO2含量：
v SiO2＝某原料含SiO2量％×某原料干料配比，％
v 总SiO2量∑SiO2＝各原料含SiO2量之和
v 进入配料中各种原料的CaO含量
v CaO＝某原料CaO含量％×某原料干料配比，％
总CaO量∑CaO＝各原料含CaO量之和
（5）验算烧结矿R
（6）计算烧结矿的化学成份：
v TFe矿=各种原料带入的TFe之和/总残存量；
v SiO2矿=各种料带入的SiO2之和/总残存量；
v CaO矿=各种料带入的CaO之和/总残存量。
v 若验算的烧结矿碱度和烧结矿成分达到要求，则预定的配料比即为实际配料比。否则，应修正配比，重新计算，直至达到要求。
v 单烧法配料计算举例
v 例题：表2—1是烧结原料的成分，烧结矿技术规格是碱度R＝2.0±0.1，确定配料比。
表2-1 烧结原料的化学成分
v 解（1）估计各种原料的配料比
印度矿86.5%，生石灰8.5%；煤粉5%。
v （2）按照前述的计算方法进行计算并列表
v 1）干料量的计算
印度矿干料量＝86.5×（100－10.2）%＝77.677
同理可计算其它原料的干料量及总干料量，列入表2—2中。
v 2）烧成量的计算
印度矿的烧成量77.677×（100－4.26）%＝74.368
同理可计算其它原料的烧成量及总烧成量，列入表2—2中
v 3）带入烧结矿的铁含量的计算
印度矿的TFe＝77.677×60.53％＝47.018
同理可计算其它原料的铁含量及总铁含量，列入表2—2中
v 4）带入烧结矿中的SiO2量的计算
印度矿的SiO2＝77.677×3.42％＝2.657
同理计算其它原料的SiO2含量及总SiO2量，列入表2—2中。
v 5）带入烧结矿的CaO量的计算
印度矿的CaO＝77.677×0.12％＝0.093
同理可计算其它原料的CaO含量及总CaO量，列入表2—2中。
以上各个步骤的计算可直接列表，见表2—2。
表2—2 配料计算汇总表
v 6）验算
R=∑CaO/∑SiO2=6.504/3.197=2.03
TFe=100%×∑TFe /总烧成量=100%×47.018/82.622=56.91%
v 由上述配料比验算得到的烧结矿的碱度R＝2.03，接近烧结矿技术规格中心值。如果验算得到的烧结矿的碱度偏离烧结矿技术规格中心值。就要要对所假定的配料比进行适当的调整，使烧结矿的碱度调整到烧结矿技术规格的中心值附近。
3. 铁矿石经济性评价
v 在目前铁矿石资源紧张、铁矿种类繁多的情况下，对各种铁矿石进行经济性评价是非常必要的。选择那些能给企业带来效益的矿石，这是优化烧结原料结构和高炉炉料结构的前提，也是市场竞争的需要。
v 含铁量是指铁矿石的最重要的指标。应用吨矿价格与含铁量的比值（吨度价），即每1%铁份的价格来比较铁矿石的贵贱，是目前普遍采用的评价铁矿石经济性的方法。
v 铁矿石评价方法：
v （1）扣CaO 、MgO 铁品位法。
v （2）单烧品位法。
v （1）扣CaO 、MgO 铁品位法。
该法是将扣除铁矿石中CaO 、MgO计算出的品位视为铁矿石的含铁量，用此品位计算该铁矿石的吨度价。即
TFe扣 = TFe ÷(100-CaO-MgO )
吨度价 =矿石价格（干基）÷ TFe扣
v （2）单烧品位法。
该法是以一种铁矿石作含铁原料，按烧结矿技术规格要求，配加适当的熔剂和燃料，使其碱度达到预定的规格，这样所得出的烧结矿的含铁量称为该种铁矿石的单烧值（见配料计算），根据各种原燃料价格和配比计算出吨矿的原料成本，用单烧值计算烧结矿的吨度价。
v 吨矿配料成本=（矿石配比×矿石价格＋生石灰配比×生石灰价格＋煤粉配比×矿石价格）÷总烧成量
注：所有原燃料的价格为湿基价格。
v 烧结矿吨度价=吨矿配料成本÷矿石单烧值