炼铁学教案

第页第二次课授课时间：教学时间分配：复习旧课5分钟讲授新课95分钟教学方法简介（此部分主要填写教师对一些新的教学方法的尝试，有则填，无则不填）课题：第二节炼铁用原料课前复习：钢铁含义、区别；钢铁工业在国民经济中具有的地位；现代钢铁生产工艺流程；炼铁所用原料。本次课要求：了解高炉使用喷吹燃料、使用熔剂情况；理解并掌握高炉冶炼中焦炭所起的作用；熟悉高炉用焦炭质量要求；碱性熔剂化学成分与要求。掌握铁矿石化学成分、冶金性能及与高炉冶炼关系；高炉冶炼对铁矿石质量要求。授课内容：一、铁矿石1．矿物、岩石、矿石与铁矿石含义矿物是指地壳中的化学元素，经各种地质作用（自然的物理化学作用或生物作用）所形成的自然元素或化合物。它具有较均一的化学成分和内部结晶构造，因而具有一定的物理性质和化学性质。绝大多数矿物都是以天然化合物形态存在，如磁铁矿物（Fe3O4）、黄铁矿(FeS2)等。只有极少数为天然元素，如自然铜、石墨、自然硫等。矿石和岩石均由矿物所组成，是矿物的集合体。从组成上看矿石和岩石可以说是混合物。岩石状态呈固态。矿石是指在现有技术经济条件下能从中提炼出金属或有用矿物的物质。能够用来炼铁的矿石称为铁矿石。矿石是一个相对的概念，随着国民经济需要量的增长和科学技术的发展，有的岩石今后可能成为矿石而加以开采利用。按矿石中所能提取有用成分的多少，矿石可分为简单矿石和复合矿石。前者是只能从中提取一种有用成分的矿石，后者则可从中同时提取两种或两种以上有用成分的矿石。第页矿石由有用矿物和脉石矿物组成。能经济有效利用的矿物称为有用矿物，而目前不能经济有效利用的矿物称为脉石矿物。铁矿石：在现有的技术经济条件下能经济有效地能从中提炼出有用的铁金属或金属化合物的岩石。铁矿石中矿物组成分类：按冶炼过程有效性区分，铁矿石中的矿物可分为两大类型:(1)铁矿物；(2)脉石。2．铁矿石的分类地壳中铁的贮量及铁矿石中铁的存在形态：铁在地壳中贮量占有4.2%，居第四位；而铁在铁矿石中是以铁主要是以氧化物形态而存在的。根据含铁矿物的主要性质，按其矿物组成，通常将铁矿石分为以下四大类：（1）磁铁矿矿石主要含铁矿物为磁铁矿，化学式为Fe3O4，理论含铁量为72.4%，实际富磁铁矿石含铁量为40~70%。结构致密、晶粒细小、颜色和条痕均为黑色。有强磁性、S、P含量高、还原性差。脉石成分主要为石英、硅酸盐与碳酸盐，是我国当前主要的矿种。在我国，磁铁矿石主要产于鞍山、本溪、冀东等地。有的磁铁矿矿石中还含有TiO2、V2O5等成分，当其含量高达一定程度时，称为钛磁铁矿或钒钛磁铁矿。此为复合磁铁矿石，可综合利用。我国攀枝花地区拥有十分丰富的钒钛磁铁矿矿石。（2）赤铁矿矿石主要含铁矿物为赤铁矿，化学式为Fe2O3，理论含铁量为70%，实际富赤铁矿石含铁量为55~60%。颜色、条痕均为樱红色，具有弱磁性。与磁铁矿相比，结构较软，较易破碎。S、P量一般较低。还原性好。脉石多为石英和硅酸盐。我国鞍山、宜化等地有相当的储量。赤铁矿矿石是地壳储量最丰富和目前开采量最大的一种矿石。（3）褐铁矿矿石主要含铁矿物为结晶水的三氧化二铁，化学式可用mFe2O3·nH2O(m=1~3，n=1~4)表示，理论含铁量为55.2%~66.1%，实际富褐铁矿石含铁量为37~55%。自然界中的褐铁矿石绝大部分以2Fe2O3·3H2O的形态存在。颜色为黑色到褐色，无磁性，有害杂质S、P、As含量一般较高，焙烧后还原性好。脉石主要为砂质粘土和石英等。在我国主要产于平定、云浮等地。第页（4）菱铁矿矿石主要含铁矿物为菱铁矿，化学式为FeCO3，理论含铁量为48.2%，实际富菱铁矿石含铁量为30~40%。颜色为灰色带黄褐色，无磁性。菱铁矿矿石经过焙烧，分解出CO2气体，含铁量即提高，矿石也变得疏松多孔，易破碎，还原性好，S、P含量低。我国威远、新化等地有少量生产，储量不多。世界铁矿石资源丰富，8O%富矿集中在巴西、澳大利亚、南非和印度苏联铁矿石储量为1140亿吨，占世界总储量32.6%，但品位不高，均需进行较复杂的选矿。澳大利亚国家矿产资源多产赤铁矿物，且多属于富矿。我国攀西地区及东北鞍山地区矿产资源主要产磁铁矿石，且多属贫矿。3．对铁矿石的评价及高炉冶炼对铁矿石的质量要求评价铁矿石质量好坏指标主要有：含铁量（品位）；脉石成分、数量及分布；有害元素的含量；有益元素的含量；矿石的还原性；矿石的高温性能等。高炉冶炼对铁矿石质量要求指标主要有：含铁量（品位）；脉石成分、数量及分布；有害元素的含量；有益元素的含量；矿石的还原性；矿石的高温性能；粒度、气孔度；机械强度；软融性及以上各指标的相对稳定性等（1）含铁量（品位）单位质量的铁矿石中铁所占的重量称铁矿石的含铁量（又称为铁品位）。矿石品位基本上决定了铁矿石的价格。铁矿石品位高低对高炉冶炼的影响：1）铁矿石品位高低直接决定高炉铁产量。铁品位越高，则高炉产量越高，反之高炉产量越低；2）铁矿石品位高低影响高炉焦比，从而影响高炉冶炼成本。铁矿石品位高，则铁矿石中脉石成分数量就少，高炉冶炼中由脉石而产生的渣量则少，渣量少时渣熔化所消耗的热量就少，从而焦比就低。反之，焦比就高。（2）脉石成分、数量铁矿石中常见的脉石成分主要有：SiO2、CaO、MgO、Al2O3等。在我国铁矿石中脉石主要是以SiO2形态存在，由于SiO2呈酸性，该种铁矿石脉石属于酸性脉石（酸性脉石：铁矿石中的脉石以酸性氧化物为主的脉石。碱性脉石：铁矿石中的脉石以碱性氧化物为主的第页脉石。）高炉冶炼中脉石的变化行为：铁矿石中的脉石与熔剂作用，形成低熔点化合物，熔化成液态渣，与液态铁分离。（3）有害元素、有益元素的含量有害元素含义：指铁矿石中含有的对高炉冶炼过程或冶炼产品生产的后序产品质量有危害的元素。铁矿石中有害元素包括：S、P（常见的）、Cu、Pb、Zn、As、K、Na等。其中S、P对钢质量有害，而Pb、Zn、As、K、Na等在高炉内易于还原而对高炉冶炼过程产生危害，它们可能在高炉冶炼过程产生炉瘤、或变成不溶于铁中的液态金属沉积入炉衬中。有害元素的处理方法：主要是在铁矿石入炉前的准备处理过程中采用一定的方法而将有害元素去除。有益元素：矿石中与铁伴生的可被还原并进入生铁，并能改善钢铁材料的元素。铁矿石中伴生的有益元素若达到单独分离提取程度，矿石可综合开发利用。（4）矿石的还原性含义：它是指矿石被气体还原剂还原的难易程度。矿石还原性好坏意义：矿石还原性愈好，则有利于降低高炉焦比，反之亦然。矿石还原性影响因素：主要有矿石的矿物组成、矿石的致密程度等因素。在四大类铁矿石中，赤铁矿的还原性较磁铁矿还原性好，而褐铁矿、菱铁矿经焙烧处理后，其还原性会得到改善。（5）矿石的软融性矿石的软融性包括软化温度和软化温度区间。矿石软化温度—指矿石在一定荷重条件下加热至变形的温度。矿石加热软化是矿石融化的前提。矿石软化温度高，矿石在高炉冶炼中软化熔融后所带热量也高。软化温度区间—指在一定荷重条件下加热开始变形至完全变形之间的温度区间。矿石在冶炼中处于软化温度区间时，矿石的气孔率会明显降低，不利于气体流过。一般高炉内矿石软化温度范围是高炉料柱透气性最差的地方。（6）矿石的粒度、气孔度高炉所用铁矿石理论上讲其形状制成球形最好。生产过程中铁矿石大小其近似球形的直径来表示，习惯上称为粒度。从矿石加热与还原要求看，入炉矿石粒度小些，但从矿石第页粒度大小对高炉透气性影响看，入炉矿石的粒度要求应大些，所以综合来看，入炉铁矿石的粒度选择在一定范围内。磁铁矿石入炉粒度一般要求在5mm~40mm。实际生产中每一次入炉矿的粒度还应达到一定级别要求。（7）矿石的机械强度含义：它是指矿石在运输过程耐挤压、耐磨损、耐冲击的能力。矿石机械强度高低对高炉冶炼影响：矿石机械强度低，在运输过程中易产生粉沫，会恶化高炉料柱的透气性；反之有利于改善高炉料柱的透气性。（8）以上各项指标的稳定性二、熔剂熔剂又称为助熔剂。1．高炉添加熔剂理由与作用理由主要是：入炉矿石中脉石成分及燃料中的灰分均呈酸性，或者说矿石中脉石或燃料中灰分主要成分均是SiO2。在高炉冶炼过程中若不添熔剂时，矿石中脉石成分及燃料中的灰分无法熔化，则不能与铁水分离，得不到纯净的铁水。熔剂作用：（1）熔剂与矿石中脉石成分及燃料中的灰分作用，生成低熔点化合物，在高炉冶炼过程熔化成液态渣，与生铁分离，以净化生铁。（2）通过控制熔剂添加数量，控制高炉冶炼中渣的数量与渣的性质，以利于在冶炼过程中去除有害杂质——硫，以提高生铁质量。2．熔剂种类与要求根据矿石中脉石酸碱性，对应高炉使用熔剂种类可分为三大类：碱性熔剂、酸性熔剂和中性熔剂。生产中常用的种类是碱性熔剂。而碱性熔剂所用的主要又是石灰石、白云石等。石灰石化学成分主要有：CaO、MgO，其次有SiO2、Al2O3及有害杂质S、P等。高炉冶炼对碱性熔剂要求：（1）有效成分（一般指熔剂有效熔剂性）要高；（2）有害杂质S、P含量要低；（3）块度和机械强度要合适。第页熔剂的有效熔剂性含义：按高炉炉渣碱度要求，扣除熔剂本身酸性氧化物造渣所消耗的碱性氧化物外，熔剂中剩余的碱性氧化物的含量。三、高炉燃料燃料是高炉冶炼不可缺少的主要原料之一。现代高炉冶炼的原料以冶金焦为主。随着钢铁工业的发展，优质冶金焦的需用量日益增多，而从目前国内外已查明的煤炭资源看，作为冶金焦用的煤种所占的比例不大，不能满足生产飞跃发展的需要。为了节约焦炭的用量。合理充分地利用资源，已广泛发展非炼焦煤的炼焦技术和高炉喷吹技术，使高炉所用的燃料种类增多，。1．焦炭作用焦炭是用炼焦煤在隔绝空气的条件下，经过高温干馏作用而形成。用于高炉冶炼时，作用如下：（1）起发热剂作用；（2）起还原剂作用；（3）起料柱骨架和改善料柱透气性作用；（4）生铁渗碳，作生铁一个组成成分。2．高炉冶炼对焦炭质量的要求由于焦炭在高炉冶炼中起着上述四个方面作用，且它在高炉内占的数量很大，因此高炉要求焦炭的可燃性好、化学成分稳定、灰分低、固体碳高、硫磷有害杂质少、粒度均匀、机械强度好和具有足够的气孔率等。焦炭工业全分析成分包括：固定碳、灰分、挥发分、有害杂质和水分。固定碳是焦炭主要成分，其数量高低直接影响焦炭的发热值，此值越高，焦炭发热值越高，反之亦然。同时，焦炭起还原剂作用也由固定碳决定。因此要求焦炭固定碳含量要高。高炉入炉料中带入总硫量中，焦炭带入的硫量占到80%左右，又因硫对钢材是有害物质，在高炉冶炼中应尽量脱除，为减轻高炉冶炼脱硫任务，必须控制焦炭中的含硫量。焦炭的挥发分是指由炼焦过程产生被密封在焦炭中的含C、H、O等元素的有机物。一般要求在0.7%-1.2%。焦炭中的水分是由湿法熄焦时渗入的，一般为2%-5%。水分含量升高时，实际入炉的干焦量会，反之亦然，这样必然引起高炉炉温的波动。筛分组成是衡量焦炭粒度均匀性的指标。筛分组成---用80×80、60×60、40×40的冲孔筛筛分，筛分后称量各级焦炭重量占总重量第页的百分数。大型高炉要求焦炭粒度一般应大于40mm，中型高炉焦炭粒度应大于25mm。入炉焦炭是否均匀可用焦炭均匀性系数衡量，均匀性系数K按下式计算：40~258080~40CBAK焦炭的机械强度是指焦炭耐磨性能、抗冲击性能和抗压强度。要求焦炭的机械强度要高。焦炭的物理化学性质是指焦炭的可燃性好坏。它包括焦炭的燃烧性和反应性两个方面。一般要求焦炭的燃烧性要好。而焦炭的反应性好不利于焦炭燃烧性作用的发挥，一般在高炉内焦炭的反应发生在高炉的风口以上。单独从焦炭燃烧性考虑，应要求焦炭的反应性应差一些。但高温下，反应性好的焦炭其燃烧性也好，所以在高温下，要求焦炭的反应性和燃烧性要好。3．其它燃料高炉上可用的其它燃料有热压型焦、冷压型焦、铁焦和喷吹燃料。喷吹用燃料有固体燃料煤粉、液体燃料重油和气体燃料天然气。目前大多数高炉喷吹固体燃料煤粉。各种喷吹燃料的理化性能。高炉使用喷吹燃料主要目的用喷吹燃料取代部分焦炭，即节焦，但不能完全取代焦炭。课后作业与思考题：1．高炉冶炼中焦炭起何作用？2．高炉冶炼对铁矿石质量有何要求？3．铁矿石中脉石成分常见的有哪些？