铁矿石及其性质
2012-11-13 13:54:04   来源： ()　   评论：0 点击：

    球团所用的含铁原料除极个别厂家或特殊生产工艺外，几乎全部采用各种类型的铁精矿。现代球团厂使用的铁精矿有磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、混合精矿等。精矿生产是由选矿厂根据矿石不同特性采取不同选矿方法制取的。
                                    第一节 铁矿石及其性质
       铁在自然界（地壳）分布很广，但由于铁很容易与其它元素化合而成各种铁矿物（化合物）存在，所以地壳层很少有天然纯铁存在。我们所说的铁矿石是指在现代技术条件下能冶炼出铁来而又在经济上合算的铁矿物。铁矿石是由一种或几种含铁矿物和脉石组成，其中还夹带一些杂质。脉石亦是由一种或几种矿物（化合物）组成。含铁矿物和脉石都叫矿物，都是具有一定的化学组成和结晶构造的化合物。
一、铁矿石的种类及其特性
        自然界含铁矿物很多，已被人们认识的就有300多种，但现阶段用作炼铁原料的还只有二十几种，其中最主要的是磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿四种类型。
  （一）磁铁矿
         磁铁矿主要含铁矿物为四氧化三铁，其化学分子式为Fe₃O₄。理论含铁量为72.4%，外表颜色通常为炭黑色或略带有浅兰的黑色，有金属光泽，条痕（在表面不平的白瓷板上划道时板上出现的颜色）黑色。俗称青矿。这种矿石最突出的特点是具有磁性，这也是它名称的由来。磁铁矿一般很坚硬，组织致密，还原性能差。一般磁铁矿的硬度在5.5～6.5之间，比重在4.6～5.2之间。自然界这种矿石分布很广，贮量丰富。
         然而，地壳表层纯磁铁矿却很少见，因为磁铁矿是铁的非高价氧化物，所以遇氧或水要继续氧化。由于氧化作用使部分磁铁矿被氧化成赤铁矿，但仍保持磁铁矿的结晶形态，这种矿石我们称它为假象赤铁矿和半假象赤铁矿。通常我们用下面的方法，即为铁矿石中的全铁（TFe）与氧化亚铁（FeO）的比值来划分，对纯磁铁矿其理论值为2.34，比值越大说明铁矿石氧化程度越高。
    当TFe/FeO< 3.5为磁铁矿
    TFe/FeO=3.5～7为半假象赤铁矿
    TFe/FeO> 7为假象赤铁矿
    这里应当指出的是，这种划分只适用于由单一的磁铁矿和赤铁矿组成的铁矿床。如果矿石中含有硅酸铁（FeO· SiO₂）、硫化铁（FeS）和碳酸铁（FeCO₃）等，由于其中的FeO（或Fe⁺⁺）不具磁性，如比较时把它们也计算在FeO内就会出现假象。
    另外，有的磁铁矿还含有钛（TiO₂）和钒（V₂O₅）的氧化物，我们把它们分别叫做钛磁铁矿、钒磁铁矿或钒钛磁铁矿。也有和黄铁矿（FeS）共生的则叫做磁黄铁矿。
  （二）赤铁矿
    赤铁矿是指不含结晶水的三氧化二铁，其化学分子式为Fe₂O₃（三氧化二铁）。纯赤铁矿理论含铁量为70%。它外表颜色从红到浅灰，有时为黑色，条痕暗红色。俗称“红矿”。赤铁矿结晶组织不一，从非常致密到很分散很松软的粉状，因而硬度也不一，前者一般为5.5～6.5之间，后者则很低。一般较磁铁矿易还原。比重为4.8～5.3之间。
    赤铁矿在自然界中贮量丰富，但纯净的赤铁矿较少，常与磁铁矿、褐铁矿等共生。
  （三）褐铁矿
    褐铁矿是含结晶水的三氧化二铁，化学式可用mFe₂O₃· nH₂O表示。它实际上是由针铁矿（Fe₂O₃· H₂O）、水针铁矿（2Fe₂O3· H₂O）、氢氧化铁和泥质物的混合物所组成。自然界中褐铁矿绝大部分以2Fe₂O₃· 3H₂O形态存在。按结晶水含量不同，褐铁矿又可分为水赤铁矿、针赤铁矿、褐铁矿等。
    褐铁矿是由其它铁矿石风化而成，因此其结构比较松软，比重小，含水量大。
    褐铁矿由于含结晶水量不同而有不同颜色，由黄褐色至深褐色或黑灰色。条痕黄褐色。褐铁矿的结晶水干燥时很容易除掉，褐铁矿的（脱水后的褐铁矿）气孔很多，容易还原。但由于褐铁矿硬度小（1～4）结构疏松，粉末多，一般都得经过造块后方才适合高炉冶炼。
  （四）菱铁矿
    菱铁矿是一种铁的碳酸盐，其化学分子式为FeCO₃（碳酸铁），理论含铁量为48.2%，含FeO为62.1%，CO₂为37.9%。
    自然界中常见的是坚硬致密的菱铁矿，外表颜色为灰色和黄褐色，比重3.8，硬度3.5～4之间，无磁性。菱铁矿在氧和水的作用下易风化成褐铁矿。覆盖在其表层。
    菱铁矿常夹杂有镁、锰和钙等碳酸盐。菱铁矿一般含铁量不高（30～40%），但经焙烧后，因分解放出CO₂含铁量显著增加，矿石也变得多孔，成为还原性良好的矿石。
二、铁矿石的评价
    铁矿石质量的主要指标是化学成分和冶金性能。最适宜于冶炼的矿石应该是：
    1、矿石成分稳定，并且有高的含铁量和低的脉石量，有害杂质少。
    2、粒度均匀，并且有良好的还原性、较高的软化温度和机械强度、良好的矿物组成。
    主要指标有：
（一）含铁量
     含铁量是评价铁矿石最主要的质量指标。工业上使用过的铁矿石含铁量范围大约在23～70%之间，通常要求矿石中含铁量不少于50%才可以直接用于高炉冶炼。根据矿石中实际含铁量与理论含铁量之比将铁矿石分为三级。
A=矿石中实际含铁量%/矿石中理论含铁量%× 100%
    当A=85～90时为一级铁矿石；
      A=75～85时为二级铁矿石；
      A< 75%时为三级铁矿石。
    直接入炉的铁矿石其含铁量一般均为理论含铁量的70～90%。
（二）脉石
     铁矿石中的脉石成分主要为SiO₂、Al₂O₃、CaO和MgO等。在脉石中碱性氧化物（CaO、MgO）与酸性氧化物（SiO₂、Al₂O₃）的比值（自然碱度）由很大意义，如果这一比值接近（高炉）炉渣碱度，在冶炼时可以不加（或稍加）溶剂，则这种矿石叫做自熔性矿石，它能给冶炼带来较好的经济效益。
（三）杂质（除脉石外）
     铁矿石中的杂质很多，根据其对冶炼过程及其对产品质量的影响又可分为有害的与无害的两类。
    1、有害杂质（元素）
    常见和最主要的有害杂质有：硫、磷、砷、钾、钠、氟等。
    （1）硫
     硫在矿石中主要以黄铁矿（FeS₂）存在，也有以黄铜矿（FeS· CuS）或硫酸盐（CaSO₄·2H₂O·BaSO₄）状态存在。冶炼时硫部分被还原进入生铁，钢铁中含硫在其热加工时易产生“热脆”。高炉冶炼时虽然可以脱硫，但却要多消耗焦碳（提高炉温）和石灰石（提高炉渣碱度），以至提高生产成本，因此入炉铁矿石要求含硫应< 0.15%。
    （2）磷
     磷在矿石中一般以磷灰石（3CaO·P₂O₅）状态存在，也有以蓝铁矿（3FeO·As₃O₅）状态存在。磷在高炉中全部被还原并大部分进入生铁。含磷多的钢铁在低温加工时易破裂，即所谓“冷脆”。
    （3）砷
    砷在一般铁矿石中很少，但在褐铁矿中比较常见，它以毒砂（FeAs₂S）或其它氧化物（As₂O₃、As₃O₅）的形态存在，砷在冶炼时大部分进入生铁，当钢中砷含量超过0.1%时会使钢冷脆冷脆，并影响钢的焊接性能。
    （4）钾、钠
    常存在于霓石、钠闪石、云石之中。它们的最大危害性是降低铁矿石的软化点，常常因此造成高炉结瘤。含钾、钠高的矿石往往容易影响高炉冶炼的顺行。
    2、有益元素（杂质）
    铁矿石中有些元素对冶炼过程不一定带来好处，但是它们却往往能改善产品的某些性能，象这些元素我们称它为有益元素。这类元素常见的有：锰、镍、铬、钒、钛等。
（四）化学性质（冶金性质）
    （1）还原性
    还原性系指铁的氧化物为还原气体（CO、H₂）还原时所表现出来的各种物理化学特性。还原性是评价铁矿石冶炼性质的一个十分重要的指标，它在很大程度上决定了生铁的质量和高炉的生产技术经济指标。还原性的影响因素很多，主要有矿物的生成和结晶构造，脉石的含量与分布，矿石的物理性能（如粒度、强度、气孔率等）及矿石的热性能（如软化温度、热强度、化学稳定性等）。
    （2）软化性能
    软化温度是指矿石在一定荷重下受热而开始变形的温度。从开始软化到软化终了的温度范围则叫软化区间。
    矿石的软化性能对高炉料柱的透气性影响很大。矿石的软化温度高，软化温度区间窄，则高炉内不会过早地形成初渣，同时其半熔化区域也小，因而高炉料柱的透气性也好。
（五)物理性质
    包括矿石粒度、机械强度、气孔率等。
    矿石的物理性质直接影响矿石的冶炼价值。例如：坚硬的矿石，气孔很少，在炉内还原困难，焦比高，松软的矿石，气孔很多，在炉内容易被料压挤和摩擦成粉末，阻碍煤气流通，对高炉操作也不利。因此对粒度、强度和气孔率要有合适的要求。就其粒度而言，坚硬难还原的矿石粒度应小一些，通常8～40mm；易还原的矿石粒度可适当大些，通常为10～50mm，特别多孔、易碎的矿石不宜直接入炉而应经人工加工造块后再入炉。