高比例鎂質熔劑性球團煉鐵技術現狀淺析

韓 濤

（河北鋼鐵集團宣鋼公司）

0 引言

長期以來，我國高爐煉鐵技術形成了以燒結礦為主的生產工藝和發展格局，入爐燒結礦比例普遍高達70% 以上。據統計，2018 年中國生鐵產量7.7 億噸，約占世界生鐵總產量的61.86%，據此估算，粉塵、SO2、NOX等污染物排放總量達到340 萬噸以上，其中約70%以上全部來自于燒結生產，而長流程鋼鐵制造產生的二噁英90%以上也來自燒結工序[1]。當前我國鋼鐵制造業正進行大規模產業布局調整，隨著國家日益嚴苛的限產政策以及超低排放限令的實施，燒結生產面臨著巨大的環保挑戰，燒結煙氣治理存在投資高、技術難度大、脫硫副產品難處理等諸多問題，一些城市周邊型鋼鐵企業如何做到城企融合、和諧共生、協同發展成為企業生存的首要任務。

相對于燒結工藝，生產球團礦具有能耗低、污染少、品位高等優勢[2]，當前以球團礦為主導的瑞典SSAB 高爐已實現100%球團冶煉，霍戈文公司艾莫依登廠球團比也達到50%[3]，均取得了良好的經濟指標。國內太鋼、唐鋼等先后進行了大高爐的高球團比工業試驗及生產，球團比最高保持在35%～60%左右[4-5]。球團礦無論從自身的制備還是參與高爐的冶煉過程，都具備良好的節能減排優勢，因此大力發展高球比冶煉已成為我國今后煉鐵工藝“綠色”可持續發展的最主要途徑[6]?，F階段，不少鋼鐵企業已將高爐球團比提高至45%以上作為煉鐵技術攻關目標。而酸性球團礦由于其軟熔溫度偏低，搭配高堿度燒結礦，拉大高爐軟熔區間，增大軟熔帶厚度，惡化料柱透氣性，不利于穩定爐缸煤氣二次分布，造成爐內壓差升高，爐況難行。因此，需要生產含MgO、CaO 的鎂質熔劑性球團，筆者對我國高比例鎂質熔劑性球團煉鐵技術的發展前景及存在技術瓶頸等問題進行了初步分析和探討。

1 鎂質熔劑性球團的優勢

1.1 生產工藝的環保性

目前，隨著服役年限增長，燒結機整體漏風率偏高，普遍高達50%以上，對燒結節能降耗、提產增質帶來了諸多不利影響：一方面，燒結生產被迫增大主抽風機風門開度，甚至滿負荷運轉，電耗升高；另一方面，燒結料層有效風量降低，抑制了氧化性氣氛的發展，燒結礦機械強度和還原性能變差，自循環返礦率升高，燒結礦產量降低。

相對于燒結機近似開放式的作業方式，鏈篦機－回轉窯工藝具有較好的密封性，且三大主機各段熱煙氣能量實現循環利用。以國內某大型國有鋼鐵企業燒結球團工序能耗、煙氣出口數據（見表1、表2）分析為例，該鋼鐵廠燒結球團均為濕法脫硫，鏈篦機—回轉窯采用高爐、焦爐煤氣作為燃料能源，球團工序能耗為27.22 kgce/t，僅占燒結工序能耗的55.47%，球團煙氣產生量也僅為燒結煙氣量的50%左右[8]，SO2、NOX等污染物氣體濃度也遠低于燒結生產，且幾乎不產生二噁英，實現了污染物的源頭削減，同時極大的減輕了煙氣末端治理的難度和資金投入。

表1 某大型鋼鐵廠燒結、球團工序能耗

表 2 某大型鋼鐵廠燒結、球團煙氣出口分析 mg/m3

1.2 良好的經濟性

當前，我國燒結生產過分依賴于進口鐵礦石資源，2019 年我國進口鐵礦石總量達到10.7 億噸，而近些年來，進口礦采購價格持續高位運行，其中2019 年7 月62%普指高達120 美元/干噸，創歷史同期最高記錄（如圖1 所示），國內鋼鐵企業的利潤空間被持續壓榨。

圖1 2017 年-2019 年進口鐵礦62%價格指數

國內大部分鋼鐵企業燒結配礦結構中進口鐵礦粉比例一般高達50%～60%，其中澳系粉約占45%～55%，其鐵品位低、脈石成分含量高（見表3）。一方面，我國承擔高額的物流費用，實則在運輸大量脈石；另一方面，燒結礦鐵品位僅為54%～58%,且Al2O3含量較高，造成高爐渣中Al2O3含量升高，為改善爐渣流動性，需在燒結配料或高爐冶煉過程加入一定的鎂質熔劑，以維持合理的渣中MgO/Al2O3比（一般維持在0.55 ～0.6之間），造成入爐品位偏低，高爐燃耗升高。我國現已探明的磁鐵礦儲量達200 億噸以上[7]，經富選后可獲得成球性能相對良好的精礦粉，有利造球及生產優質球團。因此，大力發展球團礦，提高球團礦產量，實施高球比冶煉，可有效緩解我國鋼鐵制造業對進口鐵礦石的過渡依賴，掌握鐵礦石國際市場談判主動權，具有良好的經濟效益。

1.3 優良的冶金性能

國內外研究學者對鎂質熔劑性球團進行了大量實驗研究[8-12]，其固結機理有別于傳統酸性球團礦，主要依靠Fe2O3再結晶固結，鎂質熔劑性球團在Fe2O3結晶行為基礎上，隨著堿度的提高，Fe2O3與CaO 反應生成鐵酸鈣（CaO·Fe2O3）類低熔點物，產生一定液相量，而加入高熔點性的MgO，在焙燒溫度下又可抑制液相過量產生和還原性能較差的鐵橄欖石類礦物生成，有利于促進Fe2O3再結晶長大，提高球團礦致密度，提高機械強度。堿度過高時，在焙燒過程中，易產生過量的液相，致使Fe2O3晶粒呈液相包裹態，阻礙晶須生長，球團礦強度大幅降低；當MgO 含量過高時，形成大量高熔點渣相，導致液相量不足，Mg2+浸入Fe3O4晶格，抑制了磁鐵礦的氧化反應，球團礦FeO 含量升高，引起還原性能、機械強度等指標惡化。因此，生產鎂質熔劑性球團，堿度最佳控制范圍在0.8 ～1.6，而MgO 控制在0.25%～2.5%為宜[13]。燒結礦、酸性球團和鎂質熔劑性球團理化性能見表4。

表 3 典型進口鐵礦粉工業分析 %

表4 燒結礦、酸性球團和鎂質熔劑性球團理化性能

從表4 可以看出，相比于酸性球團礦，熔劑性球團的RDI+3.15雖有所降低，但還原性能大幅提高，RI 提高了14.7%。MgO 的高熔點性抑制了低熔點礦物的大量形成，有利于提高球團礦軟化開始溫度，縮小軟化溫度區間，搭配燒結礦入爐，更有利于降低高爐爐料軟熔帶位置、減薄軟熔帶厚度，提高料柱透氣性，穩定煤氣流二次分布，提高爐況穩定性，降低高爐燃耗。

2 當前的技術瓶頸

2.1 回轉窯結圈

當前，我國以鏈篦機—回轉窯工藝生產的球團礦約占球團礦總產量的58.6%[14]，而回轉窯結圈成為當前條件下制約鎂質熔劑性球團發展的技術瓶頸，回轉窯結圈是一項多因子共同影響的復雜過程，入窯粉末的大量產生主要受原料條件、生球質量、熱工制度等多重因素影響。相較于生產酸性球團礦，生產鎂質熔劑性球團礦帶入更多的CaO、MgO 等堿性氧化物，在窯內與SiO2、鐵氧化物等更易生成玻璃質和鐵酸鈣等低熔點類液相物，在相同的工況條件下，熔劑性球團爆裂情況將更加嚴重，結圈物在窯內的生長速度更快，進一步惡化回轉窯結圈。

國內對鎂質熔劑性球團的研究大多限定在低硅范圍內，即要求SiO2控制在4%以下[15]，減少CaO 帶入量，改善生球質量和減少焙燒過程中的低熔點物質，減少結圈。而大部分企業在實際經營過程中，為避免大量的資金占用，多采用低成本采購策略，球團用料存在吃“百家飯”、“廉價飯”情況，原料條件良莠不齊，除寶鋼、首鋼外，多數鋼鐵企業球團礦SiO2均在4%以上，最高達到6.5%左右，如圖2 所示。目前關于高硅鎂質熔劑性球團的研究少有報道。

圖2 部分鋼鐵廠自產球團礦SiO2 質量分數

2.2 對高爐煤氣流分布的影響

提高球團礦比例，因其堆角小、易滾動、定位布料穩定性差等特點，在布料過程中會滾落到料柱中心的漏斗區域內，加重中心區域礦焦比，相應減輕環帶負荷。同時，球團礦粒度小而勻，其粒徑遠小于燒結礦，在高爐塊狀帶球團礦更易填充到焦炭顆粒間的空隙當中，造成塊狀帶整體空隙度下降，料柱透氣性進一步惡化。

用料層單位高度壓降表征高爐塊狀帶透氣性，在其他工況條件相對穩定的情況下，塊狀帶透氣性主要受料柱空隙度影響，根據Ergun 方程可以得出料層壓降與空隙度的關系為：

高爐塊狀帶透氣性與空隙度的關系如圖3 所示。

圖3 料層壓降與空隙度的關系

從圖3 可以看出，隨著爐料結構中球團礦比例的不斷增高，料柱整體空隙度呈縮小趨勢，當空隙度小于0.2%時，料柱壓降急劇升高，加之中心負荷重、環帶負荷輕，導致中心煤氣流通阻力增大，而邊緣煤氣過分發展，煤氣流分布紊亂，爐體熱負荷升高，煤氣利用率下降，燃耗升高，爐內壓差升高，爐況難行。

穩定高爐內煤氣流分布，保證爐內壓差在合理范圍內，是實施高球比冶煉所需解決的技術難點。為此，印度JSW 的1#高爐優化料序和布料矩陣，在布料過程中，首先利用焦炭在料柱中心區域附近堆置成一個焦堆，之后再布球團礦，可有效緩解球團礦布料中心過渡偏析[16]。日本神戶3#高爐采用球團礦與小焦?。?～32 mm）混裝的布料方式，增大礦層堆角，減緩球團滾動[17]，同時小焦丁與球團礦之間在高溫區域的碳素溶解反應，對料柱大焦起到一定的保護作用，進而保證焦窗的透氣性，降低高爐內壓差。太鋼5#高爐調整上部裝料制度，將球團礦與燒結礦混裝、中心加焦減輕礦焦比等，保證中心煤氣流[18]。

3 展望

國內外實現高球比爐料結構高爐的成功探索，為我國發展高比例熔劑性球團煉鐵提供了寶貴的借鑒經驗和重要啟示。

3.1 鎂質熔劑性球團的生產發展方向

目前，關于帶式焙燒機生產鎂質球團礦[19]、熔劑性球團礦[20]都已有了相關研究和成功經驗，尤其是包鋼 624 m2和首鋼京唐 504 m2帶式焙燒機的工業化應用[21-22]，對我國球團技術的進步與發展具有里程碑式的促進作用，而目前帶式焙燒機球團礦產量僅占全國球團礦總產量的5.4%[23]。帶式焙燒機憑借其良好的原料適應性、球團質量穩定性、易操作性及生產過程的低耗低污染性等優勢，已成為我國球團礦未來發展的趨勢。

但在可預期的未來幾年內，多數企業迫于資本壓力，不可能拆除或停用現有球團生產設備而新建帶式焙燒機，球團礦生產仍將以鏈篦機—回轉窯工藝為主，對預防和控制回轉窯結圈也進行了大量研究工作，最直接且行之有效的措施就是減少粉末入窯。為此，一是要嚴格保證生球質量，優選成球性能好、脈石成分少、堿金屬及硫負荷低的鐵精粉，優化配礦結構，降低粘結劑配比，降低造球水分，提高生球爆裂溫度，確保生球落下強度5 ～7 次/個球，抗壓強度＞10 N/個球；二是加強生球大、小球篩的日常維護，確保入窯生球粒徑在10 ～12.5 mm，及時更換破損變形的篦板、托軸、側板等，保證鏈篦機篦床在線運行功能，減少“黑球”入窯；三是優化球團產量、料批與三大主機機速、溫度、壓力等熱工參數的合理匹配性，適當降低鏈篦機干燥段、預熱段溫度，回轉窯焙燒溫度控制在1 250 ℃以下，強化環冷機密封治理，平衡好環冷機一、二段鼓風機開度與煙罩溫度，維護好回轉窯窯頭負壓，穩定溫度場和氣流分布。

3.2 高爐工藝改進

我國高爐煉鐵技術在高燒結比冶煉方面積累了大量的寶貴經驗，各項技經指標也已位列同規模高爐先進水平，但在高比例球團礦尤其是熔劑性球團礦的工業應用方面還處于起步階段，技術力量儲備較為薄弱。由于球團礦在布料特性、軟熔性能等方面存在的問題，太鋼、寶鋼等實施高比例酸性球團礦生產時，隨著球團比例的提高，造成高爐軟熔帶發生形變，位置升高增厚，料柱透氣性下降，爐內煤氣流分布紊亂，爐內壓差不同程度升高。因此，我國要發展高比例熔劑性球團煉鐵技術，還需要摸索出一套適應自身條件的高爐操作模式。目前，關于鎂質熔劑性球團礦在高爐內部各段還原過程、成渣行為、煤氣流分布特性等的相關文獻報道較少。我國發展熔劑性球團的高比例煉鐵技術，尚需要攻克一系列關鍵共性技術，高爐的裝料制度、送風制度、熱制度、造渣制度等都需要不斷的摸索總結。

加大球團礦在高爐內的布料規律、運動軌跡，以及鎂質熔劑性球團礦在還原過程、造渣機理等方面的研究；建立上下部調劑協調機制，上部優化裝料、布料制度，抑制球團礦布料中心偏析；下部優化送風制度，調整風口布局、風口直徑、風口長度、風溫、煤比、富氧等，保證合理的鼓風動能，吹透中心；球團比提高后，渣量降低，需要摸索新的堿度參數，滿足鐵水脫硫以及爐體渣皮維護的需求，匹配渣比、堿度、爐溫、鐵溫以及脫硫的平衡關系?？偨Y出原燃料條件、操作制度和各項關鍵控制參數之間的匹配相關性，并依托智能制造、綠色生產等技術的發展，加大創新力度，培育出符合我國國情及資源情況的新型煉鐵集成技術。

4 結語

（1）熔劑性球團礦以其在環保、經濟、冶金性能等方面的優勢，成為我國煉鐵技術“綠色”發展的主要方向。

（2）帶式焙燒機是將來生產鎂質堿性球團的方向。

（3）回轉窯極易結圈的特性又成為制約其發展的技術瓶頸，優質鐵礦粉資源日趨匱乏，酸性脈石成分高，成為降低球團礦質量、惡化回轉窯結圈的又一客觀因素。

（4）大型高爐高比例熔劑性球團冶煉經驗較為缺乏，相關技術儲備不足，高球團比爐料結構冶煉之路任重而道遠。