高炉炼铁原料和燃料 及质量检验

高炉炼铁原料和燃料及质量检验 1、炼 铁 原 料 （1）高炉炼铁对精料的要求 精料就是全面改进原燃料的质量，为降低焦比和提高冶炼强度打下物质基础。保证高炉能在大风、高压、高风温、高负荷的生产条件下仍能稳定顺行。 周传典同志说：“高炉必须采用精料，这是两千多年来中外炼铁人员反复认识的共同结论。” 它是一条根本的准则。 精料的具体内容可概括为“高、熟、净，匀、小、稳”六个字，此外，应重视高温冶金性能及合理的炉料结构。或者高炉精料方针的内容归结为：“高、熟、稳、均、小、少、好”。

1）高炉精料方针的内容：“高、熟、稳、均、小、少、好”。 ①高 A 入炉含铁品位要高（这是精料技术的核心）。入炉含铁品位提高1%，炼铁燃料比降低1.5%，产量提高2.5%，渣量减少30kg/t，允许多喷煤15kg/t。 B 原燃料转鼓强度要高。大高炉对原燃料质量的要求高于中小高炉，如宝钢焦炭M40为大于88%，M10为小于6.5%，CRI小于26%，CSR大于66%。一般高炉M40要求为80%，M10为小于7%，CRI小于30%，CSR大于60%。 C 烧结矿碱度要高（1.8~2.0）。

②熟 熟料比（烧结矿+球团矿）要高。目前不再追求100%的熟料比，如宝钢熟料比为81%，增加高品位块矿，可有效提高入炉品位，有利于节能减排。但熟料比不宜低于80%，否则会使燃料比升高。 ③稳 原燃料供应的数量、比例和质量要稳定。原燃料稳定是高炉生产的灵魂。 ④均 原燃料的粒度和成分要均匀。这是高炉提高料柱透气性有效办法。大、中、小粒度的炉料混装会有填充作用，减少有效空间。一般要求矿石5~15mm的粒度要小于30%，焦炭在炉缸的空间在40%。

⑤小 原燃料的粒度要偏小，球团矿8~16mm，烧结矿5~50mm，焦炭30~75mm，块矿5~15mm。中小高炉使用的原燃料粒度可偏小一些。 ⑥少 入炉粉末要少（<5mm的要小于3%），炉料中含有害杂质（S、P、K、Na、Zn、Pb、F等）要少。炉料中碱金属含量<0.3%，Pb含量小于0.15%。 ⑦好 矿石冶金性能好：软熔温度高（大于1350℃），软熔区间窄（小于250℃），低温还原粉化低，还原度高（大于60%）等。

（2）炉料合理化结构 从理论上和高炉经营管理的角度看，使用单一矿石并把熟料率提高到100%是合理的。然而目前还没有一种理想的矿石能够完全满足现代力型高炉强化的需要。炉料结构合理与否直接影响高炉冶炼酌经济技术指标。 目前有四种高炉炉料结构： 1）100%酸性球团矿，但每吨生铁需加250kg/t以上的石灰石。 2）以酸性球团为主，配加超高碱度烧结矿。 3）100%自熔性烧结矿。 4）以高碱度烧结矿为主，配加天然矿或酸性球团矿。

采用什么样的炉料，应依据国家的具体条件，即合理利用国家资源而定。合理炉料结构应从国家和本企业实际情况出发，充分满足高炉强化冶炼的要求，能获得较高的生产率，比较低的燃料消耗和好的经济效益。符合这些条件的炉料组成就是合理的炉料结构。目前我国高炉使用的炉料结构为：高碱度烧结矿+球团矿+块矿。 （3）天然块矿 1）含铁矿物的分类及铁矿石工业类型的划分 ①含铁矿物的分类及其主要性质 根据铁矿石中铁氧化物主要矿物形态人们把铁矿石分为赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿和菱铁矿等。

不同种类铁矿石的特征

2）对铁矿石的评价 对铁矿石的评价是： ①含Fe 品位。矿石品位基本上决定了矿石的价格，即冶炼的经济性。含 Fe 量愈高的矿石，脉石含量愈低，则冶炼时所需熔剂量和形成的渣量也少，用于分离渣与铁所耗能量相应降低。含 Fe 量高并可直接送入高炉冶炼的铁矿石称为富矿。含Fe 品位低需经富选才能入炉的为贫矿。划分富矿与贫矿没有统一的标准，此界限将随选矿及冶炼技术水平的提高而变化。 一般将矿石中 Fe 质量分数高于 65﹪而 S、P等杂质少的矿石，供直接还原法和熔融还原法使用。

而矿石中 Fe 的质量分数高于50﹪而低于65﹪的可供高炉使用。 我国富矿贮量已很少，绝大部分是 Fe 的质量分数为 30﹪左右的贫矿，要经过选矿后才能使用。 ②脉石的成分及分布。铁矿石中的脉石包括：SiO2、Al2O3、CaO及MgO等氧化物。在高炉条件下，这些氧化物不能或很难被还原，最终以炉渣的形式与金属铁分离。渣中碱性氧化物（CaO +MgO）等与酸性氧化物SiO2等的质量分数应大体相等，因为只有如此，渣的熔点才较低，粘度也较小，易于在炉内处理而不致有碍于正常操作。

为此，实际操作中应根据铁矿石带入的脉石的成分和数量，配加适当的“助熔剂”，简称熔剂，以便得到性能较理想的炉渣。此外，造渣物的另一个重要来源—焦炭及煤粉灰分，它们几乎是100﹪的酸性氧化物，必须从其他炉料中摄取碱性成分，然而大多数铁矿石的脉石也是酸性氧化物，故通常要消耗相当数量的石灰石（CaCO3）或白云石（CaCO3·MgCO3）等碱性物作为熔剂。 若矿石的脉石成分中碱性物较多，甚至以碱性物为主，必然会节省为中和燃料灰分中的酸性造渣物所需外加的熔剂量，这是极为有利的。

有些矿石中 Al2O3 的质量分数很高，也是不利的，因为 Al2O3将大大地提高炉渣的熔点。 矿石中（CaO+ MgO）质量分数适当的矿石，可允许矿石中Fe的质量分数低些，冶炼仍然是经济的。用扣除（CaO +MgO）后的折算 Fe的质量分数对不同的矿石进行评价和对比是合理的。 ③有害元素的含量。矿石中除去不能还原而造渣的氧化物外，常含有其他化合物，它们可以被还原为元素形态，其中有的可与Fe 形成合金，有的则不能，有些则是有害的。 常见的有害元素是：S、P 较少见的有碱金属 K、Na 等，以及 Cu、Pb、Zn、F及As 等。

S、P、As 和 Cu 易还原为元素并进入生铁，对铁及其后的钢及钢材的性能有害。碱金属及 Zn、Pb 和F等虽不能进入生铁，但易于破坏炉衬，或易于挥发并在炉内循环累积造成结瘤事故，或污染环境有害人身健康。事先用选矿法除去这些有害杂质，或困难很大，或代价太高，迫使高炉炉料中不得不限制这些矿石用量的百分比，从而极大地降低了这些矿石的使用价值。 各种有害杂质的界限含量： 硫（S）：允许含量≤0.1%。硫使钢产生“热脆”，1t生铁的原燃料总含硫量一般在5kg/t以下。 磷（P）：允许含量≤0.2%。对于一般炼钢生铁，磷使钢产生“冷脆”。炼铁、烧结均不能去磷。

锌（Zn）：允许含量≤0.1%（≤0.15kg/t）。锌在900℃挥发，沉积在炉墙，使炉墙膨胀，破坏炉壳；与炉尘混合易形成炉瘤。锌还原后不溶于铁水。锌在烧结过程中能除去50~60%。含量大于3%时不允许其直接入炉。 铅（Pb）：允许含量≤0.1%（≤0.15kg/t）。铅易还原，不溶于铁水，但沉积破坏炉底。 铜（Cu）：允许含量≤0.2%。少量铜增加耐蚀性，量多使钢材“热脆”，不易轧制和焊接。 砷（As）：允许含量≤0.07%（生产优质钢、线材要求≤0.04%）。砷使钢冷脆和焊接性变坏，生铁中含砷应小于1%，优质生铁要求不含砷。砷在高炉中100%还原进入生铁。

锡（Sn）：允许含量≤0.08%。锡使钢具有脆性，在高炉中易使炉壁结瘤。 钛（Ti）：允许含量≤13%。钛能改善钢的耐磨性和耐蚀性，但使炉渣性质变坏，在治炼时有90%进入炉渣。含量不超过1%时，对炉渣及冶炼过程影响不大，超过4~5%时，使炉渣性质变坏，易结炉瘤。 氟（F）：允许含量≤2.5%。烧结过程可脱除部分氟。 碱金属（K2O+Na2O）：允许含量≤0.3%（≤3.0kg/t）。碱金属含量高会使炉身部位结瘤、风口烧坏、焦炭粉化、经常悬料、焦比增高、产量降低。

④有益元素。有些与Fe伴生的元素可被还原并进入生铁，并能改善钢铁材料的性能，这些有益元素有 Cr、Ni、V 等。还有的矿石中的伴生元素有极高的单独分离提取的价值，如 Ti 及稀土元素等。某些情况下，这些元素的品位已达到可单独分离利用的程度，虽然其绝对含量相对于Fe仍是少量的，但其价值已远超过铁矿石本身，则这类矿石应作为宝贵的综合利用的资源。 ⑤矿石的还原性。矿石在炉内被煤气还原的难易程度称为“还原性”，冶炼易还原的矿石，可降低碳素消耗量。矿石的还原性与其结构，特别是开口的微气孔率及气孔的分布状态有关。一般赤铁矿不如磁铁矿致密，还原性好。

褐铁矿及菱铁矿在炉内受热后，其所含碳酸盐及结晶水或分解或挥发，留下孔洞，形成疏松多孔的结构便于煤气的渗透，故此类矿石的还原性好。 ⑥矿石的高温性能。矿石是在炉内逐渐受热、升温的过程中被还原的。矿石在受热及被还原的过程中及还原后都不应因强度下降而破碎，以免矿粉堵塞煤气流通孔道而造成冶炼过程的障碍。为了在熔化造渣之前，矿石更多地被煤气所还原，矿石的软化熔融温度不可过低，软化与熔融的温度区间不可过宽。这样一方面可保证炉内有良好的透气性，另一方面可使矿石在软熔前达到较高的还原度，以减少高温直接还原度，降低能源消耗。块矿的软熔性能与酸性球团相近，但软熔温度均低于烧结矿。

天然矿石热爆裂性能。天然矿中含有带结晶水和碳酸盐的矿物，在高炉上部加热时，气体逸出而使矿石爆裂，影响高炉上部的透气性。 ⑦矿石入炉前的加工处理。入炉原料成分稳定，即其成分的波动幅度值很小，对改善高炉冶炼指标有很大的作用。为此，应在原料入厂后 对其进行中和、混匀处理，即用所谓“平铺切取”法。将入厂原料水平分层堆存到一定数量，一般应达数千吨，然后再纵向取用。 ⑧矿石粒度组成。一般矿石粒度的下限为8mm，大可至20~30mm。小于5mm的称为粉末，它严重阻碍炉内煤气的正常流动，必须筛除。

粒度均匀，粒度分布范围窄，料柱孔隙度高，则料柱透气性好。而粒度小被气体还原时反应速度快，在矿石软熔前可达到较高的还原度，有利于降低单位产品的燃料消耗量。粒度的大小必须适当兼顾。 实践证明，矿石的粒度宜小而均匀。济南铁厂进行过不同粒度天然矿的冶炼试验全部使用粒度20~35mm的中块代替35~50mm的大块时，降低焦比51kg/t， 而全部使用粒度8~20mm的小块代替中块时， 降低焦比130kg/t。 现代高炉使用的铁矿石，都必须严格进行整粒，大中高炉的适宜粒度为8~25mm，小高炉的适宜粒度为5~20mm，其小于5mm的粉末含量都应小于5%。

（4）熔剂 1）熔剂 由于高炉造渣的需要，入炉料中常需配加一定数量的助熔剂，简称熔剂。最常用的熔剂有：①碱性熔剂：石灰石（CaCO3）、白云石 [Ca (Mg) CO3] 等；②酸性熔剂：硅石（SiO2）、蛇纹石（3MgO·2SiO2·2H2O）等。 石灰石的主要成分为碳酸钙（CaCO3），碳酸钙的CaO含量为56%，而石灰石的实际含量为50%左右。石灰石中除含有少量的MgCO3外，还含有少量SiO2和Al2O3等。扣除中和SiO2所需的CaO后，石灰石中有效的CaO含量一般为45~48%。

直接装入高炉的石灰石粒度上限，以其在达到900℃温度区能全部分解为准，大于300m3的高炉，石灰石的粒度范围应为20~50mm；小于300m3的高炉，其石灰石粒度范围为10~30mm。入炉前应筛赊粉末及泥土杂质。 为了调整高炉渣的MgO含量，改善炉渣的流动性，提高脱硫能力，有时在炉料中加入含镁熔剂。一般常用的含镁熔剂为白云石，其理论成分为CaCO3 54.2%，MgCO3 45.8%。 我国少数企业以菱镁石（MgCO3）或蛇纹石（3MgO·2SiO2·2H2O）做含镁熔剂，后者可同时作为酸性熔剂。

2）高炉冶炼对熔剂的要求 ①有效成分含量要高。如对石灰石及白云石来说，即要求其有效熔剂性高。熔剂含有的碱性氧化物扣除其本身酸性物造渣需要的碱性氧化物后所余之碱性氧化物质量分数即为有效熔剂性： 式中 CaO、MgO、SiO2分别为熔剂中各相应组分的质量分数，%；R为造渣所需 求的炉渣碱度

②熔剂中含 S 、P等有害杂质的量尽可能低。 在主要使用天然富矿的高炉上，熔剂往往作为入炉原料的一种，单独加入炉内，且配用量也较多。这些碳酸盐在炉内受热分解，要消耗大量的热，而且这些热是炉内燃烧昂贵的焦炭提供的。 大多数大中型高炉使用高碱度烧结矿作为主要含铁原料，（平均占含铁原料的90﹪左右），已无须或只需加入少量的熔剂入炉。 在特殊情况下，如洗刷炉墙上的粘结物或炉缸堆积以及炉况不顺行时，要加入特殊熔剂如萤石（CaF2）和均热炉渣（FeO）等。其目的是造成低熔点、低粘度的炉渣，但这些特殊熔剂只能作为短时期使用的炉料。

当冶炼含碱性氧化物脉石为主的矿石时，则熔剂应为酸性物，如常用的硅石（SiO2）等。要求硅石的SiO2含量大于90%，粒度上限不超过30mm，不含小于10mm粉末。 （5）锰矿 铸造及炼钢生铁都要求含有一定数量的Mn，为此，入炉料中应配加相应数量的锰矿。而当高炉冶炼含Mn 高的铁合金时，如Fe—Mn或Si—Mn合金等，则锰矿即成为主要原料。 当高炉炉缸堆积时，锰矿也可作为洗炉剂。

（6）烧 结 矿 烧结矿就是我国炼铁高炉的主要原料，提高烧结矿质量自然成为高炉精料的主攻方向。 烧结生产历经20世纪50年代酸性或低碱度烧结矿、60年代自熔性烧结矿到80 年代高碱度烧结矿工艺三个阶段，结合低碳厚料层烧结、球团烧结和小球烧结技术的推广应用，烧结矿质量明显提高，集中表现在碱度提高的同时，烧结矿品位和强度提高，粒度组成和高温冶金性能改善。 1）高炉冶炼对烧结矿质量有哪些要求? 高炉冶炼对烧结矿质量有以下几点要求：

①强度好、粒度均匀、粉末少。使用强度好的烧结矿，可以大大改善高炉冶炼的技术经济指标。因为强度好的烧结矿粉末少，可以改善高炉料柱的透气性，有利炉况顺行和煤气流的合理分布，从而导致焦比的降低和产量的提高。 ②还原性好。使用还原性好的烧结矿有助于降低焦比。一般认为 FeO含量高表明烧结矿中难还原的 FeO·SiO2 或较难还原的钙铁橄榄石增加，烧结矿熔融程度较高。在烧结中应当保证烧结强度的前提下，确定适宜而稳定的FeO指标。

③高品位、合适碱度、低含硫量。一般烧结矿含铁提高1﹪，可降低焦比2﹪，增加产量3﹪。但烧结矿的品位取决于原料条件和精矿品位。 烧结矿碱度应在保证强度的条件下，使高炉不加或少加石灰石，使用合适碱度的烧结矿可以改善高炉内还原过程和造渣过程，降低焦比。 烧结矿按碱度可分为非熔剂性（即普通）烧结矿、自熔性烧结矿和熔剂性烧结矿三种。其衡量标准是炉渣的碱度。 烧结矿的含硫量愈低愈好。最高不能超过0.1﹪。 ④稳定性好。烧结矿的化学成分和物理性质均应稳定，以保证高炉炉况的稳定。

2）高碱度烧结矿的冶金性能 ①具有良好的还原性。矿石的还原性影响着高炉冶炼的指标。根据生产统计：矿石的还原性每改善10﹪，焦比可降低8﹪~9﹪。我国部分厂家烧结矿还原度与碱度的关系示于图。

从图可以看出，随着烧结矿碱度的提高，烧结矿还原性变化的普遍规律为：第一阶段还原性改善较明显， 曲线上升较快，第二阶段上升缓慢，一般有一最佳峰值；第三阶段还原性重又变差，曲线下降。这种变化规律是由烧结矿的粘结相以及矿物组成所决定的。当烧结矿碱度低时，一般 FeO较高，粘结相以铁橄榄石为主，含铁硅酸盐矿物难还原，因而烧结矿还原性差。随着碱度的提高，烧结矿中易还原的铁酸钙数量增加，渣相减少，还原性得到改善。当碱度提高到一定数值时，铁酸钙成为主相，特别是以针状析出时， 还原性最佳。

如果烧结矿碱度进一步提高，还原性较差的铁酸二钙的数量增加，而且硅酸三钙等渣相也明显增加，导致还原性重又下降。综上所述，从还原性角度出发，各厂家应通过试验将烧结矿碱度提高到峰值附近为最适宜。 ②具有较好的冷强度和较低的还原粉化率。在我国各厂家使用本地资源生产自熔性烧结矿过程中遇到的问题之一是强度差，在冷却过程中自动碎裂。产生这一现象的原因是硅酸二钙在降温过程中发生多晶转变，当β—2CaO·SiO2 转变到γ—2CaO·SiO2 时体积膨胀10﹪，随之产生的很大内部应力使烧结矿裂为粉粒。

在高氟精矿粉烧结过程中，由于氟使液相粘度和表面张力大幅度降低，易为烧结过程中的气流通过而形成众多的通路，在烧结矿冷却时给烧结矿留下疏松多孔薄壁结构，严重影响强度。在攀钢含钒钛精矿粉烧结时，因其低硅高钛的特点，烧结过程中产生的低熔点液相少，粘结相中出现数量较多的高熔点物相—钙钛矿（CaO·TiO2 熔点1970℃）它的析出既不起固结作用，而且性脆，抗压强度低，加之烧结矿中物相种类众多，使烧结矿有较大的内应力，以上诸因素使自熔性烧结矿的强度较差。

试验研究表明，解决强度问题的办法之一是生产高碱度烧结矿，使粘结相和矿物组成转变成以铁酸钙为主， 在宏观结构上使多孔薄壁转变为大孔厚壁，在组织结构上形成牢固的熔蚀结构。同时由于铁酸钙数量增加，使影响强度的其他矿物数量减少，例如减少包钢烧结矿中的枪晶石， 攀钢烧结矿中的钙钛矿等也有利于强度的提高。 低温还原粉化率在我国一般均较低，但是使用澳大利亚赤铁矿矿粉较多时，以及钒钛磁铁矿烧结中再生赤铁矿多时，低温还原粉化率会偏高，在烧结矿碱度提高以后，低温粉化率一般随之下降。

③具有较高的荷重软化温度。一般来说，当烧结矿碱度在2 ③具有较高的荷重软化温度。一般来说，当烧结矿碱度在2.0 以下时，随着碱度的提高，软化开始和终了温度都是上升的，而其软化温度区间则有变窄趋势。烧结矿的荷重软化性能很大程度上取决于其还原性，矿物组成和孔隙结构。还原性好的，高熔点矿物多的，孔隙结构强的，其软化温度就高。正如前述， 随着碱度的提高，上述诸因素的改进均对荷重软化温度的提高起着有利的影响。 ④具有良好的高温还原性和熔滴特性。成田贵一等对烧结矿的高温还原性及熔滴性能的研究表明，烧结矿碱度的提高改善了烧结矿1100℃和1200℃的高温还原性（见表），而熔滴温度也随碱度的提高而上升 熔滴温度区间则变窄。

不同碱度烧结矿的高温还原及熔滴特性 （根据日本成田贵一试验数据）

北京科技大学烧结球团研究室对杭钢不同碱度烧结矿的熔滴性能测定所得特性曲线也显示了相同的规律：随着碱度的提高，在同一温度的条件下，其压差是下降的，即碱度较高的烧结矿具有较好的料层透气性。烧结矿的熔滴温度及其区间也随碱度提高而得到改善。 由于高碱度烧结矿具有上述诸多的优点，无论从理论研究结果，还是从生产实践经验都肯定高炉采用高碱度烧结矿作为炉料是合适的。

（7）球 团 矿 目前球团矿有酸性氧化性球团、白云石熔剂球团和自熔性球团三种，但目前高炉生产普遍应用的是酸性氧化性球团矿。焙烧球团矿的设备有竖炉、带式焙烧机、链算机一回转窑等三种类型。 1）球团矿为较多微孔的球状物，与烧结矿比较有以下特点： ①品位高。可以用品位很高的细精矿来生产，其酸性球团的品位可达68.0%，SiO2含量仅1.15%。 ②气孔度低，最低可达19.7%，且全部为微气孔。假密度大，可达3.8g/cm3，堆积密度大，可达2.27t/m3。

③矿物主要为赤铁矿，FeO含量很低（1%左右）。主要依靠固相固结—即铁晶桥固结，硅酸盐渣相量少，只有碱度较高的石灰熔剂球团矿才有较多的铁酸盐。 ④冷强度好，运输性能好，ISO转鼓指数（+6.3mm）可高达95%。粒度均匀，8~16mm粒级可达90%以上。 ⑤自然堆角小，仅24~27°，而烧结矿自然堆角为31~35℃。 ⑥还原性能好。由于球团矿的气孔率较高，因而其还原性优于其他种类的矿石。

但是我国的球团矿含 SiO2偏高，致使其高温还原性较差。个别品种的球团矿在还原时出现异常膨胀或还原迟滞现象。 ⑦高温冶金性能较差。表现为软化温度低，熔滴特性中的压差陡升温度低和最高压差△pmax 数值大，尽管可用配加适量的蛇纹石或白云石来改善，但与烧结矿相比高温冶金性能仍差。

2）球团矿的还原膨胀性能 球团矿在还原过程中体积膨胀，结构疏松并产生裂纹，其抗压强度大幅度下降。球团矿的技术要求为还原膨胀率小于20%。 引起球团矿还原膨胀的原因很多，如Fe2O3还原成Fe3O4，再还原成FexO所引起的晶形和晶格常数的变化；FexO还原成金属铁时铁晶须的生成；球团矿中铁矿物的结晶形状与连接键的形式，渣相的性质及数量；K2O、Na2O、Zn、V等杂质或有色金属的含量；还有还原时气体逸出的压力及碳素沉积等。有关研究成果指出，正常膨胀（一般<20%）主要发生在Fe2O3还原成Fe3O4阶段。

而异常膨胀则往往归因于FexO还原成金属铁时铁晶须的形成和长大。当纯赤铁矿或含有难熔物质的球团矿还原时，不能有效地阻止铁晶须的生成与发展，使球团矿的还原膨胀率大于30%，甚至高达100%以上。当球团矿中含有易熔物质时，黏结相的形成对铁晶须的发展起物理阻滞作用，不致产生异常膨胀，有时甚至因熔结而收缩。当有K2O、Na2O等低熔点物质存在时，在 900~1000℃的还原温度下，生成黏度低，表面张力小的液相，不能阻止铁晶须的生成与发展，使球团矿还原时产生异常膨胀。 抑制球团矿还原膨胀的措施有：进行含铁原料的合理搭配，适当添加CaO、MgO熔剂或无烟煤粉及提高焙烧温度等。

2、高炉燃料 1）我国高炉使用的燃料主要有焦炭和煤粉。 ①焦炭 焦炭由煤在高温下（900~1000℃）干馏而成。它的化学成分完全能满足高炉炼铁的要求，机械强度要好。焦炭是目前高炉的主要燃料，但由于炼焦过程中必须配入足够数量的结焦性能良好的焦煤才能获得优质焦炭。 ②喷吹用燃料 为了降低焦比，目前世界各国普遍采用从高炉风口喷入部分燃料以代替部分焦炭。喷吹用燃料有煤粉、重油和天然气。我国主要是喷吹煤粉。

2）焦炭在高炉生产中的作用 ①提供高炉冶炼所需要的大部分热量 焦炭在风口前被鼓风中的氧燃烧，放出热量，这是高炉冶炼所需要热量的主要来源（高炉冶炼所消耗热量的70~80%来自燃料燃烧）。 ②提供高炉冶炼所需的还原剂 高炉冶炼主要是生铁中的铁和其他合金元素的还原及渗碳过程，而焦炭中所含的固定碳（C）以及焦炭燃烧产生的一氧化碳（CO）都是铁及其他氧化物进行还原的还原剂。

③焦炭是高炉料柱的骨架 由于焦炭在高炉料柱中约占1/3~1/2的体积，而且焦炭在高炉冶炼条件下既不熔融也不软化，它在高炉中能起支持料柱、维持炉内透气性的骨架作用。特别是在高炉下部，矿和熔剂已全部软化造渣并熔化为液体，只有焦炭仍以固体状态存在，这就保证了高炉下部料柱的透气性，使从风口鼓入的风能向高炉中心渗透，并使炉缸煤气能有一个良好的初始分布。 ④生铁形成过程中渗碳的碳源 每吨炼钢铁渗碳消耗的焦炭在50kg左右。

3）焦炭的工业分析和元素分析 按水分、灰分、挥发分和固定碳测定焦炭的组成称为工业分析；按焦炭所含碳、氢、氮、氧、硫等元素测定的组成称为元素分析。它们的内容是： ①水分用符号M表示（过去常用符号W表示） 影响焦炭水分的因素主要是熄焦方式，传统的湿法熄焦时，为充分熄焦水分含量约为4~6%，高时可达10%以上；干法熄焦时，一般为0.5%，但在南方由于运输和贮存过程中焦炭吸收大气中的水分，焦炭水分也可达1~1.5%。焦炭水分应保持稳定，水分波动会引起称量不准而造成炉温波动。

②灰分用符号A表示 焦炭灰分主要是酸性氧化物SiO2、Al2O3，生产中要用CaO来造渣，造成高炉炼铁渣量增大，焦比升高。我国高炉用焦炭的灰分含量一般在11~15%。 ③挥发分用符号V表示 常用它来判断焦炭是否成熟，挥发分过高表示有生焦，强度差；过低则表示焦炭过火，过火焦炭裂纹多易碎。一般成熟焦炭的挥发分在0.5~1.0%，在配煤中气煤量配得多时，也可达1.0~2.0%。 ④固定碳用符号 表示

固定碳是煤经高温干馏后残留的固态可燃性物质。一般通过下式算得： 4）高炉冶炼对焦炭质量的要求 根据焦炭在高炉冶炼过程中的作用，对于焦炭质量有以下要求： ①化学成分 对焦炭化学成分的要求主要有： A 固定碳要高、灰分要低。固定碳和灰分是焦炭的主要组成部分，两者互为消长关系。固定碳含量高，单位焦炭提供的热量和还原剂就多，灰分含量也相应降低。焦炭灰分高，不但固定碳含量相应降低，还带来一系列不良影响：

a 灰分成分约80%是SiO2和Al2O3，灰分增加，高炉渣量随之增加。灰分中SiO2约占45%。高炉燃料灰分每增加1%，需补入SiO2增量1.1倍的CaO，高炉渣量增加数为燃料比的1%，约合5kg/t。 b 灰分在炼焦过程中不能熔融，对焦炭中各种组织的黏结不利，使裂纹增多，强度降低。 c 灰分与焦质的膨胀性不同，在高炉内加热后，灰分颗粒周围产生裂纹，使焦炭碎裂、粉化。 d 灰分中的碱金属和Fe2O3等都对焦炭气化反应起催化作用，使焦炭反应性指数增高，影响反应后强度。 由此可见，灰分不但与固定碳含量有直接关系，更对焦炭所有质量指标都带来不利影响。

B 焦炭含硫要低。高炉燃料（包括焦炭和煤粉）带入硫量约占高炉硫负荷的80%，高炉硫负荷增加会造成高炉脱硫渣量增加，使燃料比升高。同时焦炭硫高也影响焦炭质量。 C 挥发分以低为好。挥发分是焦炭成熟程度的标志。挥发分含量低，说明结焦后期热分解与热缩聚程度高，气孔壁材质致密，有利于焦炭显微硬度、耐磨强度和反应后强度的提高。 D 焦炭水分波动引起入炉干焦量变化，即焦炭真实负荷的波动。因此，水分稳定比水分值本身更为重要。但水分过高，焦粉黏附在焦块上，不易筛除而带入高炉，也是不利的。因此，希望水分稳定在较低水平上。 E 磷和碱金属含量越低越好。

②冷态机械强度及热态强度 焦炭强度与高炉生产状态和操作指标密切相关，包括抗碎强度M40和抗磨强度M10两项指标。 同一焦炭试样的M40和M10指标之间，并不一定存在良好的相关关系；冷态强度和高温性能指标 （CRI和CSR）之间的关系也是如此。但冷态强度可以在一定程度上反映焦炭中细裂纹的多少，与风口焦炭的粒度组成、平均粒度有较强的相关关系；从整体上反映焦炭在高炉内保持粒度的能力。因此，要求焦炭的抗碎强度M40高一些为好；抗磨强度M10低一些为好。

焦炭高温性能包括反应性CRI和反应后强度CSR。反应性是衡量焦炭在高温状态下抵抗CO2气化能力的化学稳定性指标。焦炭的反应性高，在高炉内被CO2溶损的比例高，导致焦比升高；并使焦炭气孔增大，气孔壁变薄，强度下降过程加剧。因此，希望焦炭反应性低些。 反应后强度是衡量焦炭经受CO2和碱金属侵蚀状态下，保持高温强度的能力。显然，希望焦炭高温强度高些。 ③粒度

焦炭粒度要求均匀。焦炭出厂粒度组成为25~80mm。为此，需要提高40~80mm中间块度部分比例，使平均粒度保持在40~50mm水平。具体要求应根据高炉容积、操作水平和指标水平，并以焦炭本身强度为基础来考虑。 5）高炉冶炼对喷吹煤粉的质量要求，见“高炉炼铁工艺”部分。 3、焦炭的机械强度和热强度及其测定方法 我国以国标形式颁布了适用于4000m3级以下高炉冶炼用冶金焦炭技术指标，如表所示。

冶金焦炭标准GB1996—94 种类 >40mm（大块焦） >25mm（大中块焦） >25~40mm（中块焦） 灰分/% Ⅰ 不大于12.00 Ⅱ 12.01~13.50 Ⅲ 13.51~15.00 硫分（质量分数）/% 不大于0.6 0.61~0.8 0.8~1.0 机械强度 M25 大于92.0 需供需双方协议 92.0~88.1 88.0~83.0 M10 不大于7 不大于8.5 不大于10.5 挥发份/% 不大于1.9 水分/% 4.0±1.0 5.0±2.0 不大于12 焦末含量(不大于)/% 4.0 5.0 12.0

（1）冷态机械强度（GB2006—80） 为了模拟焦炭在高炉中的机械破损，我国统一规定采用转鼓法（米库姆转鼓）测定冷态机械强度。焦炭在转动的鼓中，不断地被提料板提起，然后落在钢板上。在此过程中焦炭与鼓壁和焦炭之间相互产生撞击、摩擦的作用，使焦炭沿裂纹破裂以及表面被磨损用以测定焦炭的抗碎强度和耐磨强度。鼓体是密闭的钢板制圆筒，内径（1000±5）mm，鼓内长（1000±5）mm，鼓壁厚度不小于5mm，沿鼓长方向有4根100mm×50mm×10mm的角钢，相隔90°焊于鼓内壁上。试验开始时，鼓内装入粒度大于 60mm的试样50kg，以25r/min的速度旋转4min。

停转后将鼓内全部试样用直径25mm（40mm）及10mm的圆孔筛处理。将焦炭分成大于25mm（40mm）、25~10mm（40~10mm）和小于10mm三级，大于25mm（40mm）一级需进行手穿孔。筛分时，每次入筛量不得超过15kg。将筛分后的各级焦炭称重，大于25mm（40mm）的焦炭质量占试样总质量（50kg）百分数（记为M25）为抗碎强度的指标，而小于10mm的碎焦质量百分数（记为M10）为耐磨强度指标。 2）热态条件下的物理化学性能—反应性和反应后强度 （GB4000—83 ） 焦炭的反应性和反应后强度是同一组试验中完成的。

试样是取大于25mm冶金焦20kg，弃去泡焦和炉头焦，制成直径21~25mm的焦球700g，分成3份，每份不少于220g。试验时，将经过烘干备好的焦样（200±0.5g）装入反应器，一起放入电炉恒温区。当料层中心温度达到400℃时，通入0.8L/min的N2保护；当料层中心温度达到1100℃时，切断N2改通CO2，流量为5L/min；反应2h后停止加热，切断CO2改通N2，流量为2L/min，并将反应器从炉内取出，在室温下冷却至100℃以下，停止通N2，打开反应器，取出焦样称重，以损失的焦炭质量占反应前焦样总质量的百分数为焦炭反应性指标（记为CRI）。

将反应后焦样全部装入Ⅰ型转鼓内 （鼓体为普通钢管制成，内径130mm，长700mm），以转20r/min的转速共转30min，总转数600转。然后取出焦样筛分、称重，以转鼓后大于10mm粒级焦炭占反应后残余焦炭的质量百分数为焦炭反应后强度指标（记为CSR）。 4、原料的理化性能与冶金性能检测 （1）原料的理化性能 1）常规化学成分 矿石常规化学成分包括：TFe、FeO、SiO2、CaO、MgO、Al2O3、S、P等。通常用化学分析法进行分析或光谱仪进行分析。

2）烧结矿的粒度组成和筛分指数 目前我国对高炉炉料的粒度组成检测尚未标准化，推荐采用方孔筛：5×5，6. 3×6 2）烧结矿的粒度组成和筛分指数 目前我国对高炉炉料的粒度组成检测尚未标准化，推荐采用方孔筛：5×5，6.3×6.3，10×10，16×16，25×25，40×40，80×80（mm），7个级别，其中5×5，6.3×6.3，10×10，16×16，25×25，40×40（mm）6个级别为必用筛，使用摇动筛分级，粒度组成按各粒级的出量用百分数（%）表示。 筛分指数的测定方法是：取100kg试样，等分为5份，每份20kg，用筛孔为5×5的摇筛，往复摇动10次，以小于5mm出量计算筛分指数。

式中 C—筛分指数，%；A—大于5mm粒级的量，kg。 3）物理性能 炼铁原料物理性能主要有：真密度、视密度、堆积密度、微气孔率、开口气孔率、全气孔率、气孔表面积与自然堆角等。 4）烧结矿转鼓指数（GB3209—87）

GB3209—87标准采用转鼓为φ1000×500mm，内侧有两块成180°的提升板，板高50mm，装料15kg，转速25r/min，转200转，鼓后采用机械摇动筛，筛孔为6.3×6.3mm，往复30次，以>6.3mm的粒级表示转鼓强度。转鼓强度T=M1/M0×100%，抗磨强度 式中 M0—入鼓式样重量，kg；M1—转鼓后+6.3mm粒级部分质量，kg； M2—转鼓后(-6.3~+0.5mm)粒级部分质量，kg。

（2）冶金性能检验 1）冶金性能检测 为了满足高炉冶炼要求，对入炉铁矿石的冶金性能需做多种检测，如常温强度性能检测有转鼓指数、 抗磨指数、落下指数、抗压强度、贮存强度等；高温冶金性能有天然块矿的热爆裂性能、低温还原粉化率、 中温（900℃左右）还原度、高温（1250℃左右）还原度、在还原度40%（或60%） 时的还原速率、还原膨胀率、还原后的抗压强度、还原软熔性能（软化开始、软化终了、熔融滴落开始及熔化终了温度、软化区间及熔化区间温度、软熔时的矿层差压等）。

①烧结矿还原度（RI） 烧结矿还原性是模拟炉料自高炉上部进入高温区的条件，用还原气体从烧结矿中排除与铁结合氧的难易程度的一种度量。它是评价烧结矿冶金性能的主要质量标准。GB13241—91国家标准方法规定： 试验条件：反应罐—双壁75mm；试样：粒度10.0~12.5mm，500g；还原气体：CO/N2=30/70，H2、CO2、H2O<0.2%，O2<0.1%；还原温度：900±10℃；气体流量：15NL/min；还原时间：180min。

还原度计算： 式中 Rt—还原t时间的还原度；M0—试验质量，g；M1—还原开始前试样质量，g；Mt—还原t时间后试样质量，g；W1—试验前试样中FeO含量，%；W2—试验前试样的全铁含量，%； 0.11—使FeO氧化到Fe2O3时必须的相应氧量的换算系数；0.43—TFe全部氧化成Fe2O3时需氧量的换算系数。 本标准规定，以180min的还原度指数作为考核指标，用RI表示。

②烧结矿低温还原粉化指数 铁矿石进入高炉炉身上部大约在500~600℃的低温区时，由于热冲击及铁矿石中（Fe2O3还原Fe2O3→Fe3O4→FeO）发生晶形转变等因素，导致块状含铁物料的粉化，这将直接影响高炉炉料顺行和炉内气流分布。低温还原粉化性的测定，就是模拟高炉上部条件进行的。我国铁矿石低温还原粉化试验静态还原后使用冷转鼓的方法。基本原理是把一定粒度范围的试样，在固定床中500℃温度下，用CO、CO2、N2组成的还原气体进行静态还原。恒温还原60min后，试样经冷却，装入转鼓（φ130×200mm），转300转后取出，用6.3、3.15、0.5mm的方孔筛分级，分别计算各粒级出量，用RDI表示铁矿石的粉化性。

试验条件。还原试验： 反应罐：双壁75mm；试样：粒度10. 0~12 试验条件。还原试验： 反应罐：双壁75mm；试样：粒度10.0~12.5mm，500g；还原气体：CO:CO2:N2=20:20:60；H2<0.2%或2.0±0.5%；H2O<0.25%；O2<0.1%；还原温度：500±10℃；气体流量：15NL/min；还原时间：60min。 转鼓试验：转鼓：φ130×200mm；转速：30r/min；时间：10min。试验结果表示。还原粉化性RDI用质量百分数表示： 还原粉化指数RDI+6.3=MD1/MD0×100%；还原粉化指数RDI+3.15=(MD1+MD2)/MD0×100%

磨损指数 式中 MD0—还原后转鼓前的试样重量，g；MD1—转鼓后+6.3mm的出量，g； MD2—转鼓后+3.15~-6.3mm的出量，g；MD3—转鼓后+0.5~-3.15mm的出量，g；MD0—转鼓后-0.5mm的出量，g； 本标准规定，试验后结果评定以RDI+3.15的结果为考核指标，RDI+6.3、RDI-0.5只作参考指标。

③软化性测定 铁矿石不是纯物质的晶体，因此没有一定的熔点，它具有一定范围的软熔区间。在高炉炼铁生产中既要求铁矿的熔化温度高，因为这样可以保持较多的气—固相间的稳定操作，更要求软熔温度区间窄，因为这可以保持较窄的软熔带，有利于煤气运动。由于矿石软熔温度不固定，试验中常测定开始软化和终了温度。通常将矿石在荷重还原条件下收缩率3%~4%时的温度定为为软化温度，收缩率为30%~40%时的温度定为软化终了温度。我国软化性能测定尚无统一标准。一般采用升温法，荷重在（0.5~1.0）×105Pa之间，在CO 30%，N2 70%的气流中还原150~240min（或还原到80%）。

④熔滴性能测定 矿石软化结束后，炉料在高炉内继续往下运动而被进一步加热和还原，矿石开始熔融，在熔渣和金属达到自由流动并积聚成滴前，软熔层中透气性极差，煤气通过受阻，因此出现很大的压力降，根据生产高炉的测定，软熔带的压力降约占高炉总压力的60%。因此人们对矿石在模拟高炉冶炼条件下的熔滴过程进行研究，并测定其滴落开始和终了温度，以及测定过程中的压力降作为评价矿石性能的依据。表示矿石熔滴性能的指标及其测定方法尚未统一标准化。

一般是将规定重量和粒度的矿样，或不经预还原，或经预还原到规定程度（达到高炉内矿石进入软熔带时的还原度），放入底部有孔的石墨坩埚内，试样上下铺有一定厚度的焦炭以模拟软熔带中的焦窗。然后上面荷重（0.5~1.0）×105Pa，由下部通入规定成分和流量的还原性气体，并以一定的升温速度将温度升到1500~1600℃进行试验测定。国内普遍采用压差陡升温度表示矿石开始熔化温度，第一滴液滴下落温度表示滴落温度，以开始熔化和开始滴下的温度差为熔滴温度区间，以最高压差 表明熔滴区的透气性状况。从高炉操作要求，熔滴温度高一些。区间窄一些， 低一些为好。

⑤球团矿抗压强度 取规定直径（一般为12.5mm）的球团矿在压力试验机上测定每个球的抗压强度，即破裂前的最大值， 用平均值“N/个球”表示。 ⑥天然块矿热爆裂性能 由于块矿致密程度、矿物组成和结晶水含量等不同，在入炉受热后引起不同程度的爆裂，而产生粉末。我国尚无测定标准，一般模拟高炉内的升温速度将块矿从常温加热至700℃，以测定爆裂后小于5mm部分的百分数来表示。 ⑦球团矿还原膨胀性能

具有一定粒度范围的球团矿，在900℃的温度下等温还原，自由膨胀。测定还原前后球团矿体积的变化来表示球团矿的还原膨胀性。GB/T 13240—91《铁矿球团相对自由膨胀指数的测定方法》。选取粒度为10~12.5mm的球团矿块18个，用水浸法先在球团矿表面上形成疏水的油酸钠水溶液薄膜，测定试样的总体积，然后烘干进行还原膨胀试验。球团矿分3层放置，每层6个。还原管直径φ75mm，还原温度为900±10℃。还原气体含CO 30%、N2 70%，流量为15L/min。还原时间为60min。在惰性气体中将还原球团冷却至100℃以下。再用水浸法测定还原后球团的总体积。用还原前后球团矿体积的变化，计算出还原膨胀指数RSI。

烧结矿矿技术标准（YB/T421—92） 类别 碱度1.50~2.50 碱度1.00~1.50 品级 一级品 二级品 化学成分（质量分数）% TFe波动范围 ±0.5 ±1.0 CaO/SiO2波动范围 ±0.08 ±0.12 FeO ≤12 ≤14 ≤13 ≤15 S ≤0.08 ≤0.12 ≤0.06 物理性能 转鼓指数（+6.3mm） ≥66 ≥63 ≥62 ≥59 抗磨指数（-0.5mm） <7 <8 <9 筛分指数（-0.5mm） <11 冶金性能 低温还原粉化指数RDI（+3.15mm） ≥60 ≥58 还原度指数RI ≥65 ≥61 ≥50

球团矿质量标准（YB/T005—91） 品级 一级品 二级品 项目名称 指标 允许波动范围 化学成分（质量分数）% TFe ±0.5 ±1.0 FeO <1 <2 碱度CaO/SiO2 ±0.05 ±0.1 S <0.05 <0.08 物理性能 每个球抗压强度/N ≥2000 ≥1500 转鼓指数（+6.3mm） ≥90 ≥86 抗磨指数（-0.5mm） <6 <8 筛分指数（-5mm） <5 冶金性能 膨胀率 <15 <20 还原性指数RI ≥65