韓 濤

（河北鋼鐵集團(tuán)宣鋼公司）

0 引言

長期以來，我國高爐煉鐵技術(shù)形成了以燒結(jié)礦為主的生產(chǎn)工藝和發(fā)展格局，入爐燒結(jié)礦比例普遍高達(dá)70% 以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018 年中國生鐵產(chǎn)量7.7 億噸，約占世界生鐵總產(chǎn)量的61.86%，據(jù)此估算，粉塵、SO2、NOX等污染物排放總量達(dá)到340 萬噸以上，其中約70%以上全部來自于燒結(jié)生產(chǎn)，而長流程鋼鐵制造產(chǎn)生的二噁英90%以上也來自燒結(jié)工序[1]。當(dāng)前我國鋼鐵制造業(yè)正進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整，隨著國家日益嚴(yán)苛的限產(chǎn)政策以及超低排放限令的實(shí)施，燒結(jié)生產(chǎn)面臨著巨大的環(huán)保挑戰(zhàn)，燒結(jié)煙氣治理存在投資高、技術(shù)難度大、脫硫副產(chǎn)品難處理等諸多問題，一些城市周邊型鋼鐵企業(yè)如何做到城企融合、和諧共生、協(xié)同發(fā)展成為企業(yè)生存的首要任務(wù)。

相對(duì)于燒結(jié)工藝，生產(chǎn)球團(tuán)礦具有能耗低、污染少、品位高等優(yōu)勢[2]，當(dāng)前以球團(tuán)礦為主導(dǎo)的瑞典SSAB 高爐已實(shí)現(xiàn)100%球團(tuán)冶煉，霍戈文公司艾莫依登廠球團(tuán)比也達(dá)到50%[3]，均取得了良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。國內(nèi)太鋼、唐鋼等先后進(jìn)行了大高爐的高球團(tuán)比工業(yè)試驗(yàn)及生產(chǎn)，球團(tuán)比最高保持在35%～60%左右[4-5]。球團(tuán)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(jié)能減排優(yōu)勢，因此大力發(fā)展高球比冶煉已成為我國今后煉鐵工藝“綠色”可持續(xù)發(fā)展的最主要途徑[6]。現(xiàn)階段，不少鋼鐵企業(yè)已將高爐球團(tuán)比提高至45%以上作為煉鐵技術(shù)攻關(guān)目標(biāo)。而酸性球團(tuán)礦由于其軟熔溫度偏低，搭配高堿度燒結(jié)礦，拉大高爐軟熔區(qū)間，增大軟熔帶厚度，惡化料柱透氣性，不利于穩(wěn)定爐缸煤氣二次分布，造成爐內(nèi)壓差升高，爐況難行。因此，需要生產(chǎn)含MgO、CaO 的鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)，筆者對(duì)我國高比例鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)煉鐵技術(shù)的發(fā)展前景及存在技術(shù)瓶頸等問題進(jìn)行了初步分析和探討。

1 鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)的優(yōu)勢

1.1 生產(chǎn)工藝的環(huán)保性

目前，隨著服役年限增長，燒結(jié)機(jī)整體漏風(fēng)率偏高，普遍高達(dá)50%以上，對(duì)燒結(jié)節(jié)能降耗、提產(chǎn)增質(zhì)帶來了諸多不利影響：一方面，燒結(jié)生產(chǎn)被迫增大主抽風(fēng)機(jī)風(fēng)門開度，甚至滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，電耗升高；另一方面，燒結(jié)料層有效風(fēng)量降低，抑制了氧化性氣氛的發(fā)展，燒結(jié)礦機(jī)械強(qiáng)度和還原性能變差，自循環(huán)返礦率升高，燒結(jié)礦產(chǎn)量降低。

相對(duì)于燒結(jié)機(jī)近似開放式的作業(yè)方式，鏈篦機(jī)－回轉(zhuǎn)窯工藝具有較好的密封性，且三大主機(jī)各段熱煙氣能量實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。以國內(nèi)某大型國有鋼鐵企業(yè)燒結(jié)球團(tuán)工序能耗、煙氣出口數(shù)據(jù)（見表1、表2）分析為例，該鋼鐵廠燒結(jié)球團(tuán)均為濕法脫硫，鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯采用高爐、焦?fàn)t煤氣作為燃料能源，球團(tuán)工序能耗為27.22 kgce/t，僅占燒結(jié)工序能耗的55.47%，球團(tuán)煙氣產(chǎn)生量也僅為燒結(jié)煙氣量的50%左右[8]，SO2、NOX等污染物氣體濃度也遠(yuǎn)低于燒結(jié)生產(chǎn)，且?guī)缀醪划a(chǎn)生二噁英，實(shí)現(xiàn)了污染物的源頭削減，同時(shí)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(jié)、球團(tuán)工序能耗

表 2 某大型鋼鐵廠燒結(jié)、球團(tuán)煙氣出口分析 mg/m3

1.2 良好的經(jīng)濟(jì)性

當(dāng)前，我國燒結(jié)生產(chǎn)過分依賴于進(jìn)口鐵礦石資源，2019 年我國進(jìn)口鐵礦石總量達(dá)到10.7 億噸，而近些年來，進(jìn)口礦采購價(jià)格持續(xù)高位運(yùn)行，其中2019 年7 月62%普指高達(dá)120 美元/干噸，創(chuàng)歷史同期最高記錄（如圖1 所示），國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的利潤空間被持續(xù)壓榨。

圖1 2017 年-2019 年進(jìn)口鐵礦62%價(jià)格指數(shù)

國內(nèi)大部分鋼鐵企業(yè)燒結(jié)配礦結(jié)構(gòu)中進(jìn)口鐵礦粉比例一般高達(dá)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(dān)高額的物流費(fèi)用，實(shí)則在運(yùn)輸大量脈石；另一方面，燒結(jié)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(dòng)性，需在燒結(jié)配料或高爐冶煉過程加入一定的鎂質(zhì)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(xiàn)已探明的磁鐵礦儲(chǔ)量達(dá)200 億噸以上[7]，經(jīng)富選后可獲得成球性能相對(duì)良好的精礦粉，有利造球及生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)球團(tuán)。因此，大力發(fā)展球團(tuán)礦，提高球團(tuán)礦產(chǎn)量，實(shí)施高球比冶煉，可有效緩解我國鋼鐵制造業(yè)對(duì)進(jìn)口鐵礦石的過渡依賴，掌握鐵礦石國際市場談判主動(dòng)權(quán)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 優(yōu)良的冶金性能

國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究[8-12]，其固結(jié)機(jī)理有別于傳統(tǒng)酸性球團(tuán)礦，主要依靠Fe2O3再結(jié)晶固結(jié)，鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)在Fe2O3結(jié)晶行為基礎(chǔ)上，隨著堿度的提高，F(xiàn)e2O3與CaO 反應(yīng)生成鐵酸鈣（CaO·Fe2O3）類低熔點(diǎn)物，產(chǎn)生一定液相量，而加入高熔點(diǎn)性的MgO，在焙燒溫度下又可抑制液相過量產(chǎn)生和還原性能較差的鐵橄欖石類礦物生成，有利于促進(jìn)Fe2O3再結(jié)晶長大，提高球團(tuán)礦致密度，提高機(jī)械強(qiáng)度。堿度過高時(shí)，在焙燒過程中，易產(chǎn)生過量的液相，致使Fe2O3晶粒呈液相包裹態(tài)，阻礙晶須生長，球團(tuán)礦強(qiáng)度大幅降低；當(dāng)MgO 含量過高時(shí)，形成大量高熔點(diǎn)渣相，導(dǎo)致液相量不足，Mg2+浸入Fe3O4晶格，抑制了磁鐵礦的氧化反應(yīng)，球團(tuán)礦FeO 含量升高，引起還原性能、機(jī)械強(qiáng)度等指標(biāo)惡化。因此，生產(chǎn)鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)，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(jié)礦、酸性球團(tuán)和鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)理化性能見表4。

表 3 典型進(jìn)口鐵礦粉工業(yè)分析 %

表4 燒結(jié)礦、酸性球團(tuán)和鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)理化性能

從表4 可以看出，相比于酸性球團(tuán)礦，熔劑性球團(tuán)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(diǎn)性抑制了低熔點(diǎn)礦物的大量形成，有利于提高球團(tuán)礦軟化開始溫度，縮小軟化溫度區(qū)間，搭配燒結(jié)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(wěn)定煤氣流二次分布，提高爐況穩(wěn)定性，降低高爐燃耗。

2 當(dāng)前的技術(shù)瓶頸

2.1 回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈

當(dāng)前，我國以鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯工藝生產(chǎn)的球團(tuán)礦約占球團(tuán)礦總產(chǎn)量的58.6%[14]，而回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈成為當(dāng)前條件下制約鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈是一項(xiàng)多因子共同影響的復(fù)雜過程，入窯粉末的大量產(chǎn)生主要受原料條件、生球質(zhì)量、熱工制度等多重因素影響。相較于生產(chǎn)酸性球團(tuán)礦，生產(chǎn)鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)礦帶入更多的CaO、MgO 等堿性氧化物，在窯內(nèi)與SiO2、鐵氧化物等更易生成玻璃質(zhì)和鐵酸鈣等低熔點(diǎn)類液相物，在相同的工況條件下，熔劑性球團(tuán)爆裂情況將更加嚴(yán)重，結(jié)圈物在窯內(nèi)的生長速度更快，進(jìn)一步惡化回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈。

國內(nèi)對(duì)鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)的研究大多限定在低硅范圍內(nèi)，即要求SiO2控制在4%以下[15]，減少CaO 帶入量，改善生球質(zhì)量和減少焙燒過程中的低熔點(diǎn)物質(zhì)，減少結(jié)圈。而大部分企業(yè)在實(shí)際經(jīng)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(tuán)用料存在吃“百家飯”、“廉價(jià)飯”情況，原料條件良莠不齊，除寶鋼、首鋼外，多數(shù)鋼鐵企業(yè)球團(tuán)礦SiO2均在4%以上，最高達(dá)到6.5%左右，如圖2 所示。目前關(guān)于高硅鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)的研究少有報(bào)道。

圖2 部分鋼鐵廠自產(chǎn)球團(tuán)礦SiO2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 對(duì)高爐煤氣流分布的影響

提高球團(tuán)礦比例，因其堆角小、易滾動(dòng)、定位布料穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，在布料過程中會(huì)滾落到料柱中心的漏斗區(qū)域內(nèi)，加重中心區(qū)域礦焦比，相應(yīng)減輕環(huán)帶負(fù)荷。同時(shí)，球團(tuán)礦粒度小而勻，其粒徑遠(yuǎn)小于燒結(jié)礦，在高爐塊狀帶球團(tuán)礦更易填充到焦炭顆粒間的空隙當(dāng)中，造成塊狀帶整體空隙度下降，料柱透氣性進(jìn)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(duì)穩(wěn)定的情況下，塊狀帶透氣性主要受料柱空隙度影響，根據(jù)Ergun 方程可以得出料層壓降與空隙度的關(guān)系為：

高爐塊狀帶透氣性與空隙度的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 料層壓降與空隙度的關(guān)系

從圖3 可以看出，隨著爐料結(jié)構(gòu)中球團(tuán)礦比例的不斷增高，料柱整體空隙度呈縮小趨勢，當(dāng)空隙度小于0.2%時(shí)，料柱壓降急劇升高，加之中心負(fù)荷重、環(huán)帶負(fù)荷輕，導(dǎo)致中心煤氣流通阻力增大，而邊緣煤氣過分發(fā)展，煤氣流分布紊亂，爐體熱負(fù)荷升高，煤氣利用率下降，燃耗升高，爐內(nèi)壓差升高，爐況難行。

穩(wěn)定高爐內(nèi)煤氣流分布，保證爐內(nèi)壓差在合理范圍內(nèi)，是實(shí)施高球比冶煉所需解決的技術(shù)難點(diǎn)。為此，印度JSW 的1#高爐優(yōu)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(qū)域附近堆置成一個(gè)焦堆，之后再布球團(tuán)礦，可有效緩解球團(tuán)礦布料中心過渡偏析[16]。日本神戶3#高爐采用球團(tuán)礦與小焦丁（8～32 mm）混裝的布料方式，增大礦層堆角，減緩球團(tuán)滾動(dòng)[17]，同時(shí)小焦丁與球團(tuán)礦之間在高溫區(qū)域的碳素溶解反應(yīng)，對(duì)料柱大焦起到一定的保護(hù)作用，進(jìn)而保證焦窗的透氣性，降低高爐內(nèi)壓差。太鋼5#高爐調(diào)整上部裝料制度，將球團(tuán)礦與燒結(jié)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(nèi)外實(shí)現(xiàn)高球比爐料結(jié)構(gòu)高爐的成功探索，為我國發(fā)展高比例熔劑性球團(tuán)煉鐵提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)和重要啟示。

3.1 鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)的生產(chǎn)發(fā)展方向

目前，關(guān)于帶式焙燒機(jī)生產(chǎn)鎂質(zhì)球團(tuán)礦[19]、熔劑性球團(tuán)礦[20]都已有了相關(guān)研究和成功經(jīng)驗(yàn)，尤其是包鋼 624 m2和首鋼京唐 504 m2帶式焙燒機(jī)的工業(yè)化應(yīng)用[21-22]，對(duì)我國球團(tuán)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展具有里程碑式的促進(jìn)作用，而目前帶式焙燒機(jī)球團(tuán)礦產(chǎn)量僅占全國球團(tuán)礦總產(chǎn)量的5.4%[23]。帶式焙燒機(jī)憑借其良好的原料適應(yīng)性、球團(tuán)質(zhì)量穩(wěn)定性、易操作性及生產(chǎn)過程的低耗低污染性等優(yōu)勢，已成為我國球團(tuán)礦未來發(fā)展的趨勢。

但在可預(yù)期的未來幾年內(nèi)，多數(shù)企業(yè)迫于資本壓力，不可能拆除或停用現(xiàn)有球團(tuán)生產(chǎn)設(shè)備而新建帶式焙燒機(jī)，球團(tuán)礦生產(chǎn)仍將以鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯工藝為主，對(duì)預(yù)防和控制回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈也進(jìn)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(yán)格保證生球質(zhì)量，優(yōu)選成球性能好、脈石成分少、堿金屬及硫負(fù)荷低的鐵精粉，優(yōu)化配礦結(jié)構(gòu)，降低粘結(jié)劑配比，降低造球水分，提高生球爆裂溫度，確保生球落下強(qiáng)度5 ～7 次/個(gè)球，抗壓強(qiáng)度＞10 N/個(gè)球；二是加強(qiáng)生球大、小球篩的日常維護(hù)，確保入窯生球粒徑在10 ～12.5 mm，及時(shí)更換破損變形的篦板、托軸、側(cè)板等，保證鏈篦機(jī)篦床在線運(yùn)行功能，減少“黑球”入窯；三是優(yōu)化球團(tuán)產(chǎn)量、料批與三大主機(jī)機(jī)速、溫度、壓力等熱工參數(shù)的合理匹配性，適當(dāng)降低鏈篦機(jī)干燥段、預(yù)熱段溫度，回轉(zhuǎn)窯焙燒溫度控制在1 250 ℃以下，強(qiáng)化環(huán)冷機(jī)密封治理，平衡好環(huán)冷機(jī)一、二段鼓風(fēng)機(jī)開度與煙罩溫度，維護(hù)好回轉(zhuǎn)窯窯頭負(fù)壓，穩(wěn)定溫度場和氣流分布。

3.2 高爐工藝改進(jìn)

我國高爐煉鐵技術(shù)在高燒結(jié)比冶煉方面積累了大量的寶貴經(jīng)驗(yàn)，各項(xiàng)技經(jīng)指標(biāo)也已位列同規(guī)模高爐先進(jìn)水平，但在高比例球團(tuán)礦尤其是熔劑性球團(tuán)礦的工業(yè)應(yīng)用方面還處于起步階段，技術(shù)力量儲(chǔ)備較為薄弱。由于球團(tuán)礦在布料特性、軟熔性能等方面存在的問題，太鋼、寶鋼等實(shí)施高比例酸性球團(tuán)礦生產(chǎn)時(shí)，隨著球團(tuán)比例的提高，造成高爐軟熔帶發(fā)生形變，位置升高增厚，料柱透氣性下降，爐內(nèi)煤氣流分布紊亂，爐內(nèi)壓差不同程度升高。因此，我國要發(fā)展高比例熔劑性球團(tuán)煉鐵技術(shù)，還需要摸索出一套適應(yīng)自身?xiàng)l件的高爐操作模式。目前，關(guān)于鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)礦在高爐內(nèi)部各段還原過程、成渣行為、煤氣流分布特性等的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。我國發(fā)展熔劑性球團(tuán)的高比例煉鐵技術(shù)，尚需要攻克一系列關(guān)鍵共性技術(shù)，高爐的裝料制度、送風(fēng)制度、熱制度、造渣制度等都需要不斷的摸索總結(jié)。

加大球團(tuán)礦在高爐內(nèi)的布料規(guī)律、運(yùn)動(dòng)軌跡，以及鎂質(zhì)熔劑性球團(tuán)礦在還原過程、造渣機(jī)理等方面的研究；建立上下部調(diào)劑協(xié)調(diào)機(jī)制，上部優(yōu)化裝料、布料制度，抑制球團(tuán)礦布料中心偏析；下部優(yōu)化送風(fēng)制度，調(diào)整風(fēng)口布局、風(fēng)口直徑、風(fēng)口長度、風(fēng)溫、煤比、富氧等，保證合理的鼓風(fēng)動(dòng)能，吹透中心；球團(tuán)比提高后，渣量降低，需要摸索新的堿度參數(shù)，滿足鐵水脫硫以及爐體渣皮維護(hù)的需求，匹配渣比、堿度、爐溫、鐵溫以及脫硫的平衡關(guān)系?？偨Y(jié)出原燃料條件、操作制度和各項(xiàng)關(guān)鍵控制參數(shù)之間的匹配相關(guān)性，并依托智能制造、綠色生產(chǎn)等技術(shù)的發(fā)展，加大創(chuàng)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(shù)。

4 結(jié)語

（1）熔劑性球團(tuán)礦以其在環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、冶金性能等方面的優(yōu)勢，成為我國煉鐵技術(shù)“綠色”發(fā)展的主要方向。

（2）帶式焙燒機(jī)是將來生產(chǎn)鎂質(zhì)堿性球團(tuán)的方向。

（3）回轉(zhuǎn)窯極易結(jié)圈的特性又成為制約其發(fā)展的技術(shù)瓶頸，優(yōu)質(zhì)鐵礦粉資源日趨匱乏，酸性脈石成分高，成為降低球團(tuán)礦質(zhì)量、惡化回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈的又一客觀因素。

（4）大型高爐高比例熔劑性球團(tuán)冶煉經(jīng)驗(yàn)較為缺乏，相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備不足，高球團(tuán)比爐料結(jié)構(gòu)冶煉之路任重而道遠(yuǎn)。