第2章　烧结球团原料和燃料

2.1　天然铁矿石

铁矿物种类繁多，目前已发现的铁矿物和含铁矿物有300余种，其中常见的有170余种。但在当前技术条件下，具有工业利用价值的主要是磁铁矿、赤铁矿、磁赤铁矿、钛铁矿、褐铁矿和菱铁矿等。脉石和杂质：碱性脉石（basic gangue），如CaO、MgO；酸性脉石（acidic gangue），如SiO2、Al2O3。

冶炼时希望酸性脉石含量越少越好。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，属自熔性矿石。

扣除CaO后的铁品位：

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，使炉渣中Al2O3含量超过22%～25%时，炉渣难熔而不易流动，冶炼困难。

印度塔塔钢铁公司（TISCO）矿石中Al2O3高，炉渣中Al2O3含量高达25%左右，因此采取提高MgO的含量来解决炉渣流动性的问题。有害杂质——S、P，S在烧结球团高温氧化造块中脱除大部分，但P无法脱除。

①S在钢铁内以FeS形态存在于晶粒间界上，熔点低（1193℃），导致“热脆”；

②P易结合成Fe3P，形成Fe3P-Fe二元共晶体，在钢铁内导致“冷脆”。

有益杂质——Mn，有益金属元素——Cu、Cr、V、Mo，少量存在对保证钢材的某些特殊性能有显著作用。

生产优质烧结球团矿的原料的三大基本因素：具有一定的粒度和粒度组成；适宜的水分；均匀的化学成分。

为了衡量磁铁矿的氧化程度，通常以全铁（TFe）与氧化亚铁（FeO）的比值这一概念来区分。对于纯磁铁矿，其理论比值为2.33，比值越大，说明铁矿石的氧化程度越高。

当　TFe/FeO<2.7　为原生磁铁矿（original ore）

　　TFe/FeO=2.7～3.5　为混合矿石（mixed ore）

　　TFe/FeO>3.5　为氧化矿石（oxidized ore）

我国一些铁矿石选矿厂常采用磁性率来表示矿石的磁性。磁性率是矿石中氧化亚铁的质量分数和矿石中全部铁的质量分数的比值。计算公式：

磁性率=（FeO/TFe）×100%

理论上纯磁铁矿（Fe3O4）的磁性率为42.8%。一般将磁性率大于36%的铁矿石划为磁铁矿石；磁性率介于28%～36%之间的铁矿石划为假象赤铁矿石；磁性率小于28%的铁矿石划为赤铁矿石。上述划分比值只是对矿物成分简单、具有比较单一的磁铁矿和赤铁矿组成的铁矿床或矿石才适用。若矿石中含有硅酸盐、硫化铁和碳酸铁等，因其中FeO不具磁性，在计算时计入FeO范围内时就易出现假象，分析可靠性降低。

铁矿物种类繁多，目前已发现的铁矿物和含铁矿物约300余种，其中常见的有170余种（如表2-1所示）。但在当前技术条件下，具有工业利用价值的主要是磁铁矿、赤铁矿、磁赤铁矿、钛铁矿、褐铁矿和菱铁矿等。

（1）磁铁矿（magnetite）　磁铁矿（图2-1）主要成分为Fe3O4，是Fe2O3和FeO的复合物。FeO 31.03%，Fe2O3 68.97%或含Fe 72.4%（理论铁品位），含O 27.6%，等轴晶系，硬度5.5～6.5，相对密度4.9～5.2，无解理，脉石主要是石英及硅酸盐，具有强磁性，还原性差，一般含有害杂质硫和磷较高。在选矿（beneficiation）时可利用磁选法，处理非常方便；但是由于其结构细密，故还原性较差。经过长期风化作用后即变成赤铁矿。磁铁矿是岩浆成因铁矿床、接触交代-热液铁矿床、沉积变质铁矿床，以及一系列与火山作用有关的铁矿床中铁矿石的主要矿物。此外，也常见于砂矿床中。在自然界纯磁铁矿矿石很少遇到，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。所谓假象赤铁矿就是磁铁矿（Fe3O4）氧化成赤铁矿（Fe2O3），但仍能保持其原来的晶形，所以叫做假象赤铁矿。一般开采出来的磁铁矿石含铁量为30%～60%，当含铁量大于45%，粒度大于5mm或8mm时，可直接供炼铁用：小于5mm作为球团原料，大于8mm则作为烧结原料用。当含铁量低于45%，或有害杂质超过规定，不能直接利用，必须经过选矿处理。在烧结球团焙烧过程中磁铁矿氧化为赤铁矿。在这一反应中，每千克磁铁矿大约放热118.6kcal（1cal=4.1868J），这一补充热量对焙烧过程有益。可烧性良好：磁铁矿在高温处理时氧化放热，且FeO易与脉石成分形成低熔点化合物，故造块节能，结块强度好。

（2）赤铁矿（hematite）　赤铁矿（hematite，图2-2）为无水氧化铁矿石，其化学式为Fe2O3，理论含铁量为70%。这种矿石在自然界中经常形成巨大的矿床，从埋藏和开采量来说，它都是工业生产的主要矿石。由其本身结构状况的不同又可分成很多类别，如赤色赤铁矿（red hematite）、镜铁矿（specular hematite）、云母铁矿（micaceous hematite）、黏土质赤铁（red ocher）等。赤铁矿含铁量一般为50%～60%，含有害杂质硫和磷比较少，还原性较磁铁矿好，因此，赤铁矿是一种比较优良的炼铁原料。赤铁矿有原生的，也有次生的，再生赤铁矿是磁铁矿经过氧化以后失去磁性，但仍保存着磁铁矿的结晶形状的假象赤铁矿，在假象赤铁矿中经常含有一些残余的磁铁矿。有时赤铁矿中也含有一些赤铁矿的风化产物，如褐铁矿（2Fe2O3·3H2O）。赤铁矿具有半金属光泽，结晶者硬度为5.5～6，土状赤铁矿硬度很低，无解理，相对密度4.9～5.3，仅有弱磁性，脉石为硅酸盐。自然界中Fe2O3的同质多象变种已知有两种，即α-Fe2O3和γ-Fe2O3。前者在自然条件下稳定，称为赤铁矿；后者在自然条件下不如α-Fe2O3稳定，处于亚稳定状态，称为磁赤铁矿。赤铁矿：Fe 69.94%，O 30.06%，常含类质同象混入物Ti、Al、Mn、Fe2+、Ca、Mg及少量Ga和Co。三方晶系，完好晶体少见。结晶赤铁矿为钢灰色，隐晶质；土状赤铁矿呈红色，条痕为樱桃红色或鲜猪肝色，金属至半金属光泽，有时光泽暗淡，硬度5～6，相对密度5～5.3。赤铁矿的集合体有各种形态，形成一些矿物亚种，即：①镜铁矿——具金属光泽的玫瑰花状或片状赤铁矿的集合体。②云母赤铁矿——具金属光泽的晶质细鳞状赤铁矿。③鲕状或肾状赤铁矿——形态呈鲕状或肾状的赤铁矿。赤铁矿是自然界中分布很广的铁矿物之一，可形成于各种地质作用，但以热液作用、沉积作用和区域变质作用为主。在氧化带里，赤铁矿可由褐铁矿或纤铁矿、针铁矿（goethite）经脱水作用形成。但也可以变成针铁矿和水赤铁矿等。在还原条件下，赤铁矿可转变为磁铁矿，称假象磁铁矿。磁赤铁矿：γ-Fe2O3，其化学组成中常含有Mg、Ti和Mn等混入物。等轴晶系，五角三四面体晶类，多呈粒状集合体，致密块状，常具磁铁矿假象。颜色及条痕均为褐色，硬度5，相对密度4.88，强磁性。磁赤铁矿主要是磁铁矿在氧化条件下经次生变化作用形成。磁铁矿中的Fe2+完全为Fe3+所代替（3Fe2+ 2Fe3+），所以有（1/3）Fe2+所占据的八面体位置产生了空位。另外，磁赤铁矿可由纤铁矿失水而形成，亦有由铁的氧化物经有机作用而形成的。

呈结晶状的赤铁矿，其颗粒内孔隙多，而易还原和破碎。但因其铁氧化程度高而难形成低熔点化合物，故其可烧性较差，造块时燃料消耗比磁铁矿高。

（3）褐铁矿（limonite）　见图2-3，是含有氢氧化铁的矿石，是由其他矿石风化后生成的，在自然界中分布得最广泛，但矿床埋藏量大的并不多见。它是针铁矿（goethite）HFeO2和鳞铁矿（lepidocrocite）FeO（OH）两种不同结构矿石的统称，也有人把它主要成分的化学式写成mFe2O3·nH2O，呈现土黄或棕色，含有Fe约62%、O 27%、H2O 11%，相对密度为3.6～4.0，多半是附存在其他铁矿石之中。实际上并不是一个矿物种，而是针铁矿、纤铁矿、水针铁矿、水纤铁矿以及含水氧化硅、泥质等的混合物。褐铁矿中绝大部分含铁矿物是以2Fe2O3·H2O形式存在的。化学成分变化大，含水量变化也大。一般褐铁矿石含铁量为37%～55%，有时含磷较高。褐铁矿的吸水性很强，一般都吸附着大量的水分，在焙烧或入高炉受热后去掉游离水和结晶水，矿石气孔率因而增加，大大改善了矿石的还原性。所以褐铁矿比赤铁矿和磁铁矿的还原性都要好。同时，由于去掉了水分相应地提高了矿石的含铁量。①针铁矿α-FeO（OH），含Fe 62.9%。含不定量的吸附水者，称水针铁矿HFeO2·NH2O，斜方晶系，形态有针状、柱状、薄板状或鳞片状，通常呈豆状、肾状或钟乳状，切面具平行或放射纤维状构造，有时呈致密块状、土状，也有呈鲕状，颜色红褐、暗褐至黑褐，经风化而成的粉末状、赭石状，褐铁矿则呈黄褐色。针铁矿条痕为红褐色，硬度5～5.5，相对密度4～4.3。而褐铁矿条痕则一般为淡褐或黄褐色，硬度1～4，相对密度3.3～4。②纤铁矿γ-FeO（OH），含Fe 62.9%。含不定量的吸附水者，称水纤铁矿FeO（OH）·nH2O，斜方晶系。常见鳞片状或纤维状集合体。颜色暗红至黑红色。条痕为橘红色或砖红色。硬度4～5，相对密度4.01～4.1。根据含结晶水不同，褐铁矿可分为五种：

①水赤铁矿——2Fe2O3·H2O；

②针赤铁矿——2Fe2O3·H2O；

③水针铁矿——3Fe2O3·4H2O；

④黄针铁矿——Fe2O3·2H2O；

⑤黄赭石——Fe2O3·3H2O。

自然界中的褐铁矿绝大部分以褐铁矿（2Fe2O3·3H2O）形态存在。褐铁矿是由其他矿风化而成，其结构松软，密度小，含水量大，气孔多，且在温度升高时结晶水脱除后又留下新的气孔，故还原性皆比前两种铁矿高。褐铁矿因含结晶水和气孔多，用烧结球团造块时收缩性很大，使产品质量降低，只有延长高温处理时间，产品强度才可相应提高，但导致燃料消耗增大，加工成本提高。

（4）菱铁矿（siderite）　见图2-4，是含有碳酸铁的矿石，主要成分为FeCO3，呈现青灰色，理论含铁量48.2%，相对密度在3.8左右，FeCO3含FeO 62.01%，CO2 37.99%，常含Mg和Mn，三方晶系，常见菱面体，晶面常弯曲。其集合体呈粗粒状至细粒状，亦有呈结核状、葡萄状、土状者，黄色、浅褐黄色（风化后为深褐色），玻璃光泽，硬度3.5～4.5，相对密度3.96左右，因Mg和Mn的含量不同而有所变化。在自然界中，有工业开采价值的菱铁矿比其他三种矿石都少。菱铁矿很容易被分解氧化成褐铁矿。一般含铁量不高，但受热分解出CO2以后，不仅含铁量显著提高而且也变得多孔，还原性很好。这种矿石多半含有相当多数量的钙盐和镁盐。由于碳酸根在高温（约800～900℃）时会吸收大量的热而放出二氧化碳，所以我们多半先把这一类矿石加以焙烧之后再加入鼓风炉。

3FeCO3 Fe3O4+CO+2CO2

在烧结球团造块时，因收缩量大、导致产品强度降低和设备生产能力低，燃料消耗也因碳酸盐分解而增加。

（5）其他　钛铁矿（ilmenite）其化学式是FeTiO3，Fe 36.8%，Ti 36.6%，O 31.6%，三方晶系，菱面体晶类，常呈不规则粒状、鳞片状或厚板状。在950℃以上钛铁矿与赤铁矿形成完全类质同象。当温度降低时，即发生熔离，故钛铁矿中常含有细小鳞片状赤铁矿包体。钛铁矿颜色为铁黑色或钢灰色，条痕为钢灰色或黑色。含赤铁矿包体时呈褐色或带褐的红色条痕，金属-半金属光泽，不透明，无解理，硬度5～6.5，相对密度4～5，弱磁性。钛铁矿主要出现在超基性岩、基性岩、碱性岩、酸性岩及变质岩中。我国攀枝花钒钛磁铁矿床中，钛铁矿呈粒状或片状分布于钛磁铁矿等矿物颗粒之间，或沿钛磁铁矿裂开面成定向片晶。铁的硅酸盐矿（silicate iron），此类矿石是一种复合盐，没有一定的化学式，成分的变化很大，一般呈现深绿色，相对密度为3.8左右，含铁量很低，是一种较差的铁矿石。硫化铁矿（sulphide iron），这种矿石含有FeS2，含Fe只有46.6%而S的含量达到53.4%；呈现灰黄色，相对密度为4.95～5.10。由于这种矿石常常含有许多其他较贵重的金属如铜（copper）、镍（nickel）、锌（zinc）、金（gold）、银（silver）等，所以常被用作其他种金属冶炼工业的原料；又由于它含有大量的硫，所以常被用来提制硫黄，铁反而变成了副产品，事实上已不能称为铁矿石。

现代高炉冶炼铁矿石质量标准见表2-2。