國內超高堿度燒結礦生產實踐及發展趨勢

　　摘 要：為了相應國家碳達峰碳中和號召，鋼鐵企業對于生產節能減排的要求也越來越高，燒結工藝由于在生產過程中固廢排放量巨大，因此常常面臨限產而導致的燒結產能不足等問題。國內外生產實踐表明，高爐高比例球團冶煉具有燃料比低、渣量少等優點，且球團礦性能優良、生產過程更為環保，具有很好的應用前景。為了配合高球比爐料結構的應用，同時避免由于環保限產引起的燒結礦產能不足等問題，國內諸多鋼鐵企業針對超高堿度燒結礦開展研究。首先從燒結過程和礦物組成變化 2 個方面對超高堿度燒結礦成礦機理與質量之間的關系進行研究，發現燒結礦堿度在 2.10～2.80 范圍內，隨著堿度的升高，礦物主要粘結相逐漸向鐵酸鈣系粘結相轉變，礦物組成逐漸平穩，而堿度超過 2.80 后黏結相中玻璃質和裂紋逐漸增加，嚴重影響燒結礦質量。隨后對國內典型鋼鐵企業超高堿度燒結礦生產概況進行了調研分析，并結合礦物學基本原理明確了超高堿度燒結礦與其經濟技術指標間的耦合關系。最終提煉出鋼鐵企業在生產超高堿度燒結礦中出現的問題，基于燒結工藝、礦物學原理及前人實踐經驗，探討了問題的產生原因并提出了相應的解決建議。

　　劉征建; 李思達; 張建良; 王耀祖; 王桂林; 牛樂樂， 鋼鐵 發表時間：2021-10-21

　　關鍵詞：超高堿度燒結礦;生產實踐;冶金性能;技術經濟指標;成礦機理

　　燒結工藝作為中國主要的鐵礦粉造塊工藝之一[1]，對中國鋼鐵生產有著重要作用，生產高質量燒結礦是高爐冶煉優質高產的基礎。目前中國高爐爐料大多以高堿度燒結礦為主，占比在 76%左右[2]，同時配加 24%左右的酸性球團礦和天然塊礦。國內外專家學者對燒結礦原料配比、質量優化、礦相結構等方面進行了大量研究，研究表明[3]，堿度對燒結礦的礦物組成、經濟技術指標和冶金性能有著顯著影響。

　　20 世紀 60 年代以來，中國燒結礦平均堿度整體呈升高趨勢，分為 3 個階段[4]：解放初期，中國剛剛步入煉鐵行業，鐵產量低、質量差、焦比高，鋼鐵企業主要使用自然堿度燒結礦并配有天然塊礦進行高爐冶煉[5] ;1960—1970 年，隨著煉鐵工藝技術的不斷進步，中國鋼鐵企業開始使用自熔性燒結礦單一爐料進行冶煉生產，冶煉技術相比解放初期有了較大提高[6] ;1970 年以后，中國開始推廣使用高堿度燒結礦進行煉鐵生產，加之天然優質塊礦儲量逐漸降低，高堿度燒結技術迅速發展，中國高爐入爐爐料逐步發展為如今的以高堿度燒結礦為主，配加酸性球團礦或酸性塊礦的爐料結構[4]。在實際生產中，中國大部分鋼鐵企業所生產高堿度燒結礦的堿度范圍在 1.80～2.10 之間，所以對于一部分鋼鐵企業所生產的堿度大于 2.10 的燒結礦，一般認為是超高堿度燒結礦。

　　為了相應國家碳達峰碳中和號召，鋼鐵企業對于生產節能減排的要求也越來越高，燒結工藝由于在生產過程中固廢排放量巨大，因此常常面臨限產而導致的燒結產能不足等問題[7]。而相比于燒結，球團制備過程在節能環保、粒度、性能等方面有著巨大優勢，同時對高爐技術經濟指標也有著重要意義[8]。因此，提高球團礦的配比逐漸成為中國高爐煉鐵行業研究熱點。高球團比冶煉條件下，生產并采用超高堿度燒結礦成為平衡高爐爐料堿度的重要途徑。基于此，本文旨在對超高堿度燒結礦技術進行調研總結，從而為鋼鐵企業超高堿度燒結礦的生產實踐提供經驗。本文主要對國內典型鋼鐵企業超高堿度燒結礦生產概況進行調研分析，并且結合礦物學基本原理明確了燒結礦超高堿度與其技術經濟指標的耦合關系，探討了超高堿度燒結礦生產過程中易產生的問題并給出了相應的解決建議。

　　1 超高堿度燒結礦成礦機理與質量之間的關系

　　1.1 超高堿度燒結礦對燒結過程影響分析

　　超高堿度燒結工藝即在混合料中配加大量熔劑，得到堿度大于 2.10 的超高堿度燒結礦。在超高堿度燒結生產過程中，大量熔劑的加入會使得燒結料層透氣性得到明顯改善，燒結速度加快的同時，高溫持續時間縮短;熔劑占比提高也會使得燒結礦在燒結過程中更容易形成低熔點物質(Fe2O3·CaO)同時抑制 FeO 的生成，從而使得燒結混合料熔化溫度降低，液相量增加，進而提高了燒結混合料的黏結能力。但是提高燒結礦的堿度也會隨之帶來一系列問題，例如，熔劑的增加會降低成品礦鐵品位，同時也極易產生大量的游離 CaO，在成品燒結礦中出現“白點”現象，這些分散于燒結礦內部的游離 CaO 遇水消化易發生膨脹并最終影響燒結礦的強度。燒結過程中液相量的增加、燒結速度的加快、高溫持續時間縮短均不利于燒結脫硫，同時高溫下石灰對硫的吸附作用增強[9]，從而降低燒結過程脫硫率。

　　1.2 超高堿度燒結礦成礦機理分析

　　從燒結礦成礦機理方面來看，提高堿度所帶來的最明顯改變則是燒結礦黏結相的變化，堿度在 2.00～ 2.80 范圍內，即超高堿度條件下，燒結礦主要黏結相為鐵酸鈣系黏結相[10]：在堿度為 2.00 時，黏結相主要為鐵酸鈣，且多為板狀結構、部分為針狀交織結構，同時含有少量的鈣鐵橄欖石和鈣鎂橄欖石;堿度為 2.40 左右時，主要黏結相變為鐵酸鈣，鐵酸鈣體系(CaO·Fe2O3-Fe3O4)和鈣鎂橄欖石，鈣鐵橄欖石消失，黏結相多為針狀交織結構，部分為板狀結構，整體結構趨于均勻;堿度為 2.80 時，燒結礦主要粘結相變為鐵酸鈣、鐵酸二鈣和鈣鎂橄欖石，黏結相中出現玻璃質并且裂紋增多，使得燒結礦強度明顯降低。從成礦機理角度分析可知，堿度 2.40 為超高堿度燒結礦的礦相特征分界點，而堿度 2.80 則為超高堿度燒結礦的質量分界點，堿度高于 2.80 時，燒結礦質量將會呈嚴重下滑趨勢。

　　當燒結礦堿度不超過 2.40 時，隨著堿度增加，燒結礦粘結相形態變為強度更高的針狀交織結構[11]，有利于提高燒結礦的轉鼓強度;堿度增加也使得鐵酸鈣生成能力增強，抑制了鐵橄欖石的形成，提高了燒結礦的低溫粉化還原性能，同時也使得燒結礦還原性能得到改善。堿度超過 2.40 以后，燒結礦粘結相整體結構趨于均勻，冶金性能增幅逐漸變緩，而隨著堿度進一步增加，礦相中出現玻璃質及內裂紋，使得燒結礦強度大幅降低，同時較難還原的鐵酸二鈣含量增加，也降低了燒結礦的還原性。

　　此外，燒結礦中 SiO2、MgO 及 Al2O3等化學組分對超高堿度燒結礦礦相結構及含量也有著一定影響。相同堿度條件下，高 SiO2含量可提高燒結液相量，有利于改善燒結礦強度，但會降低成品礦含鐵品位，增加噸鐵渣量，提高產品成本;原料中 Al2O3的存在形式及反應性會影響復合鐵酸鈣的生成量及結構[12]，適量的 Al2O3能夠有效促進復合鐵酸鈣的生成，而鋁元素含量過高、硅鋁比過低則會導致鋁元素向玻璃相富集，引起燒結礦強度降低;燒結原料中過量的 MgO 含量會抑制磁鐵礦的氧化，降低燒結礦復合鐵酸鈣的含量[13]。綜上可見，燒結礦堿度與其他化學成分等對燒結礦質量的影響存在復雜的耦合關系，故在超高堿度燒結礦的成礦過程需要進一步控制不同組分間的影響[14]。

　　2 超高堿度燒結礦生產實踐

　　通過查閱文獻及現場調研，總結了目前國內鋼鐵企業實行超高堿度燒結生產相關數據、設備參數及經濟技術指標。前文超高堿度燒結礦成礦機理分析研究中可知[15]，堿度 2.40 為燒結礦物相及性能演變的轉折點。當燒結礦堿度低于 2.40 時，提高堿度會使鐵酸鈣系黏結相占比提高，有利于改善燒結礦轉鼓指數及冶金性能;而當堿度高于 2.40 時，鐵酸鈣系黏結相生成量隨著堿度升高逐漸趨于平穩，對其冶金性能影響幅度逐漸減小。據此，將超高堿度燒結礦生產實踐分為低于 2.40 堿度和高于 2.40 堿度兩類進行分類總結，具體情況如下。

　　2.1 堿度低于 2.40 超高堿度燒結礦生產實踐

　　近年來隨著宣鋼高爐原料需求量持續增長，其燒結礦產量供給出現供不應求的狀況[16]。為了解決高爐原料需求問題，宣鋼決定逐步提高燒結礦堿度，并配以大比例球團來保證高爐原料充足，經過 4 個月時間，宣鋼燒結礦堿度由 2.00 升至 2.24。同時遷鋼也實施超高堿度燒結礦生產，提高燒結礦堿度以提高酸性球團礦入爐比例、降低燒結礦的使用，遷鋼所生產的燒結礦堿度已提高至 2.29 左右。通過對原料和燒結設備參數兩個方面的改進，有效的實現了超高堿度燒結礦的優質、穩產。

　　2.1.1 燒結原料成分和粒度控制

　　針對堿度低于 2.40 的超高堿度燒結礦生產，需要合理控制燒結原料的成分和粒度。由于超高堿度條件下，SiO2含量的輕微波動就會導致燒結礦堿度發生巨大變化，故在配料過程中，需要嚴格控制 SiO2含量、加強原料混勻、穩定熔劑質量以保證在生產超高堿度燒結礦過程中成品礦堿度的穩定性[17]。

　　粗粒級熔劑在混勻制粒過程中易成為核顆粒，這些被礦粉包裹的熔劑是燒結礦出現“白點”現象的主要影響因素，而超高堿度燒結生產中需要配加大量熔劑，故超高堿度燒結生產對于熔劑粒級分布的要求更為嚴格。據調研，宣鋼燒結用生石灰粒度不大于 3mm 部分嚴格控制在 85%以上，CaO 質量分數控制在 74%以上 [16]。

　　2.1.2 超高堿度燒結工藝參數調整

　　生產實踐表明，大量熔劑的加入使得超高堿度燒結過程料層透氣性增加，燒結速度加快，故需要延長高溫保持時間以促進礦物結晶。宣鋼燒結工藝改進前后的重點工藝參數對比見表 1 [16]，為了匹配超高堿度燒結礦生產工藝，宣鋼選擇提高料層厚度和降低負壓的方式來延長燒結高溫保持時間，其中料層厚度由 730 提高至 750mm，燒結負壓由 15.6 降低至 14.7kPa，并在燒結之前對混合料進行壓料處理;由于生石灰用量提高，故加水量隨之上升，控制水分在 7.3%左右。遷鋼超高堿度燒結生產料層厚度控制在 750～790mm，燒結機機速最低可達 1.8m/min，垂直燒結速度控制在 19.5mm/min 左右以保證燒結燃料充分燃燒，燒結負壓控制在 13kPa 左右來保證燒結過程適宜的透氣性。

　　2.1.3 超高堿度燒結技術經濟指標

　　宣鋼 4 個月來逐步提高生產堿度后對各項燒結指標的影響見表 2 [16]，由表 2 可知，隨著堿度的提高，料層中熔劑含量逐漸增加，鐵礦粉占比相應降低，進而呈現出燒結礦鐵品位降低趨勢;石灰石分解為吸熱反應，其配比的增加使得固體燃耗相應提高;料層透氣性的改變提高了垂直燒結速度，進而影響了燒結利用系數及成品率。調研數據表明，平均堿度每升高 0.1 其固體燃耗增加 0.55kg/t、成品率降低 0.71%、鐵品位降低 0.25%。遷鋼超高堿度燒結礦的化學組成和部分燒結指標分別見表 3 和表 4，可知通過對原料化學成分和粒度的控制，成品礦轉鼓指數達到 84.2%，燒結礦質量進一步改善。

　　2.2 堿度高于 2.40 超高堿度燒結礦生產實踐

　　當堿度高于 2.40 后，為了保證燒結礦鐵品位及經濟效益，鋼鐵企業往往通過降低 SiO2含量(硅質量分數降至 5%以內)來提高燒結礦堿度，而燒結礦 SiO2含量的降低會造成燒結液相量減少，且脈石含量不均勻引起的堿度波動使得黏結相中鐵酸二鈣和玻璃相含量的增加，最終導致燒結礦強度降低及冶金性能劣化。因此高堿度燒結礦對原料化學成分及粒度的控制提出更高的要求，需要根據原料自身特性進一步優化配比以滿足超高堿度燒結礦生產。

　　2.2.1 燒結技術經濟指標及冶金性能

　　凌鋼燒結礦堿度高達 2.45，經過優化配礦后，對不同種類鐵礦粉燒結原料進行合理搭配，降低了燒結成本，滿足了堿度高于 2.40 的燒結礦生產，使得成品礦質量整體改善。在超高堿度條件下，凌鋼燒結礦轉鼓指數為 76.81%，固體燃耗為 56.30%，利用系數為 1.51t/(m 2·h) [18]。可以看到凌鋼超高堿度燒結利用系數相對于其他企業較高，固體燃耗相對較低，原因是優化配礦過程做到了鐵礦粉基礎性能合理搭配優勢互補。后續對凌鋼現場燒結礦取樣并進行還原性、低溫還原粉化性及荷重軟化熔滴性能等冶金性能檢測，檢測結果見表 5 [18]。凌鋼生產超高堿度燒結礦的還原性與低溫還原粉化性能(RDI>3.15mm)相對較低。燒結礦成礦機理表明，堿度提高有利于針狀鐵酸鈣系黏結相的生成，故而對燒結礦強度及冶金性能均有促進作用，但鋼鐵企業為保證燒結礦鐵品味，一般通過進一步降低硅含量而實現超高堿度燒結礦的生產。因此硅含量的降低影響了燒結過程中黏結相含量，進而使得燒結礦強度及冶金性能降低。此外，熔滴性能檢測結果表明，凌鋼所生產的燒結礦軟化區間較窄但熔融區間較寬，不利于高爐滴落帶透氣性。影響燒結礦荷重軟化性能主要有兩個因素：燒結礦還原性能的改變使得燒結礦液相生成溫度提高，進而導致高爐中燒結礦的軟化開始溫度升高;堿度的提高也會使得燒結礦熔點升高，從而提高燒結礦軟化開始溫度。故在超高堿度范圍內，提高燒結礦堿度可以使得軟化開始溫度升高，縮小軟化區間，有利于高爐透氣性的改善。但堿度過高也會使得熔融開始溫度降低，熔融區間變寬明顯，透氣性的減少使得熔融終了溫度大幅增加，對高爐順行不利 [19]。

　　2.2.2 超高堿度對釩鈦磁鐵礦燒結的影響

　　攀枝花鋼鐵公司煉鐵廠燒結所使用的主要含鐵原料為釩鈦磁鐵礦精礦粉。2006 年以來[20]，攀鋼將高鐵低硅燒結生產作為攀鋼燒結技術發展的方向[21]，其堿度為 2.45 左右，并于 2018 年通過優化配礦以及改進燒結機參數等方式，實現了堿度為 3.30 的超高堿度燒結礦生產工藝[22]。由于釩、鈦等元素的存在，使得堿度對釩鈦燒結礦礦相特征及冶金性能的影響幅度及影響趨勢明顯不同于普通燒結礦。蔣大軍等[23]基于攀鋼現場釩鈦燒結礦原料配比進行的不同堿度燒結杯試驗結果見表 6。由表 6 可知，隨著燒結礦堿度的提高，熔劑配比逐漸增加，鐵礦粉所占比例相應降低，使得燒結礦全鐵質量分數由 49.4%逐漸降低至 47.1%;熔劑所占比例的提高也使得燒結料層透氣性增加，進一步提高了垂直燒結速度及利用系數，但高溫保持時間縮短，降低了燒結礦成品率;由于石灰石分解屬于吸熱反應，故隨著石灰石配比的增加，燒結過程中熱量消耗也進一步增加，固體燃耗由 56.63 逐步提高至 62.21kg/t。文獻[24]研究表明，鈦含量過多對燒結礦強度有著不利影響，而提高燒結礦堿度抑制了鈦鐵礦對攀鋼燒結礦強度的不利影響, 改善了燒結礦強度[25]。不同堿度的釩鈦燒結礦還原性能和低溫還原粉化性能對比結果見表 7，燒結礦堿度由 2.00 提高到 2.95，其還原性和低溫還原粉化性均得到改善。但堿度達到 2.60 后燒結礦還原度 RI 增幅變緩，堿度達到 2.80 以后燒結礦低溫還原粉化指數降幅變緩，這是由于堿度提高使得鈦磁鐵礦，鈦赤鐵礦的含量降低，強度及還原性均較好的鐵酸鈣相增加，從而使得燒結礦還原性和低溫粉化還原性明顯改善[24-28]。

　　超高堿度對攀鋼釩鈦燒結礦荷重軟化性能影響如圖 1 所示[23]。由圖 1 可知，堿度的提高使得釩鈦燒結礦軟化溫度由 1117 提高至 1155℃，這與非釩鈦燒結礦熔滴性能變化趨勢相一致，堿度的提高可使釩鈦燒結礦軟熔帶變窄，高爐軟熔帶逐漸下移，進而改善料柱透氣性[29]。通過圖 2 熔融終了溫度變化規律發現，堿度的提高對釩鈦燒結礦中礦物熔點影響較小，熔融終了溫度基本維持于 1515℃左右。因此堿度的提高可以改善釩鈦燒結礦熔滴性能。通過對超高堿度燒結礦的研究，蔣大軍等[23]確定了攀鋼燒結礦最適宜的堿度為 2.80，其燒結指標及冶金性能都非常良好。攀鋼在燒結工藝參數上通過降低機速、降低負壓、厚料層燒結 [27]等措施以優化超高堿度燒結礦的生產[20]：超高堿度燒結負壓要比燒結普通堿度燒結礦的負壓低 3～ 5kPa，優選負壓為 10～12kPa;超高堿度燒結混合料粒度不小于 3mm 占 70%～80%并且強化活性石灰的使用;料層厚度為 700～750mm。

　　3 超高堿度燒結技術難點改進措施及未來展望

　　近年來，燒結工作者們針對超高堿度燒結礦生產實踐中出現的諸多問題提出許多解決措施。綜合前人生產實踐及礦物學原理的分析，匯總整合了以下改善方案：

　　(1)相比于高堿度燒結礦，超高堿度有助于提高燒結過程料層透氣性，使得燃料燃燒速度加快，保溫時間變短。鋼鐵企業一般通過改變機速、負壓等方式來減緩垂燒速度、提高保溫時間。此外，也可結合氣體料面噴吹技術[30]，增加燒結過程中燃燒帶寬度，延長燒結保溫時間，使燒結過程液相結晶更加充分，同時也有助于減少燒結固體燃料消耗，降低燒結成本，提高燒結效益。

　　(2)燒結過程熔劑活性、制粒過程消化工藝及高溫過程與礦石礦化程度均會影響熔劑的反應行為，超高堿度燒結生產需要配加大量熔劑，亦容易在燒結礦中出現“白點”現象[9]。生產實踐表明，需要嚴格控制熔劑粒度的同時，結合生石灰預消化處理技術，或是使用高活性石灰以減少“白點”現象的出現[31]。此外，熔劑的增加也使得燒結礦中硫含量增加，但當燒結礦堿度高達 4.0 時，其內部的大多生成了穩定的 CaSO4 [9]，有待進一步研究明確對后續工藝的影響。

　　(3)有效控制燒結礦堿度波動是實現超高堿度燒結礦穩產的一大技術難點，需要對燒結原料進行優化配比才能有效改善。針對燒結用不同礦粉種類，合理搭配原料結構，嚴格控制燒結原燃料粒度分布，合理調整硅鋁比[10]、MgO 含量[32-33]以及 ZnO 含量[34]等化學成分，有助于改善燒結礦堿度和成分波動問題。此外，在傳統燒結混合制粒流程中增添強力混合工藝，以避免制粒過程所引起的化學成分偏析現象[35]。隨著含鐵原料品種逐步增加且成分波動變化，燒結過程動態時變且復雜滯后，傳統周期性采樣對燒結礦進行化學檢測的方法并不能滿足燒結礦堿度穩定控制的需求，在如今人工智能等新興技術逐漸工業化應用的時代背景下，發展燒結工序在線成分質量預測系統對于燒結礦堿度波動控制具有重要意義。實時檢測燒結混合料及成品礦化學成分變化，減少礦種成分波動所帶來的化學成分差異，進一步改善和控制燒結礦堿度及化學成分的穩定性，以實現燒結礦品質的智能化管理[36]。

　　4 結論

　　(1) 通過在燒結過程中配加大量熔劑，提高二元堿度至 2.10 以上，從而得到超高堿度燒結礦。通過對超高堿度燒結礦成礦機理進行分析得出，堿度為 2.10～2.40 之間時，隨著堿度升高，鐵酸鈣粘結相含量逐漸增高且由板狀結構向針狀結構發展;堿度為 2.40 至 2.80 之間時，礦相變化逐漸趨于平穩，主要黏結相為鐵酸鈣，鐵酸鈣體系(CaO·Fe2O3-Fe3O4)和鈣鎂橄欖石;而當堿度高于 2.80 時，黏結相中鐵酸二鈣含量逐漸增多并伴隨玻璃質和裂紋的出現。堿度 2.40 為超高堿度燒結礦的礦相特征分界點，在燒結礦堿度低于 2.40 時，提高其堿度可使得燒結礦還原性、低溫還原粉化性能、荷重軟化性能均有較大改善，堿度高于 2.40 后，增幅效果逐漸緩慢。堿度 2.80 為超高堿度燒結礦的質量分界點，堿度高于 2.80 時，燒結礦質量將會呈嚴重下滑趨勢。

　　(2) 在生產超高堿度燒結礦過程中，鋼鐵企業通過對原料成分和粒度的合理把控，對燒結設備的設計改進，以及對燒結過程的嚴格控制，可有效解決超高堿度生產所帶來的燒損嚴重、成品率下降等問題。而由于鋼鐵企業往往利用低硅燒結工藝來進一步提高燒結礦堿度，此時則對其化學成分的穩定控制提出了更高的要求，在對燒結設備參數改進的前提下，還需要通過優化配礦、強力混合、預消化石灰等措施來進一步加強對燒結原料成分的控制，以實現其穩定生產。

　　(3) 由于釩、鈦等元素的存在，使得堿度對釩鈦燒結礦的礦相特征及冶金性能的影響幅度及影響趨勢明顯不同于普通燒結礦。通過攀鋼不同堿度燒結杯試驗結果分析得出，提高堿度可以有效規避鈦含量過多對燒結礦強度的影響，同時也使得強度及還原性均較好的鐵酸鈣系黏結相含量增加，有效改善了釩鈦燒結礦的冶金性能。此外堿度的提高也可以使得釩鈦燒結礦軟熔帶變窄，促進高爐軟熔帶下移，從而有助于改善料柱透氣性。

　　(4)針對鋼鐵企業在生產超高堿度燒結礦中出現的問題，基于燒結工藝、礦物學原理及前人實踐經驗，對其中存在的問題提供了解決建議及未來展望。雖然在實際生產中超高堿度燒結礦仍然存在許多問題尚未徹底解決，相信在可預見的未來內，隨著燒結工作者們堅持科學指導，理論結合實踐，對這些問題進行深入研究并逐個擊破，超高堿度燒結礦生產必將會成為在高比例球團冶煉的大勢下典型鐵前原料生產方式之一。