劉征建，黃建強，張建良，牛樂樂，王耀祖

（1.北京科技大學 冶金與生態(tài)工程學院，北京 100083；2.北京科技大學 人工智能研究院，北京 100083）

建國之初，我國高爐入爐爐料主要為低堿度燒結礦和含鐵品位低的塊礦，此時高爐有效容積利用系數(shù)在0.7 t/（m3·d）以下，焦比達到1 200 kg/t以上［1］。20世紀50年代中后期，我國向蘇聯(lián)學習，轉向了高堿度燒結礦的生產(chǎn)。使用自熔性燒結礦有效降低了焦比并提高生產(chǎn)率，我國高爐在相當長的一段時間內(nèi)采用100%自熔性燒結礦為原料。到了70年代，日本研究發(fā)現(xiàn)爐料結構對軟熔帶的影響，開始研究合理爐料結構的相關問題［2-4］。隨之開始生產(chǎn)球團礦，高爐采用“高堿度燒結礦+球團礦+天然塊礦”搭配的爐料結構［5］，高爐指標情況也因此有了明顯的改善。爐料結構是否合理將直接影響高爐產(chǎn)量以及焦比，優(yōu)化爐料結構一直都是一個重要技術問題。

對比燒結礦，球團礦有以下優(yōu)勢：首先，球團礦粒度小且均勻，有利于改善高爐料柱透氣性，返礦率低；其次，球團礦的SiO2含量可達超低至2%，而燒結礦的SiO2含量基本在4.5%以上，燒結中FeO含量高（＞7%），球團FeO含量低（＜1%），因此大比例球團冶煉有利于間接還原；球團礦強度高，在運輸、裝卸和貯存時產(chǎn)生粉末少。在冶煉實踐中，高比例球團冶煉有利于改善爐料結構，提高入爐含鐵品位，有利于提高煤氣利用率，降低焦比和燃料比，使得高爐增產(chǎn)降耗，有利于綜合利用國內(nèi)貧礦資源等。除此之外，從生產(chǎn)和環(huán)境狀況來看，一方面球團工序能耗約為燒結工序的一半，甚至低至三分之一左右［6］。另一方面球團礦煙氣量更低，球團礦的噸礦煙氣量一般為1 300 m3/t（標況下，下同），而燒結礦為1 800 m3/t。從CO2排放量來看，球團工序的噸礦CO2排放量僅占燒結工序的20%~46%［7］，且燒結工序除排放SO2、NOx之外還有高排放量的二噁英、CO和氟化物。因此相對于燒結，球團生產(chǎn)更有利于鐵前工序的清潔生產(chǎn)。綜上所述，提高球團礦入爐比例是一種重要的爐料結構優(yōu)化方式。

本文針對提高球團礦入爐比冶煉，介紹了歐盟、北美以及國內(nèi)一些企業(yè)高比例球團冶煉實踐的爐料結構和指標情況，研究了國內(nèi)外企業(yè)大球比冶煉的操作制度，最后總結分析了現(xiàn)階段球團入爐高比例冶煉的不足和未來的發(fā)展方向。

1 高比例球團冶煉實踐

1.1 高品質(zhì)球團冶煉的質(zhì)量控制

爐料質(zhì)量是高爐煉鐵燃料比的決定因素，要降低高爐煉鐵的燃料比，必須提高球團礦的品質(zhì)。高品質(zhì)球團礦應包括以下幾個方面的內(nèi)涵：

（1）粒度小且均勻。當球團礦粒度小而勻時有利于高爐料柱透氣性的改善和氣流的均勻分布，降低煉鐵燃料消耗，且能減少焙燒階段干燥時間以及能耗。

（2）含鐵品位高、SiO2含量低。低品位、高SiO2球團礦不僅使得高爐的渣量大，且入爐后難還原，使得高爐透氣性變差，導致高爐生產(chǎn)指標惡化。

（3）良好的冶金性能。一般來說球團礦的900℃還原性應不小于65%，還原膨脹指數(shù)不大于20%，開始熔融溫度不小于1 300℃，開始滴落溫度不大于1 470℃等［8］。

國內(nèi)外一些企業(yè)的球團礦質(zhì)量如表1所示。我國企業(yè)生產(chǎn)的球團品位相比國外先進企業(yè)略低，抗壓強度普遍更高；另一方面我國鐵礦石資源普遍硅含量較高，品位較低，是我國球團礦生產(chǎn)面臨的最主要問題，也是高品質(zhì)球團冶煉的質(zhì)量控制重點。

表1 某些企業(yè)的球團礦質(zhì)量標準對比Tab.1 Comparison of pellet quality standards in some enterprises

1.2 國外高比球團冶煉實踐

從國際先進煉鐵水平來看，歐盟技術屬于國際最前端，致力于爐料結構的合理優(yōu)化。瑞典SSAB廠的高爐幾乎采用100%球團礦，高爐利用系數(shù)可達3.5 t/（m3·d），綜合燃料比為457 kg/t，渣量僅為146 kg［9］。歐盟的高爐入爐球團礦比例高，一是環(huán)保生態(tài)原因，鐵前燒結工序受到嚴格限制［10］；二是資源適合生產(chǎn)球團礦；三是為了進一步改善高爐煉鐵指標。表2是歐美一些企業(yè)高爐的爐料結構及指標情況。顯然，高比例球團冶煉能夠提高入爐含鐵品位，降低燃料比和渣比。

表2 歐美高爐爐料結構及指標情況Tab.2 Burden structures and indexes of blast furnaces in Europe and America

同樣北美的資源也適合生產(chǎn)球團礦，高爐入爐球團比例較高。如美國目前平均爐料組成為：“92%球團+7%燒結礦+1%塊礦”，在產(chǎn)19座高爐中，有14座使用100%球團，其中60%是自熔性球團礦，40%是酸性球團礦，詳見表3。球團入爐比例愈高，有效容積利用系數(shù)愈高。在美國煉鐵發(fā)展歷史上，高爐數(shù)量不斷減少，但是高爐生鐵產(chǎn)量卻是不斷增加的，高比例球團冶煉便是其關鍵因素之一。

表3 美國高爐爐料結構Tab.3 Burden structures of blast furnaces in United States

1.3 國內(nèi)高比球團冶煉實踐

近年來，國家對環(huán)境保護日益重視，并針對鋼鐵企業(yè)的環(huán)保整頓出臺了一系列政策措施?；趯Νh(huán)保、成本及冶煉順行的綜合考慮，提高球團礦配比成為高爐煉鐵的新趨勢，亦是爐料結構優(yōu)化的重要方向［11-13］。國內(nèi)高爐爐料結構及指標情況詳見表4，我國企業(yè)爐料結構基本還是以燒結礦為主，球團礦入爐比例相比于歐美國家較低，利用系數(shù)明顯較低，渣比較高。21世紀以來，我國球團礦入爐比例整體來看是增加的，2001~2018年中國球團礦產(chǎn)量及入爐比例如圖1所示［14］?？梢姡岣吒郀t煉鐵球團礦入爐比例會是當前爐料結構發(fā)展的趨勢。

圖1 2001~2018年中國球團占爐料比例情況Fig.1 Pellet to charge ratios in China from 2001 to 2018

表4 國內(nèi)高爐爐料結構及指標情況Tab.4 Burden structures and indexes of domestic blast furnaces

國內(nèi)首鋼京唐、唐鋼不銹鋼、寶鋼湛江等諸多鋼鐵企業(yè)針對高比例球團冶煉展開工業(yè)化試驗。2018年，首鋼京唐5 500 m3高爐進行了兩次配用堿性球的大球比試驗，入爐球比高達50%。實驗中，隨著球團比例升高，爐內(nèi)煤氣、壓差等出現(xiàn)了波動，通過調(diào)整高爐內(nèi)煤氣分布、優(yōu)化上料料序、改善原燃料質(zhì)量等措施，逐步實現(xiàn)爐況穩(wěn)定，驗證了大球比冶煉的可行性。

京唐公司于2019年5月，1#及3#高爐開始大球比冶煉，球比由30%左右逐步提升至50%，6月底球比提至55%（酸堿球1：1），7月份高爐維持55%以上球比進行冶煉，8月份3#高爐球比提高至59.1%，高爐平穩(wěn)運行5天。在此次試驗過程中，當球比增加到55%時，入爐品位為61.3%，渣比225 kg/t；繼續(xù)增加到59%時，入爐品位61.7%，渣比215 kg/t。

唐鋼不銹鋼廠1號高爐450 m3，于2017年9月開始進行大球比冶煉的工業(yè)試驗，試驗前爐料結構為“78%燒結礦+20%普通酸性球團礦+2%塊礦”。首先采用鎂質(zhì)酸性球團礦置換普通酸性球團礦，爐料結構為“78%燒結礦+37%鎂質(zhì)酸性球團礦+2%塊礦”；之后開始配加鎂質(zhì)熔劑球團礦逐步替換鎂質(zhì)酸性球團礦，最高比例時爐料結構為“20%燒結礦+80%鎂質(zhì)熔劑球團礦”，并穩(wěn)定運行了17天。此次工業(yè)試驗通過一系列操作的調(diào)整，順利實現(xiàn)了60%以上高比例球團礦冶煉，但由于配加鈦礦、控制冶煉強度等護爐措施的影響，技術經(jīng)濟指標未能明顯提高，基本保持在試驗前的水平，燃料比仍維持在550 kg/t左右。

湛江5 050 m3高爐在2017年9月同樣進行過較高比例球團礦的冶煉生產(chǎn)，球團礦比例接近20%。期間生產(chǎn)指標相對于低球團比來說，入爐品位提高了3%，焦比上升了10 kg/t，煤比減少了10 kg/t，鐵水成本增加了8元/t，利用系數(shù)、日產(chǎn)量以及風量都基本持平［15］。

2 高爐大球比操作制度探索

國內(nèi)高爐冶煉球團占比少，一般在10%~30%之間，個別高爐達到了50%以上。高比例球團冶煉在我國已經(jīng)開始應用，但總體來看，高爐操作指標沒有取得相應的提高，隨著入爐球團礦比例的增加，對高爐的冶煉操作同樣有著不利影響［16］。

（1）抑制高爐內(nèi)煤氣流的發(fā)展。球團礦易滾動，自然堆角小，會向中心和邊緣發(fā)生滾動，導致高爐中心以及邊緣煤氣流減弱。

（2）軟熔帶位置形狀發(fā)生改變，透氣性變差。高爐爐料中球團礦占比提高，導致爐料軟化開始溫度降低，軟熔帶位置上移，同時軟化區(qū)間擴大，軟熔帶變寬。

（3）爐體熱負荷頻繁波動。當入爐球團礦比例增加時，球團發(fā)生滾動，導致塊狀帶孔隙率下降，軟熔帶位置上移，煤氣流發(fā)展受到抑制，由此增加爐體熱負荷波動頻率。

（4）高爐壓差呈上升趨勢。隨著入爐球團礦比例的提高，高爐整體礦石的平均粒度減小，導致塊狀帶的爐料粒度差別值dp/Dp（即礦石平均粒徑/焦炭平均粒徑）減少，爐料軟化，體積收縮，塊狀帶孔隙度ε不斷下降，煤氣流阻力也急劇升高［17］。

綜上所述，為了確保高爐的穩(wěn)定順行，爐料結構是重要基礎，操作制度也是關鍵一點，只有將兩者良好的結合在一起，才能實現(xiàn)高爐高產(chǎn)、低耗以及長壽的目標。

2.1 裝料制度

裝料制度是高爐操作中重要制度，對煤氣流的分布起著決定性影響，冶煉過程中通常以調(diào)整布料矩陣、料線來達到煤氣流的合理分布［18］。由于球團礦具有軟化溫度低、軟熔區(qū)間大、料柱透氣性差等特點，隨著入爐配比達到50%左右，很容易造成煤氣流的不合理分布，進而導致高爐爐況不順［19］。

太鋼5#高爐在生產(chǎn)實踐中，充分考慮球團礦比例增加后對煤氣流的影響，保證中心煤氣流的充沛，控制適當?shù)倪吘壝簹饬鳎?0］。太鋼的料面形狀為平臺漏斗，通過球團礦和燒結礦的混裝以及向礦石中混入小塊焦炭的方式來弱化球團礦的滾動，控制爐喉料面形狀；通過增加中心焦比例的方式發(fā)展中心煤氣流；通過調(diào)節(jié)布料溜槽角度和增加邊緣礦焦負荷的方式來控制邊緣煤氣流，同時相應的調(diào)整槽下排料順序，使球團礦盡可能的布在爐內(nèi)料面平臺上，減少料面漏斗處或接近爐內(nèi)中心位置的球團礦量，并確保每批料中球團礦用量穩(wěn)定，這樣就能夠保證球團礦在爐頂各落料點料量的穩(wěn)定。

唐鋼不銹鋼廠1#高爐在球團配比超過30%后，增加礦焦布料檔位，外抬焦布料角度，增加邊緣礦焦負荷等裝料制度的調(diào)整，適當抑制邊緣氣流；在球團配比＞70%后，球團礦向中心的滾動使中心氣流明顯受到抑制，通過增加中心焦比例和在礦石環(huán)帶內(nèi)側形成“焦壩”阻擋球團礦向中心滾動來發(fā)展中心氣流。同時對排料順序進行了調(diào)整，確保燒結礦布在爐喉礦石環(huán)帶的兩端，而球團礦、塊礦等布在礦石環(huán)帶的中間。

綜合分析太鋼、唐鋼不銹鋼以及俄羅斯馬格尼托哥爾斯克鋼鐵廠［21-22］的生產(chǎn)實踐，考慮到高爐爐料結構中球團礦比例提升后爐喉料面的變化以及對煤氣流的影響，探索裝料制度的調(diào)劑方向是選擇適宜的料線，適當增加邊緣礦焦負荷，調(diào)整布料角度控制邊緣氣流，適當增加中心焦比例開放中心氣流。同時通過在礦中混入焦丁的方式減弱球團礦的滾動，選擇合理的排料順序和切出量，減少邊緣和中心區(qū)域的球團礦量，增加平臺球團礦量，使料面更加平坦［23-24］。

2.2 送風制度

送風制度對高爐內(nèi)煤氣流的分布也有著重要作用，決定了煤氣流在爐缸內(nèi)的初始分布，冶煉操作中通常調(diào)整送風參數(shù)來控制合理的送風制度。球團礦在高爐內(nèi)部易發(fā)生滾動，隨著球團礦比例增大后有著更嚴重的滾動傾向［25］。

太鋼5#高爐生產(chǎn)實踐表明，高比例球團冶煉時會出現(xiàn)球團礦易滾向高爐中心，增加了中心的礦焦比；隨球團礦比例增加，料面形狀難以穩(wěn)定，從而使整體煤氣流的穩(wěn)定性降低。因此，通過維持合理的送風制度，適當增加風量，使風速達到270~280 m/s，鼓風動能達到165~175 kJ/s，保持中心煤氣流暢通、穩(wěn)定，有利于高比例球團礦生產(chǎn)時煤氣流的穩(wěn)定和爐缸的活躍。

唐鋼不銹鋼廠1#高爐生產(chǎn)實踐表明，當球團礦比例超過30%后，邊緣氣流漸發(fā)展，中心氣流略顯不足，雖采取了抑制邊緣發(fā)展中心的布料調(diào)整，但效果不理想；采取加長風口長度的措施，取得了較好效果；當球團配比提高到50%以上后，爐況穩(wěn)定性變差，渣皮穩(wěn)定性降低，于是在進一步加長風口長度的同時，逐步縮小了風口送風面積，經(jīng)上下部配合調(diào)整，邊緣氣流得到有效控制，爐況明顯改善。

綜合分析太鋼、唐鋼不銹鋼廠以及日本神戶鋼鐵3#高爐高球團冶煉實踐［26］，高爐采取高比例球團冶煉后，會造成邊緣氣流發(fā)展，中心氣流不足，爐缸活躍性變差。送風制度的調(diào)劑方向為適當縮小風口和加長風口以維持適宜的風速和鼓風動能［27］。

2.3 造渣制度

唐鋼不銹鋼廠1#高爐生產(chǎn)實踐表明，高爐爐料結構采用鎂質(zhì)球團礦，能夠有效降低爐渣中Al2O3，同時提高渣中MgO，爐渣穩(wěn)定性和脫硫能力均得到提高，這樣就有條件在保證［S］滿足要求的情況下適當降低二元堿度R2，維持適宜的四元堿度R4。這種造渣制度更利于活躍爐缸狀態(tài)及鐵水質(zhì)量，為改善高爐順行和提高球團礦比例創(chuàng)造了有利條件。

河鋼樂亭對高爐爐料結構進行了測算，如采用傳統(tǒng)的R2控制［S］的造渣制度，燒結礦堿度需控制2.25以上，會造成燒結礦質(zhì)量的下降。如采用R3控制［S］的造渣制度，既可以保證燒結礦質(zhì)量，又可以使爐渣具備足夠的脫硫能力。

安鋼集團永通鑄管公司450 m3高爐冶煉生產(chǎn)實踐得出，高爐爐渣二元堿度按1.18~1.20控制，w（MgO）保持在8%~11%，w（MgO）/w（Al2O3）≥0.70。保持出鐵后期鐵水溫度在1 500℃以上，保證渣鐵熱量充沛，流動性良好?？刂迫霠t原燃料成分，減少堿金屬Zn、Na、K等對煉鐵生產(chǎn)的不利影響，要求球團礦中w（Na2O+K2O）＜0.1%、w（ZnO）＜0.05%［28］。

2.4 爐型設計

除了操作制度的改善外，還可以適當優(yōu)化爐型。高爐爐料中球團礦占比提高后，導致爐料軟化開始溫度降低，使得軟熔帶位置上移以及寬度變大。為了改善料柱的透氣性，適當增加爐腰高度或者擴大爐腰直徑，以適應軟熔帶位置和形狀的改變。此外，設計爐型時，為了適應大比例球團礦的熱膨脹，將爐身改造成兩段式結構，增加爐身上部容積。高爐的爐體冷卻結構建議采用厚壁爐襯或者新型爐體冷卻結構，以抵抗高熱負荷對爐體的磨損沖擊［29］。

3 結論

高比例球團冶煉已成為未來煉鐵發(fā)展趨勢，但是有些問題還亟需解決：首先，我國生產(chǎn)的球團礦存在含鐵品位較低，SiO2較高，抗壓強度低，還原膨脹率高，軟融性能相對較差等問題，與國際先進水平仍有較大差距，球團礦的制備過程基礎理論及操作技術需進一步研究。其次，國內(nèi)高球團礦冶煉操作經(jīng)驗尚缺，還需要進一步探索高爐高球比冶煉操作制度，克服高球比帶來的不利影響。

綜合考慮高比例球團冶煉的特點，可以從球團礦質(zhì)量入手，提高其冶金性能。例如提高礦石品位或者使用富礦磨粉增加球團礦的含鐵品位。其次，總結國內(nèi)外高比例球團冶煉成功經(jīng)驗，探索適合的高比例球團冶煉基本制度的調(diào)劑方向，為將來逐步實現(xiàn)高比例球團冶煉提供強有力的技術支撐。最后，未來可以嘗試優(yōu)化爐型設計，為高爐高比例球團冶煉打下堅實的基礎。