劉征建，黃建強(qiáng)，張建良，牛樂樂，王耀祖

（1.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué) 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(jié)礦和含鐵品位低的塊礦，此時(shí)高爐有效容積利用系數(shù)在0.7 t/（m3·d）以下，焦比達(dá)到1 200 kg/t以上［1］。20世紀(jì)50年代中后期，我國向蘇聯(lián)學(xué)習(xí)，轉(zhuǎn)向了高堿度燒結(jié)礦的生產(chǎn)。使用自熔性燒結(jié)礦有效降低了焦比并提高生產(chǎn)率，我國高爐在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)采用100%自熔性燒結(jié)礦為原料。到了70年代，日本研究發(fā)現(xiàn)爐料結(jié)構(gòu)對軟熔帶的影響，開始研究合理爐料結(jié)構(gòu)的相關(guān)問題［2-4］。隨之開始生產(chǎn)球團(tuán)礦，高爐采用“高堿度燒結(jié)礦+球團(tuán)礦+天然塊礦”搭配的爐料結(jié)構(gòu)［5］，高爐指標(biāo)情況也因此有了明顯的改善。爐料結(jié)構(gòu)是否合理將直接影響高爐產(chǎn)量以及焦比，優(yōu)化爐料結(jié)構(gòu)一直都是一個(gè)重要技術(shù)問題。

對比燒結(jié)礦，球團(tuán)礦有以下優(yōu)勢：首先，球團(tuán)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(tuán)礦的SiO2含量可達(dá)超低至2%，而燒結(jié)礦的SiO2含量基本在4.5%以上，燒結(jié)中FeO含量高（＞7%），球團(tuán)FeO含量低（＜1%），因此大比例球團(tuán)冶煉有利于間接還原；球團(tuán)礦強(qiáng)度高，在運(yùn)輸、裝卸和貯存時(shí)產(chǎn)生粉末少。在冶煉實(shí)踐中，高比例球團(tuán)冶煉有利于改善爐料結(jié)構(gòu)，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(tuán)工序能耗約為燒結(jié)工序的一半，甚至低至三分之一左右［6］。另一方面球團(tuán)礦煙氣量更低，球團(tuán)礦的噸礦煙氣量一般為1 300 m3/t（標(biāo)況下，下同），而燒結(jié)礦為1 800 m3/t。從CO2排放量來看，球團(tuán)工序的噸礦CO2排放量僅占燒結(jié)工序的20%~46%［7］，且燒結(jié)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(jié)，球團(tuán)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(tuán)礦入爐比例是一種重要的爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式。

本文針對提高球團(tuán)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(tuán)冶煉實(shí)踐的爐料結(jié)構(gòu)和指標(biāo)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(jié)分析了現(xiàn)階段球團(tuán)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(tuán)冶煉實(shí)踐

1.1 高品質(zhì)球團(tuán)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(tuán)礦的品質(zhì)。高品質(zhì)球團(tuán)礦應(yīng)包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)涵：

（1）粒度小且均勻。當(dāng)球團(tuán)礦粒度小而勻時(shí)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(shí)間以及能耗。

（2）含鐵品位高、SiO2含量低。低品位、高SiO2球團(tuán)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(dǎo)致高爐生產(chǎn)指標(biāo)惡化。

（3）良好的冶金性能。一般來說球團(tuán)礦的900℃還原性應(yīng)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(tuán)礦質(zhì)量如表1所示。我國企業(yè)生產(chǎn)的球團(tuán)品位相比國外先進(jìn)企業(yè)略低，抗壓強(qiáng)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(tuán)礦生產(chǎn)面臨的最主要問題，也是高品質(zhì)球團(tuán)冶煉的質(zhì)量控制重點(diǎn)。

表1 某些企業(yè)的球團(tuán)礦質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)對比Tab.1 Comparison of pellet quality standards in some enterprises

1.2 國外高比球團(tuán)冶煉實(shí)踐

從國際先進(jìn)煉鐵水平來看，歐盟技術(shù)屬于國際最前端，致力于爐料結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化。瑞典SSAB廠的高爐幾乎采用100%球團(tuán)礦，高爐利用系數(shù)可達(dá)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(tuán)礦比例高，一是環(huán)保生態(tài)原因，鐵前燒結(jié)工序受到嚴(yán)格限制［10］；二是資源適合生產(chǎn)球團(tuán)礦；三是為了進(jìn)一步改善高爐煉鐵指標(biāo)。表2是歐美一些企業(yè)高爐的爐料結(jié)構(gòu)及指標(biāo)情況。顯然，高比例球團(tuán)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(jié)構(gòu)及指標(biāo)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(tuán)礦，高爐入爐球團(tuán)比例較高。如美國目前平均爐料組成為：“92%球團(tuán)+7%燒結(jié)礦+1%塊礦”，在產(chǎn)19座高爐中，有14座使用100%球團(tuán)，其中60%是自熔性球團(tuán)礦，40%是酸性球團(tuán)礦，詳見表3。球團(tuán)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(tuán)冶煉便是其關(guān)鍵因素之一。

表3 美國高爐爐料結(jié)構(gòu)Tab.3 Burden structures of blast furnaces in United States

1.3 國內(nèi)高比球團(tuán)冶煉實(shí)踐

近年來，國家對環(huán)境保護(hù)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。基于對環(huán)保、成本及冶煉順行的綜合考慮，提高球團(tuán)礦配比成為高爐煉鐵的新趨勢，亦是爐料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要方向［11-13］。國內(nèi)高爐爐料結(jié)構(gòu)及指標(biāo)情況詳見表4，我國企業(yè)爐料結(jié)構(gòu)基本還是以燒結(jié)礦為主，球團(tuán)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(jì)以來，我國球團(tuán)礦入爐比例整體來看是增加的，2001~2018年中國球團(tuán)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(tuán)礦入爐比例會是當(dāng)前爐料結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢。

圖1 2001~2018年中國球團(tuán)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(jié)構(gòu)及指標(biāo)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(tuán)冶煉展開工業(yè)化試驗(yàn)。2018年，首鋼京唐5 500 m3高爐進(jìn)行了兩次配用堿性球的大球比試驗(yàn)，入爐球比高達(dá)50%。實(shí)驗(yàn)中，隨著球團(tuán)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(shí)現(xiàn)爐況穩(wěn)定，驗(yàn)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(jìn)行冶煉，8月份3#高爐球比提高至59.1%，高爐平穩(wěn)運(yùn)行5天。在此次試驗(yàn)過程中，當(dāng)球比增加到55%時(shí)，入爐品位為61.3%，渣比225 kg/t；繼續(xù)增加到59%時(shí)，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(jìn)行大球比冶煉的工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)前爐料結(jié)構(gòu)為“78%燒結(jié)礦+20%普通酸性球團(tuán)礦+2%塊礦”。首先采用鎂質(zhì)酸性球團(tuán)礦置換普通酸性球團(tuán)礦，爐料結(jié)構(gòu)為“78%燒結(jié)礦+37%鎂質(zhì)酸性球團(tuán)礦+2%塊礦”；之后開始配加鎂質(zhì)熔劑球團(tuán)礦逐步替換鎂質(zhì)酸性球團(tuán)礦，最高比例時(shí)爐料結(jié)構(gòu)為“20%燒結(jié)礦+80%鎂質(zhì)熔劑球團(tuán)礦”，并穩(wěn)定運(yùn)行了17天。此次工業(yè)試驗(yàn)通過一系列操作的調(diào)整，順利實(shí)現(xiàn)了60%以上高比例球團(tuán)礦冶煉，但由于配加鈦礦、控制冶煉強(qiáng)度等護(hù)爐措施的影響，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)未能明顯提高，基本保持在試驗(yàn)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(jìn)行過較高比例球團(tuán)礦的冶煉生產(chǎn)，球團(tuán)礦比例接近20%。期間生產(chǎn)指標(biāo)相對于低球團(tuán)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(fēng)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(tuán)占比少，一般在10%~30%之間，個(gè)別高爐達(dá)到了50%以上。高比例球團(tuán)冶煉在我國已經(jīng)開始應(yīng)用，但總體來看，高爐操作指標(biāo)沒有取得相應(yīng)的提高，隨著入爐球團(tuán)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(tuán)礦易滾動，自然堆角小，會向中心和邊緣發(fā)生滾動，導(dǎo)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(tuán)礦占比提高，導(dǎo)致爐料軟化開始溫度降低，軟熔帶位置上移，同時(shí)軟化區(qū)間擴(kuò)大，軟熔帶變寬。

（3）爐體熱負(fù)荷頻繁波動。當(dāng)入爐球團(tuán)礦比例增加時(shí)，球團(tuán)發(fā)生滾動，導(dǎo)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(fù)荷波動頻率。

（4）高爐壓差呈上升趨勢。隨著入爐球團(tuán)礦比例的提高，高爐整體礦石的平均粒度減小，導(dǎo)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(jié)構(gòu)是重要基礎(chǔ)，操作制度也是關(guān)鍵一點(diǎn)，只有將兩者良好的結(jié)合在一起，才能實(shí)現(xiàn)高爐高產(chǎn)、低耗以及長壽的目標(biāo)。

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(dá)到煤氣流的合理分布［18］。由于球團(tuán)礦具有軟化溫度低、軟熔區(qū)間大、料柱透氣性差等特點(diǎn)，隨著入爐配比達(dá)到50%左右，很容易造成煤氣流的不合理分布，進(jìn)而導(dǎo)致高爐爐況不順［19］。

太鋼5#高爐在生產(chǎn)實(shí)踐中，充分考慮球團(tuán)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(dāng)?shù)倪吘壝簹饬鳎?0］。太鋼的料面形狀為平臺漏斗，通過球團(tuán)礦和燒結(jié)礦的混裝以及向礦石中混入小塊焦炭的方式來弱化球團(tuán)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(fù)荷的方式來控制邊緣煤氣流，同時(shí)相應(yīng)的調(diào)整槽下排料順序，使球團(tuán)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(tuán)礦量，并確保每批料中球團(tuán)礦用量穩(wěn)定，這樣就能夠保證球團(tuán)礦在爐頂各落料點(diǎn)料量的穩(wěn)定。

唐鋼不銹鋼廠1#高爐在球團(tuán)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(fù)荷等裝料制度的調(diào)整，適當(dāng)抑制邊緣氣流；在球團(tuán)配比＞70%后，球團(tuán)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(cè)形成“焦壩”阻擋球團(tuán)礦向中心滾動來發(fā)展中心氣流。同時(shí)對排料順序進(jìn)行了調(diào)整，確保燒結(jié)礦布在爐喉礦石環(huán)帶的兩端，而球團(tuán)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(shí)踐，考慮到高爐爐料結(jié)構(gòu)中球團(tuán)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(dāng)增加邊緣礦焦負(fù)荷，調(diào)整布料角度控制邊緣氣流，適當(dāng)增加中心焦比例開放中心氣流。同時(shí)通過在礦中混入焦丁的方式減弱球團(tuán)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(tuán)礦量，增加平臺球團(tuán)礦量，使料面更加平坦［23-24］。

2.2 送風(fēng)制度

送風(fēng)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(fēng)參數(shù)來控制合理的送風(fēng)制度。球團(tuán)礦在高爐內(nèi)部易發(fā)生滾動，隨著球團(tuán)礦比例增大后有著更嚴(yán)重的滾動傾向［25］。

太鋼5#高爐生產(chǎn)實(shí)踐表明，高比例球團(tuán)冶煉時(shí)會出現(xiàn)球團(tuán)礦易滾向高爐中心，增加了中心的礦焦比；隨球團(tuán)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(fēng)制度，適當(dāng)增加風(fēng)量，使風(fēng)速達(dá)到270~280 m/s，鼓風(fēng)動能達(dá)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(tuán)礦生產(chǎn)時(shí)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(shí)踐表明，當(dāng)球團(tuán)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(fēng)口長度的措施，取得了較好效果；當(dāng)球團(tuán)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(jìn)一步加長風(fēng)口長度的同時(shí)，逐步縮小了風(fēng)口送風(fēng)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(tuán)冶煉實(shí)踐［26］，高爐采取高比例球團(tuán)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(fēng)制度的調(diào)劑方向?yàn)檫m當(dāng)縮小風(fēng)口和加長風(fēng)口以維持適宜的風(fēng)速和鼓風(fēng)動能［27］。

2.3 造渣制度

唐鋼不銹鋼廠1#高爐生產(chǎn)實(shí)踐表明，高爐爐料結(jié)構(gòu)采用鎂質(zhì)球團(tuán)礦，能夠有效降低爐渣中Al2O3，同時(shí)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(dāng)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(tuán)礦比例創(chuàng)造了有利條件。

河鋼樂亭對高爐爐料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測算，如采用傳統(tǒng)的R2控制［S］的造渣制度，燒結(jié)礦堿度需控制2.25以上，會造成燒結(jié)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(jié)礦質(zhì)量，又可以使?fàn)t渣具備足夠的脫硫能力。

安鋼集團(tuán)永通鑄管公司450 m3高爐冶煉生產(chǎn)實(shí)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(tuán)礦中w（Na2O+K2O）＜0.1%、w（ZnO）＜0.05%［28］。

2.4 爐型設(shè)計(jì)

除了操作制度的改善外，還可以適當(dāng)優(yōu)化爐型。高爐爐料中球團(tuán)礦占比提高后，導(dǎo)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(dāng)增加爐腰高度或者擴(kuò)大爐腰直徑，以適應(yīng)軟熔帶位置和形狀的改變。此外，設(shè)計(jì)爐型時(shí)，為了適應(yīng)大比例球團(tuán)礦的熱膨脹，將爐身改造成兩段式結(jié)構(gòu)，增加爐身上部容積。高爐的爐體冷卻結(jié)構(gòu)建議采用厚壁爐襯或者新型爐體冷卻結(jié)構(gòu)，以抵抗高熱負(fù)荷對爐體的磨損沖擊［29］。

3 結(jié)論

高比例球團(tuán)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(tuán)礦存在含鐵品位較低，SiO2較高，抗壓強(qiáng)度低，還原膨脹率高，軟融性能相對較差等問題，與國際先進(jìn)水平仍有較大差距，球團(tuán)礦的制備過程基礎(chǔ)理論及操作技術(shù)需進(jìn)一步研究。其次，國內(nèi)高球團(tuán)礦冶煉操作經(jīng)驗(yàn)尚缺，還需要進(jìn)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(tuán)冶煉的特點(diǎn)，可以從球團(tuán)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(tuán)礦的含鐵品位。其次，總結(jié)國內(nèi)外高比例球團(tuán)冶煉成功經(jīng)驗(yàn)，探索適合的高比例球團(tuán)冶煉基本制度的調(diào)劑方向，為將來逐步實(shí)現(xiàn)高比例球團(tuán)冶煉提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。最后，未來可以嘗試優(yōu)化爐型設(shè)計(jì)，為高爐高比例球團(tuán)冶煉打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。