钢铁冶金学(炼铁部分)

第一章概论

1、试述3种钢铁生产工艺的特点。

答：钢铁冶金的任务：把铁矿石炼成合格的钢。工艺流程：①还原熔化过程（炼铁）：铁矿石→去脉石、杂质和氧→铁；②氧化精炼过程（炼钢）：铁→精炼（脱C、Si、P等）→钢。

高炉炼铁工艺流程：对原料要求高，面临能源和环保等挑战，但产量高，目前来说仍占有优势，在钢铁联合企业中发挥这重大作用。

直接还原和熔融还原炼铁工艺流程：适应性大，但生产规模小、产量低，而且很多技术问题还有待解决和完善。

2、简述高炉冶炼过程的特点及三大主要过程。

答：特点：①在逆流（炉料下降及煤气上升）过程中，完成复杂的物理化学反应；

②在投入（装料）及产出（铁、渣、煤气）之外，无法直接观察炉反应过程，只能凭借仪器仪表简介观察；③维持高炉顺行（保证煤气流合理分布及炉料均匀下降）是冶炼过程的关键。

三大过程：①还原过程：实现矿石中金属元素（主要是铁）和氧元素的化学分离；②造渣过程：实现已还原的金属与脉石的熔融态机械分离；③传热及渣铁反应过程：实现成分与温度均合格的液态铁水。

3、画出高炉本体图，并在其图上标明四大系统。

答：煤气系统、上料系统、渣铁系统、送风系统。

4、归纳高炉炼铁对铁矿石的质量要求。

答：①高的含铁品位。矿石品位基本上决定了矿石的价格，即冶炼的经济性。②矿石中脉石的成分和分布合适。脉石中SiO2和Al2O3要少，CaO多，MgO含量合适。③有害元素的含量要少。S、P、As、Cu对钢铁产品性能有害，K、Na、Zn、Pb、F对炉衬和高炉顺行有害。④有益元素要适当。Mn、Cr、Ni、V、Ti 等和稀土元素对提高钢产品性能有利。上述元素多时，高炉冶炼会出现一定的问题，要考虑冶炼的特殊性。⑤矿石的还原性要好。矿石在炉被煤气还原的难易程度称为还原性。褐铁矿大于赤铁矿大于磁铁矿，人造富矿大于天然铁矿，疏松结构、微气孔多的矿石还原性好。⑥冶金性能优良。冷态、热态强度好，软化熔融温度高、区间窄。⑦粒度分布合适。太大，对还原不利；太小，对顺行不利。5、试述焦炭在高炉炼铁中的三大作用及其质量要求。

答：焦炭在高炉的作用：（1）热源：在风口前燃烧，提供冶炼所需的热量；（2）还原剂：固体碳及其氧化产物CO是氧化物的还原剂；（3）骨架作用：焦炭作为软融带以下唯一的以固态存在的物料，是支撑高达数十米料柱的骨架，同时又是煤气得以自下而上畅通流动的透气通路；（4）铁水渗碳。

质量的要求：粒度适中、足够的强度、灰分少、硫含量少、挥发成分含量合适、反应性弱（C+CO2=2CO）、固定C高等。

6、试述高炉喷吹用煤粉的质量要求。

答：1、灰分含量低、固定碳量高；2、含硫量少；3、可磨性好；4、粒度细；5、爆炸性弱，以确保在制备及输送过程中的人身及设备安全；6、燃烧性和反应性好。

7、熟练掌握高炉冶炼主要技术经济指标的表达方式。

η：每M3高炉有效容积每昼夜生产的合格铁量答：1、有效容积利用系数

u

(T/M 3.d)。

2、焦比：冶炼每吨生铁所消耗焦炭的千克数(kg/T)。

3、煤比：冶炼每吨生铁所消耗的煤粉的千克数(kg/T)。

4、燃料比(焦比+煤比+油比)：冶炼每吨生铁所消耗的固体和液体燃料的总和(kg/T)。

5、综合焦比(焦比+煤比×煤焦置换比)

)

()()()(t kg 产量折算合格生铁干焦耗用量入炉焦比折算= )()()()(t kg 产量折算合格生铁综合干焦耗用量综合焦比折算=

6、煤焦置换比：喷吹1kg 煤粉所能替代的焦炭的kg 数。一般为0.8～1.0(不包括褐煤)。

7、焦炭冶炼强度：每M 3高炉有效容积每昼夜燃烧的焦炭吨数(t/ M 3.d)。通常为0.8～1.0t/M 3.d 。

8、综合冶炼强度：每M 3高炉有效容积每昼夜燃烧的综合焦炭的吨数(t/M 3.d)。一般为0.9～1.15t/M 3.d 。

9、利用系数、焦比及冶炼强度三者关系：纯焦冶炼时，利用系数＝焦炭冶炼强度/焦比；喷吹燃料时：利用系数＝综合冶炼强度/综合焦比。

10、燃烧强度：每M 3炉缸截面积每昼夜燃烧的焦炭的吨数(t/ M 3.d)

11、工序能耗Ci ＝(燃料消耗+动力消耗-回收二次能源)/产品产量(吨标准煤/T)，1kg 标准煤的发热量为29310 kJ(7000千卡)。

注：

1、把铁矿石炼成合格的钢：①还原熔化过程（炼铁）：铁矿石→去脉石、杂质和氧→铁；②氧化精炼过程（炼钢）：铁→精炼（脱C 、Si 、P 等）→钢。

2、高炉原料：①铁矿石（凡是在当前的技术条件下，可经济地提取出金属铁的岩石，称为铁矿石。地壳中Fe 元素居第四位，占4.2 ％；在鉄矿石中不存在纯金属的铁，而是以氧化物、硫化物的形式存在；除含Fe 氧化物外，含有其他化合物，统称为脉石，常见的SiO 2、Al 2O

3、CaO 、MgO 。）：天然富矿、人造富矿（烧结矿、球团矿）；②熔剂：碱性熔剂（石灰、石灰石、白云石）、酸性熔剂（硅石）、特殊熔剂（萤石）；③其他含铁代用品(要求含铁梁高、杂质少、有一定的块度)：高炉和转炉炉尘、残铁、轧钢铁皮、硫酸渣。

3、铁矿石的分类：赤铁矿(Fe 2O 3)，理论含Fe70％，红条痕，较软，易还原；铁矿(Fe 3O 4)，理论含Fe72.4％，黑条痕，较硬，难还原；褐铁矿(xFe 2O 3.yH 2O)，黄褐条痕，疏松多孔，易还原；菱铁矿(FeCO 3)，理论含Fe48.2％，灰黄条

痕，焙烧后易还原。 由于地表的氧化作用，自然界中纯磁铁矿少见。磁铁矿变成：半假象赤铁矿（Fe/FeO 在3.5-7）或假象赤铁矿（Fe/FeO>7）。所谓假象：化学成分：Fe 3O 432e O F →，结晶构造不变，保持磁铁矿特征。

4、高炉燃料：气体燃料（焦炉煤气、高炉煤气）用于热风炉；固体燃料（焦炭、煤粉）用于高炉本体。

第二章铁矿粉造块

1、试述高炉冶炼对含铁原料的要求，如何达到这些要求？

答：贫矿经选矿后的精矿粉经造块（烧结或球团过程），可改善矿石的冶金性能，脱去某些杂质（S、P、K、Na等），并综合利用大量粉尘和烟尘。

2、简述固相反应的特点及对烧结反应的影响。

答：在一定温度下，某些离子克服晶格结合力，进行位置交换，并扩散到与之相邻的其它晶格的过程，称为固相反应。

特点：反应温度远低于固相反应物的熔点或它们的低共熔点；温度高有利于固相反应的进行；固相反应受化学组成的影响，虽不能形成有效的固相连接，但为液相的生成提供了前提条件(低熔点的固相反应产物)。

3、简述烧结矿的固结机理，何种液相利于烧结矿质量的提高？

答：固结机理：烧结物料中主要矿物是高熔点的，当被加热到一定温度时，各组分间有了固相反应，生成新的能与原组分形成具有低共熔点的化合物，使得它们在较低的温度下生成液相，开始熔融。熔融的液态物质冷却时成为那些尚未溶入液相的颗粒的坚固的连接桥，从而实现固结。

粘结相由铁酸钙组成。可使烧结矿的强度和还原性同时得到提高。这是因为：①铁酸钙(CF)自身的强度和还原性都很好;②铁酸钙是固相反应的最初产物，熔点低，生成速度快，超过正硅酸钙的生成速度，能使烧结矿中的游离CaO和正硅酸钙减少，提高烧结矿的强度;③由于铁酸钙能在较低温度下通过固相反应生成，减少Fe2O3和Fe3O4的分解和还原，从而抑制铁橄榄石的形成；改善烧结矿的还原性。

4、改善烧结料层透气性的对策如何？

5、试述烧结生产中“自动蓄热现象”扬长避短的技术对策。

答：扬长：厚料层烧结技术正是基于自动蓄热技术的，为降低固体燃料提供了可能，也为低温烧结技术创造了有利条件。同时对改善烧结矿质量亦有好处。

避短：自动蓄热现象导致烧结料层上下热量不均匀，上部热量不足，下部过剩。所以应该控制燃料在料层高度上的分布，以降低燃料消耗，节约能量。

6、试述低温烧结理论的要点。

答：高碱度下生成的钙的铁酸盐——铁酸钙，不仅还原性好，而且强度也高。

铁酸钙主要是由Fe2O3和CaO组成。烧结温度超过1300℃后，Fe2O3易发生热分解，形成Fe3O4和FeO，而Fe3O4是不能与CaO结合的。相反，FeO的出现会导致2FeO?SiO2，CaO?FeO?SiO2的生成，从而恶化还原性。

不同形态的铁酸钙组成的烧结矿，其质量是不同的；而烧结温度对铁酸钙的形态影响显著。

为了生成铁酸钙矿物，需要实现低温烧结工艺。

7、归纳影响烧结矿强度的因素。

8、简述影响烧结矿还原性的因素以及提高还原性的主攻方向。

9、简述铁精矿粉的成球机理，并讨论其影响因素。

答：铁精粉粒度小，表面能大，存在着以降低表面力来降低表面能的倾向，易发生吸附现象。含铁粉料多为氧化矿物，易吸附水。其中部分水在微细空隙中产生凹液面，具有将细粒了挤向水滴而凝聚的作用。即毛细水对成球过程的主导作用。加水润湿的同时，机械滚动作用使靠水润湿产生的母球被挤压，毛细结构变化，挤出毛细水，过湿表面又吸附分矿使母球长大。

形成母球。母球是造球的核心，靠加水润湿产生

母球长大(机械力＋润湿作用)。滚动中压紧→毛细结构变化→挤出毛细水→过湿表面又粘附粉矿→母球长大

生球压实(机械力作用)。使矿粉颗粒以最紧密方式排列，最大限度发挥水的分子引力、毛细管力以及物料的摩擦阻力，使生球强度大大提高。

10、简述氧化球团矿的焙烧固结机理。

答：1）Fe2O3的微晶键连接：磁铁矿生球在氧化气氛中焙烧时，当加热到200～300℃就开始氧化形成Fe2O3微晶。由于新生的Fe2O3微晶中原子迁移能力较强，在各个颗粒的接触面上长大成“连接桥”（又称Fe2O3微晶键），使颗粒互相连接起来。在900℃以下焙烧时，这种连接形式使球团矿具有一定的强度。但由于温度低，Fe2O3微晶长大有限，因此仅靠这种形式连接起来的球团矿强度是不够。2）Fe2O3的再结晶：当磁铁矿生球在氧化性气氛下继续加热到1000～1300℃时，磁铁矿可全部转变成赤铁矿，而由磁铁矿氧化形成的Fe2O3微晶开始再结晶，使一个个相互隔开的微晶长大成连成一片的赤铁矿晶体，使球团矿具有很高的氧化度和强度。

3)在缺乏氧气的地方温度达到一定水平时，磁铁矿颗粒也能够通过扩散产生Fe3O4晶键连接，然后再更高温度下，发生Fe3O4的再结晶和晶粒长大，使磁铁矿颗粒结合成一个整体。

4）液相粘结：两颗矿粒被液相粘结起来，如果生产酸性球团矿，在氧化气氛中，可能产生的液相为低熔点的脉石矿物或添加剂藻土等。在中性或弱还原性气氛中焙烧，则磁铁矿与脉石中的二氧化硅反应，产生2FeO.SiO2液相。

注：

1、烧结矿—加入CaO，还原性；球团矿—加入MgO，软熔性能。

2、散粒物料聚结现象是颗粒间相互联结力与相互排斥力作用的结果，结合力＝联结力－排斥力(重力)。

3、烧结过程矿层分布：烧结矿层—上冷下热，约40～50 mm为脆性层(T低、急冷)，冷烧结矿层和热烧结矿层；燃烧层—即烧结层，厚度约为15～50mm，温度为1100～1400℃，主要反应为燃烧反应；预热层—厚度为20～40 mm，特点是热交换剧烈，温度快速下降，主要反应为水分蒸发、结晶水及石灰石分解、矿石氧化还原及固相反应；冷料层—即过湿层，上层带入的水分由于温度低而凝结，过多的重力水使混合料小球被破坏 影响料层透气性；垫底料层—为保护烧结机炉篦子不因燃烧带下移而烧坏。

4、a)磁铁矿、赤铁矿、铁酸一钙、铁橄榄石有较高强度，其次为钙铁橄榄石及铁酸二钙，最差的是玻璃相。b)赤铁矿、磁铁矿和铁酸一钙容易还原，铁酸二钙还原性较差，玻璃体、钙铁橄榄石、钙铁辉石，特别是铁橄榄石难以还原。c)烧结矿中以强度好的组分为主要粘结相，烧结矿的强度就好。以还原性好的组分为主要粘结相，且气孔率高、晶粒嵌布松弛、裂纹多的烧结矿易还原。

5、欲提高产量，需改善料层透气性；可提高抽风负压；透气性和负压不变时，增加料层高度会导致产量下降；透气性指数P与烧结料粒径d成正比，与料层孔隙率ε成正比。

6、“自蓄热作用”，即随烧结矿层的下移，料层温度最高值逐渐升高。自蓄热来源于被上层热烧结矿预热了的空气以及自上层带入的热废气加热冷料的作用。“自蓄热作用”是厚料层烧结技术的理论基础。厚料层烧结可降低能源以及提高成品率。烧结自动蓄热作用，为降低固体燃料提供了可能，也为低温烧结技术创造了有利条件。

7、HPS（小球烧结法）：将烧结混合料用圆盘造球机预先制成一定粒度的

小球(粒度上限为6～8mm)，然后使小球外裹部分燃料，最后铺在烧结台车上进行烧结的造块新工艺。

8、球团矿机械强度好，粒度均匀。按固结方式分类——氧化焙烧球团、冷固球团；按碱度分类——酸性球团、熔剂性球团。

9、生球干燥目的：避免焙烧过程的急速加热而使球团爆裂；促进添加剂的粘结桥形成，以获得生球的热强度。

10、①硫在钢凝固过程中以Fe－FeS共晶形式凝固在晶界上，在加热过程中先熔化，造成“热脆”现象。②磷化物聚集在晶界周围减弱晶粒间结合力，使钢冷却时发生很大的脆性，从而导致钢的“冷脆”现象。③当铜含量超过0.3%时，钢的焊接性能降低，并产生“热脆”现象。④铅的密度大于铁水，极易渗入砖缝，破坏炉底砌砖。另外，铅在高炉有富集现象，造成高炉结瘤。⑤锌在高炉有挥发现象，在炉低温处可冷凝沉淀，使砖缝膨胀，严重时会引起高炉结瘤。⑥砷能使钢增加脆性，并使钢的焊接性能变坏。⑦氟过高会使炉成渣过早，不利于矿石还原，且其渣会侵蚀高炉风口及炉衬。氟有循环富集现象，与碱金属结合是造成高炉结瘤的原因之一。⑧碱金属在炉有“自动富集”倾向，会破坏炉衬，造成炉墙结厚和结瘤；破坏焦炭的高温强度，扩大直接还原，导致焦比上升；降低人造富矿的热强度，破坏高炉顺行。

11、广义的炉料结构优化概念：各种含铁原料的搭配模式、各种含铁原料质量的优化、基于成本合理的炉料构成。

容：资源条件、原料特性、高炉需求。