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

判断及炉况异常的处理、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、

转炉炉衬材料及维护、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思考题，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。

前言

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、高炉炉况判断及炉况异常的处理、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、转炉炉衬材料及维护、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

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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)

第五章高炉炉况判断及炉况异常的处理 (92)

第六章高炉技术的发展 (108)

第七章炼钢的原材料 (117)

第八章炼钢基本原理 (133)

第九章铁水预处理 (146)

第十章转炉炼钢工艺 (156)

第十一章转炉炉衬材料及维护 (188)

第十二章电炉冶炼工艺 (199)

第十三章炼钢技术的发展 (243)

一、炼钢工艺方面 (243)

3．多段炼钢少渣吹炼 (244)

6．连续炼钢 (245)

二、电炉炼钢方面 (246)

3．超高功率电弧炉 (247)

4．电弧炉偏心炉底出钢 (248)

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”就是我国掌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l8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世纪英国和俄国首先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，逐渐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lOOt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。l943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l5.8万t。

新中国成立后，我国于l953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l．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l364万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l.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2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，已基本上被淘汰。

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。l996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年我国粗钢产量已达到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；平炉炼钢法则被淘汰。

目前炼钢的生产流程主要有以下两种：

铁水→铁水预处理→氧气转炉→初炼钢水→炉外精炼→连铸机→连铸坯

废钢→电弧炉→初炼钢水→炉外精炼→连铸机→连铸坯

二、高炉冶炼产品

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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、数量和化学成分逐渐发生变化，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，其物理形态和化学成分逐渐发生变化，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、锰、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，后者主要是锰铁和硅铁。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，这个比例还将继续提高。

我国现行生铁标准如下表所示。

表1-1 炼钢生铁国家标准(GB 717—82)

表1-2铸造生铁国家标准(GB 718—82)

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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Ca0、Mg0、Si02、Al 203及少量的Mn0、Fe0、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l50-300kg 。

3．煤气

高炉煤气的化学成分为C0、C02、H 2、N 2及少量的CH 4。由于煤气中含有可燃成分C0、H 2和

CH 4,经除尘脱水后作为燃料，其发热值约(800～900)34.18168kJ ／m 3 随着高炉能量利用的改善

而降低，每吨铁可产煤气2000～3000m 3。

高炉煤气是无色、无味的气体，有毒易爆炸。应加强煤气的使用管理。

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、Ca0等有用物质，可作为烧结的原料，每吨铁产炉尘为l0～100kg ，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效果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（）

式中

——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； ——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 ／(m 32d)，高的可达3．0t

／(m 32d)以上。

2．焦比(K)和燃料比(K f )

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式中 K —— 生产一吨生铁消耗的焦炭量；

Q ——高炉一昼夜消耗的干焦量。

式中

——冶炼一吨生铁消耗的焦炭和喷吹燃料的数量之和； ——高炉一昼夜消耗的干焦量和喷吹燃料之和。

如果只计算某种喷吹燃料的消耗，则分别表示煤比(M ——每吨生铁消耗的煤粉量)、油比(Y ——每吨生铁消耗的重油量)等。

焦比和燃料比是衡量高炉物资消耗，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般低于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计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()，即：

计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：

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：

生铁合格率是评价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：

休风率反映设备管理维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l％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，一般原燃料成本费占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，尤其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已达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、锰、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

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

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围内。

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。

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六炼钢生产主要技术经济指标

1．年产量

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——合格钢锭（坯）收得率，％；

T——每炉平均冶炼时间，h。

2．每炉钢产量

3．作业率

式中工作日(d)=日历时间(d)—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：

(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：

5．每炉钢冶炼时间

6．转炉炉龄(炉衬寿命)

7．按计划出钢率

8．钢锭合格率

9．钢锭收得率

10．原材料消耗

11．电炉电耗

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12．

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?

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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，一般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Fe3O4，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Fe2O3，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nFe2O32mH2O(n= 1～3，m=1～4)。褐铁矿中绝大部分含铁矿物是以2Fe2O323H2O的形式存在的。

4．菱铁矿

菱铁矿化学式为FeC03，颜色为灰色带黄褐色。菱铁矿经过焙烧，分解出C02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2-1。

表2—1 铁矿石的分类及其特性

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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，化学成分稳定，粒度均匀，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。品位是评价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。根据生产经验，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，含铁量一般在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。一般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，SiO2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Si02作用造渣。铁矿石中Si02含量愈高，需加入的石灰石也愈多，生成的渣量也愈多，这样，将使焦比升高，产量下降。所以要求铁矿石中含Si02愈低愈好。

脉石中含碱性氧化物(Ca0、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

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矿石中的有害杂质是指那些对冶炼有妨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。

(1)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，硫化物首先熔化，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，使铸件产生气孔、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，最高允许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％。

(2)磷

磷也是钢材的有害成分。以Fe2P、Fe3P形态溶于铁水。因为磷化物是脆性物质，冷凝时聚集于钢的晶界周围，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，渗入砖缝破坏炉底砌砖，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。一般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)砷

砷在矿石中含量较少。与磷相似，在高炉冶炼过程中全部被还原进入生铁，钢中含砷也会使钢材产生“冷脆”现象，并降低钢材焊接性能。要求矿石中的含砷质量分数小于0．07％。

(5)碱金属

碱金属主要指钾和钠。一般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，从而反复循环积累。其危害主要为：与炉衬作用生成钾霞石

(K2O2A12O322SiO2)，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(CK8、CNa8)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。

(6)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。一般铁矿石允许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。如锰(Mn)、铬(Cr)、钴(Co)、镍(Ni)、钒(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。

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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C0或H2还原的难易程度。它是一项评价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。一般磁铁矿因结构致密，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CO2后，矿石气孔率增加。烧结矿和球团矿的气孔率高，其还原性一般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围。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定性

铁矿石的各项理化指标保持相对稳定，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、有害杂质含量的稳定性尤为重要。高炉冶炼要求成分波动范围:含铁原料TFe<±0．5％～l．0％；ω(SiO2)<±0．2％～0．3％；烧结矿的碱度为±0．03～0．1。

为了确保矿石成分的稳定，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，一般要经过破碎、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，破碎一般都要分段进行，根据破碎的粒度，可分为粗碎、中碎、细碎和粉碎。

粗碎：从l300～500mm破碎到400～125mm；

中碎：从400～125mm破碎到100～25mm；

细碎：从l00～25mm破碎到25～5mm；

粉碎：从<5mm破碎到

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颚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。

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图2—1 破碎机的工作原理示意图

(a)颚式破碎机；(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l500次左右，振幅达0．5～12mm，筛面与水平面成l0°～40°的倾角。矿石规定的入炉粒度若在8～35mm范围时，可分为二级入炉，8～20mm为一级，20～35mm 为一级，分级入炉比混合入炉的效果好。

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，适用粒度范围广。

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。其目的在于稳定铁矿石的化学成分，从而稳定高炉操作，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，一般每层厚度为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

C02，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。

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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，在不均匀的磁场中，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，选择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(CaC03)和白云石(CaC032MgC03)。

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(Si02)、均热炉渣(主要成分为2FeO2Si02)及含酸性脉石的贫铁矿等。生产中用酸性熔剂的很少，只有在某些特殊情况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A1203很少，渣中A1203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，如铁钒土。生产上极少遇到这种情况。

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(Si02+A1203)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。一般要求石灰石中Ca0的质量分数不低于50％，Si02+A1203的质量分数不超过3．5％。

熔剂的有效熔剂性是评价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：

当熔剂中与炉渣中Mg0含量很少时，计算式可简化为：

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。石灰石中一般硫的质量分数只有0．01％～0．08％，磷的质量分数为0．001％～0．03％。

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3)要有较高的机械强度，粒度要均匀，大小适中。适宜的石灰石入炉粒度范围是：大中型高炉为20～50mm，小型高炉为l0～30mm。

当炉渣黏稠引起炉况失常时，还可短期适量加入萤石(CaF2)，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％，焦炭仍然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，尤其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维持。

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。固定碳按下式计算：

ω(C固)=[100—(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l％，可降低焦比2％。焦炭中灰分的主要成分是Si02、A12O3。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l％，焦比升高2％，产量降低3％。我国冶金焦炭灰分一般为11％～l4％。

(2)硫和磷在一般冶炼条件下，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，但仍然有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。焦炭中含磷一般较少。

(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H2、CH4、N2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。正常情况下，挥发分一般在0．7％～l．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定，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

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(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。

目前我国一般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φ40mm和声φl0mm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l0mm的焦炭占试样总量的百分比(以M10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。一般要求M40≥72％，M l0≤10％。

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)粒度均匀、粉末少对于焦炭粒度，既要求块度大小合适，又要求粒度均匀。大型高炉焦炭粒度范围为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C02的速度，即燃烧速度。其反应式为：

C+02=C02

反应性是指焦炭在一定温度下和C02作用生成C0的速度。反应式为：

C+C02=2CO

若这些反应速度快，则表明燃烧性和反应性好。一般认为，为了提高炉顶煤气中的CO2含量，改善煤气利用程度，在较低温度下，希望焦炭的反应性差些为好；为了扩大燃烧带，使炉缸温度及煤气流分布更为合理，使炉料顺利下降，亦希望焦炭的燃烧性差一些为好。但焦炭的燃烧性、反应性究竟在多大程度上影响高炉冶炼，有待于进一步研究。

三、炼焦生产工艺流程

炼焦生产工艺流程如图2-2所示。

图2-2 炼焦生产工艺流程

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现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。

1 洗煤是原煤在炼焦之前，先进行洗选，目的是降低煤中所含的灰分和去除其他杂质。

2 配煤是将各种结焦性能不同的煤按一定比例配合炼焦，目的是在保证焦炭质量的前提下，扩大炼焦用煤的使用范围，合理地利用国家资源，并尽可能地多得到一些化工产品。

3 炼焦是将配合好的煤装入炼焦炉的炭化室，在隔绝空气的条件下通过两侧燃烧室加热干馏，经过一定时间，最后形成焦炭。生产中结焦过程是在焦炉炭化室内进行的，炭化室中的煤料受到两侧燃烧室加热，热流从两侧炉墙同时传递到炭化室中心。因此，结焦过程也是从靠近炉墙的煤料开始逐渐向中心移动。在整个结焦时间内，炭化室中的煤料是分层变化的，靠近炉墙的先成熟，中心煤料最后成熟。因此，在沿炭化室宽度方向上，焦炭质量是不均匀的。靠墙处焦炭强度好，中心部分焦炭疏松多孔，强度差。炭化室内成焦过程如图2—3所示。

图2-3 结焦过程示意图

4 炼焦的产品处理是将炉内推出的红热焦炭送去熄焦塔熄火，然后进行破碎、筛分、分级、获得不同粒度的焦炭产品，分别送往高炉及烧结等用户。熄焦方法有干法和湿法两种。湿法熄焦是把红热焦炭运至熄焦塔，用高压水喷淋60～90s。干法熄焦是将红热的焦炭放入熄焦室内，用惰性气体循环回收焦炭的物理热，时间为2～4h。

在炼焦过程中还会产生炼焦煤气及多种化学产品。焦炉煤气是烧结、炼焦、炼铁、炼钢和轧钢生产的主要燃料。各种化学产品是化学、农药、医药和国防工业部门的主要原料。

第六节铁矿粉造块

铁矿粉造块目前主要有两种方法：烧结法和球团法。两种方法所获得的块矿分别为烧结矿

和球团矿。铁矿粉造块是为满足高炉冶炼对精料的要求而发展起来的，通过铁矿粉造块，可综

合利用资源，扩大炼铁用的原料种类，去除有害杂质，回收有益元素，保护环境，同时可以改善矿

石的冶金性能，适应高炉冶炼对铁矿石的质量要求，使高炉冶炼的主要技术经济指标得到改善。

一、铁矿粉烧结生产

烧结法生产烧结矿是重要的造块方法之一。所谓烧结，就是将各种粉状含铁原料，配入适量的燃料和熔剂，加入适量的水，经混合和造球后在烧结设备上进行烧结的过程。在此过程中借助燃料燃烧产生的高温，使物料发生一系列物理化学变化，并产生一定数量的液相。当冷却时，液相将矿粉颗粒黏结成块，即烧结矿。

目前生产上广泛采用带式抽风烧结机生产烧结矿。烧结生产的工艺流程如图2—4所示。主要包括烧结料的准备，配料与混合，烧结和产品处理等工序。

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图2-4 抽风烧结工艺流程

（一）、烧结原料的准备

烧结生产所用原料品种较多，为了保证生产过程顺利进行，并且保证烧结矿的产量和质量，因此对所用原燃料有一定的要求。

1．含铁原料

铁矿石和铁精矿是烧结的主要含铁原料。含铁量较高的矿石经破碎、筛分将其合格矿直

接送到高炉炼铁，它的筛下物<5mm的这部分矿粉作为烧结的原料。当铁矿石的含铁量较低，需经过选矿得到品位较高的矿粉，叫铁精矿。一般要求含铁原料品位高，成分稳定，杂质少。除

铁矿石外，还有一些工业副产品，如高炉炉尘、轧钢皮、钢渣等也可作为烧结原料。

2．熔剂

要求熔剂中有效CaO含量高，杂质少，成分稳定，含水3％左右，粒度小于3mm的占90％以上。随着精矿粒度细化，熔剂粒度也要相对缩小。

在烧结料中加入一定量的白云石，使烧结矿含有适当的MgO(其含量决定于高炉造渣

要求)，对烧结过程有良好的作用，可以提高烧结矿的质量。

3．燃料

烧结所用燃料主要为焦粉和无烟煤。对燃料的要求是固定碳含量高，灰分低，挥发分低，含硫低，成分稳定，含水小于10％，粒度小于3mm的占95％以上。

一般认为焦粉作烧结燃料较好，它能满足上述要求，同时也利用了高炉焦炭筛分后的粉末。但不少厂家采用无烟煤作燃料的生产实践表明，无烟煤硬度小，易于破碎，着火点低，易燃，所以无烟煤也是可取的燃料。

对入厂烧结原料的一般要求详见表2—2。

表2-2 入厂烧结原料一般要求

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（二）、配料与混合

1．配料

烧结生产使用的原料种类较多，为了获得化学成分和物理性质稳定的烧结矿，满足高炉冶炼的要求，必须进行精确配料。

目前，常用的配料方法有容积配料法和质量配料法。容积配料法是基于物料堆积密度不变，原料的质量与体积成比例这一条件进行的。实际上原料的堆积密度并不稳定，因此容积配料法的准确性较差。质量配料法是按原料的质量配料，它比容积法准确。质量配料便于实现自动化。

2．混合

按一定配比组成的烧结料需进行混合，目的是使烧结料的成分均匀，水分合适，易于造球，从而获得粒度组成良好的烧结混合料，以保证烧结矿的质量和提高产量。

混合作业包括加水润湿、混匀和造球，并通入蒸汽以提高混合料的温度。根据原料性质不同，可采用一次混合或二次混合两种流程。一次混合的目的是润湿与混匀，当加热返矿时还可使物料预热。二次混合除继续混匀外，主要是造球，以改善烧结料层透气性。用粒度10～Omm的富矿粉烧结时，因其粒度已经达到造球需要，采用一次混合，混合时间约50s。使用细磨精矿

粉烧结时，因粒度过细，料层透气性差，为改善透气性，必须在混合过程中造球，所以采用二次混合，混合时间一般不少于2．5～3min。我国烧结厂大多采用二次混合。

（三）、烧结生产

1．烧结作业

烧结作业是烧结生产的中心环节，它包括布料、点火、烧结等主要工序。

(1)布料是指将铺底料、混合料铺在烧结机台车上的作业。布料均匀与否，直接影响烧结的产量和质量，均匀布料是烧结生产的基本要求。

当采用铺底料工艺时，在布混合料之前，先铺一层粒度为10～25mm，厚度为20～25mm 的小块烧结矿作为铺底料，其目的是保护炉箅，降低除尘负荷，延长风机转子寿命，减少或消除炉箅粘料。

铺完底料后，随之进行布料。布料时要求混合料的粒度和化学成分等沿台车纵横方向均匀分布，并且有一定的松散性，表面平整。目前采用较多的是圆辊布料机布料。

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(2)点火点火操作是对台车上的料层表面进行点燃，并使之燃烧。点火要求有足够的点火温度，适宜的高温保持时间，沿台车宽度点火均匀，以利料层中燃料顺利燃烧。

点火温度取决于烧结生成物的熔化温度。这一温度范围常在1100～1300℃，实际操作中点火温度常控制在1250±50℃。点火温度过高，会使烧结料表面过熔形成硬壳，降低料层透气性，减慢垂直烧结速度，降低生产率。过低时，表层出现浮灰，返矿量增加。

在一定温度下，为了保证表面料层所需热量，需要足够的点火时间。通常40～60s。

点火真空度影响点火深度。一般要求点火深度为10～20mm，使点火热量集中于表层

一定厚度内。如点火真空度较高，会使冷空气从点火器下面大量吸入，以降低点火温度和使料面点火不均匀，表面料层也将随空气的强烈吸人而紧密，降低料层透气性；真空度过低，抽力不足，又会使点火器内燃烧产物向外喷出，不能全部抽入料层，造成热量损失，并降低台车寿命。通常将第一号风箱的真空度控制在4～6kPa。

(3)烧结在点火后直至烧结整个过程中，料层不断发生变化，为了使烧结过程正常进行，对于烧结的风量、真空度、料层厚度、机速和烧结终点的准确控制是很重要的。

1)烧结风量和真空度。单位烧结面积的风量大小，是决定产量高低的主要因素，当其他条件一定时，产量随风量增加而提高。但风量过大，会造成烧结速度过快，降低烧结矿的成品率。这是因为风量过大使烧结层快速下移，烧结料没有足够的时间熔融黏结，使烧结矿强度降低，细粒级增多。目前，平均每吨烧结矿需风量为3200m3，按烧结面积计算为(70～90)m3／(cm2．min)。真空度大小决定于风机能力、抽风系统阻力、料层透气性和漏风损失情况。在其他条件一定时，真空度大小反映了料层透气性的好坏，同时，真空度的变化也是判断烧结过程的一种依据。

2)料层厚度与机速。料层厚度与机速直接影响烧结矿的产量和质量。一般来说，料层薄，机速快，生产率高。但表面强度差的烧结矿数量相对增加，造成返矿和粉末增多。同时还会削弱料层“自动蓄热作用”，增加燃料用量，使烧结矿Fe0含量增加，还原性变差。若为厚料层，虽然烧结速度有所降低，但可以较好地利用热量，减少燃料用量，降低Fe0含量，改善还原性，但料层厚度增加，阻力增大，产量下降。因此，合适的料层厚度应将高产和优质结合起来考虑。国内一般采用料层厚度为250～500mm。

机速过慢，则不能充分发挥烧结机的生产能力，并使料层表面过熔，Fe0含量增加，还原性变差。机速过快，烧结时间缩短，导致烧结料不能完全烧结，返矿增多，烧结矿强度变差，成品率降低，合适的机速应保证烧结料在预定的烧结终点烧透烧好。实际生产中，机速一般控制在1.5～

4m／min为宜。

3)烧结终点的判断与控制。控制烧结终点，即控制烧结过程全部完成时台车所处的位置。准确控制烧结终点风箱位置，是充分利用烧结机面积，确保优质高产和冷却效率的重要条件。中小型烧结机终点一般控制在倒数第二个风箱处，大型烧结机控制在倒数第三个风箱处。烧结终点的提前或滞后，都将给烧结生产带来不利影响。

2．烧结过程

带式烧结机抽风烧结过程是自上而下进行的，沿其料层高度温度变化的情况一般可分为5层，各层中的反应变化情况如图2—5所示。点火开始以后，依次出现烧结矿层，燃烧层，预热层，干燥层和过湿层。然后后四层又相继消失，最终只剩烧结矿层。

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