烧结自返料成分和烧结矿成分对比（烧结返矿冷压球团的技术创新和低碳实践）

1．概述

国内高炉炉料结构中烧结矿占比60%～85%，而烧结的生产有10%～30%的外返矿在循环重复烧结，目前国内大部分厂家是将返矿返回烧结配料重新生产，既浪费人力、物力，又浪费能源和资源，返矿量过多会影响烧结过程控制，烧结矿强度差（质量下降，黏结相不足，强度差）。同时，烧结返矿会增加倒运的物流成本，造成烧结工序能耗增加，并带来烟气及污染物排放量的增加，最终导致炼铁成本上升。

如何解决返矿率高，稳定烧结生产，提高烧结产品质量，从而达到稳定高炉生产的目的。设想降低返矿量的终极目标是实现无返矿炼铁，即返矿全部入高炉。其中，>1mm的颗粒矿部分从炉顶加入高炉。≤1mm的粉尘可采取风口喷吹或冷压块的方式使用。从实际工程的角度，也可与其它粉尘一起配加到烧结混合料中利用[1、2]。另一解决办法有小粒度烧结回收利用，将高炉槽下烧结筛下物集中，回收大于3～5mm的烧结矿集中入炉，这一解决办法并没有被全行业认可，使用效果不明显。

烧结返矿冷压球团的创新技术可避免返矿的大循环，使烧结返矿得到有效地利用，降低人力、物力和能源、资源的消耗。

2．烧结返矿冷压球团工艺

烧结返矿由汽运拉至受料坑，然后由皮带上至混料机，与铁精粉、粘结剂混合搅拌后进入压球机压球，成球进入烘干机，烘干后进行一次筛分（10mm左右的铁棍筛），粉末返回搅拌机重新搅拌（成球、烘干流程的粉末率约10%～15%），成球由皮带运至车间的储球处储存，然后集中由汽运至高炉上料皮带受料槽后入炉，具体见图1。

图1烧结返矿冷压球团工艺路线图

从上料到入炉压球外观变化来看，上料过程压球四边棱角有一定磨损，在槽下筛分后基本呈不规则圆形，其粉末主要是四边棱角磨损导致，且其入炉前高炉槽下基本无碎裂，返矿压球抗摔效果较好。

3．烧结返矿冷压球团指标分析

3.1考查指标

与GB/T 27692-2011高炉用酸性铁球团矿[3]对比分析，主要考察以抗压强度、粒度为物理特性代表指标，以TFe、CaO/SiO2允许波动值、S、P含量为代表的化学成分，以热爆裂指数DI-6.3、低温还原粉化指数RDI 3.15、还原膨胀指数RSI为代表的冶金性能，主要指标对比分析如下：

表1 烧结返矿冷压球团的化学成分、冶金性能技术指标

表2 烧结返矿冷压球团的物理特性技术指标（建议指标）

球团矿和烧结矿主要技术指标要求见表3和4。

表3 铁球团矿化学成分、冶金性能技术指标（GB/T 27692-2011高炉用酸性铁球团矿）

表4 铁球团矿物理特性技术指标（GB/T 27692-2011高炉用酸性铁球团矿）

本文件技术参数设置充分考虑了企业的需求性、产品工艺的差异性。产品质量要求必须具有适宜而均匀的粒度，足够的抗压强度和落下强度及良好的耐热性。基于此，对GB/T 27692-2011部分指标进行了调整。

3.2关键指标选取依据

3.2.1冶金性能

烧结返矿冷压球团使用带来对高炉的影响仅仅是高炉的块状带，高炉的上部干区（块状带）中下部是湿区（软融带及以下区域），干区每米纵向高度的压差4～5kPa，而湿区每米纵向高度的压差是11～12kPa，高炉的温度场分布决定了高炉的干、湿区分布比例，压差的高低和分布状况。可见，烧结返矿冷压球团在高炉块状带的作用是有限的，某种程度上说，粒级一致的返矿球有一定提高透气性的作用。。

因生产工艺和原料来源不同，转鼓强度、抗磨指数表征冶金性能意义不大，烧结返矿冷压球团关键指标的说明和选取依据如下：

1）热爆裂指数

热爆裂指数是铁矿石的一种重要冶金性能，主要发生在天然铁矿石中。铁矿石的热爆裂性的测试方法一般依据GB/T 10322.6-2004 热裂指数的测定，该标准针对的对象明确为“铁矿石块矿”，并不把它作为衡量熟料的标准。烧结返矿冷压球团的基础材料虽然是熟料-烧结矿，但是由于添加的符合粘结剂构成的成型机理使其更接近于生料，因此可以借用该方法提供的指标热裂指数DI-6.3对烧结返矿冷压球团进行评价。

2）低温还原粉化指数 铁矿石（烧结矿及球团矿）在低温还原过程中发生碎裂粉化的特性。在高炉炼铁过程中，当铁矿石进入高炉后，炉料下降到400～600℃的区间，受到来自高炉下部的煤气的还原作用，会发生不同程度的碎裂粉化。严重时则影响高炉上部料柱的透气性，破坏炉况顺行。

铁矿石这种性能的强弱各个国家评价标准不同，以最新的“GB/13242-2017铁矿石低温粉化试验静态还原后使用冷转鼓的方法”为测试方法，测得的数据根据相应标准或规范进行使用。国内企业多数通过企业质量标准进行控制RDI，一般大于 1000m3 高炉要求大于 60%。而榆钢烧结返矿冷压球团的测试结果表明，RDI 3.15可达到65%以上，完全符合要求。

3）还原性

烧结返矿冷压球团理论上采用粘结剂把烧结返矿粘结在一起，使其成为具有一定强度、还原度的炼铁原料。理论计算的高炉还原度区间冷压块的基本理论是烧结矿粉矿颗粒是通过范德华力，表面张力、外场里作用下，粘结在一起。芬兰奥卢大学Timo教授指导博士和博士后做过冷压球在模拟高炉内容测行为，发现烧结返矿冷压球在还原度大于70%，才有粉化性。这个时候，冷压球基本上软熔带，因其含量少，不会对软熔带产生大的影响。瑞典LuLea科技大学在实验室研究基础上，在MEFOS试验高炉测试冷压球对软熔带透气性的影响。发现冷压球含量小于35%以下，对软熔带影响不大；高于 50% 时，软熔带压差增加 20～25kPa/m。理论上采用Mogador方法和三传一反（fluent 化学反应）对高炉上部软熔带以上料层行为进行计算，发现软熔带可以承受的还原度区间在70%～100%。也就是说含铁原料在70%以上还原度，均可以到达软熔带，剩下30%在炉缸液体渣铁内部完成还原[4]。

3.2.2物理性能

1）抗压强度

球团矿抗压强度是指球团矿受压的最大破碎载荷，是一个表征球团矿的机械强度的指标。铁矿石球团矿在进入高炉或直接还原炉窑之前和之后，经过多次装卸、转运、堆积和运动，要经受碰撞、冲击、挤压和摩擦等各种严酷的机械作用。在这些机械作用下将有一部分球团矿破碎而产生小块和粉末，从而影响炉况顺行和生产指标。抗压强度用于表征烧结返矿冷压球团的冷态强度。 球团矿的抗压强度直接影响着炉窑内小块和粉末的数量。球团矿的抗压强度高，炉窑内的粉末少，料层透气性好，有利于炉窑的顺行，可以提高高炉的产量，还可以减少工业粉尘，改善环境。1000m3以上大高炉使用的氧化焙烧球团矿的抗压强度应≥2000N/个，中小高炉用球团矿要求抗压强度可以适当放宽。

2）粒度

GB/T 27692《高炉用酸性铁矿球团矿》成品矿粒度为8～16mm。要求8mm～16mm分为三级：一级≥95%；二级≥90%；三级≥85%；-5mm也分为三级：一级£3.0%；二级£4.0%，三级£5.0%。

根据对返矿压球的入炉粒度进行了检测，结果表明：0～5mm、5～8mm、8～10mm均在1%以下，25～40mm占比平均为90%以上，入炉粉末小于1%（使用4.5mm棒条筛）。

4.烧结返矿冷压球团理论

理论上采用Mogador方法和三传一反（fluent 化学反应）对高炉上部软熔带以上料层行为进行计算，发现软熔带可以承受的还原度区间在70%～100%。也就是说含铁原料在70%以上还原度，均可以到达软熔带，剩下30%在炉缸液体渣铁内部完成还原。如下图2所示。

图2 Mogador 理论计算还原度分布图（软熔带蓝色曲线内）

芬兰奥卢大学Timo教授指导博士和博士后做过冷压球团在模拟高炉内容测行为[5]，发现冷压球团在还原度大于70%，才有粉化性。这时冷压球团基本上在软熔带，因其含量少，不会对软熔带产生大的影响。瑞典LuLea科技大学在实验室研究基础上，在MEFOS试验高炉测试冷压球团对软熔带透气性的影响。发现冷压球团含量小于35%以下，对软熔带影响不大；高于50%时，软熔带压差增加20～25kPa/m。国外研究和应用结论：只要入炉量控制在30%以下，冷压球团对高炉影响很小。

因此虽然冷压球团理论上采用粘结剂把烧结粉矿粘结在一起，具有一定强度，依靠颗粒之间通过范德华力，表面张力、外场力作用下粘结在一起，完全满足高炉生产要求。

5.烧结返矿冷压球团生产实践

2018年1月西安建筑科技大学对球团进行检测，软熔性能够满足高炉冶炼的要求。球团爆裂温度大于500℃，爆裂指数3.75%，平均强度达到2300N（目前已提高到2000N以上），完全能满足高炉冶炼的要求，高炉可以适当配加进行冶炼。

汉钢炼铁450m3高炉2017年11月份起一直在使用烧结返矿冷压球团，已使用3年多时间，从使用情况看，配加比例8%～15%，对炼铁过程未见异常影响，炉况顺行，烧结返矿冷压球目前在高炉正常使用。

2020年11月和2021年1月两次在榆钢公司2800m3高炉配加，用量配比1%，各配加约一个星期，共使用烧结返矿冷压球约2000吨。2021年3月29日起高炉开始长期配加，并逐步提高配比为3%，2021年9月开始为了应对10月高炉停炉大修的需要，逐步降低配比至1%，全年消耗烧结返矿冷压球3万余吨，使用期间高炉生产正常。2021年12月20日高炉大修后点火开炉，为了尽快恢复炉况，同时受烧结返矿冷压球设备检修影响，2022年1月没有配加烧结返矿冷压球。2022年2月开始配加烧结返矿冷压球，但受其产能制约，配加仅为2%；随着烧结返矿冷压球产能的逐步释放，4月份烧结返矿冷压球配比加至3%；5月初冷压球团配比加至4%。准备进一步提升冷压球团的产能，2022年5月配比达到5%以上。

高炉配加烧结返矿冷压球期间的高炉参数及指标见表9、表10，高炉铁水成份见表11，在增加烧结返矿冷压球配比期间，高炉同时强化冶炼，高炉操作参数及技术经济指标看，高炉稳定顺行，各项指标持续进步，配加返矿压球没有影响高炉强化冶炼的进程。

从2020年至今，持续研究配加烧结返矿冷压球期间的高炉冶炼行程的变化，不断改善烧结返矿冷压球的冶金性能，烧结返矿冷压球的冷强度、高温冶金性能均得到提高。结合理论分析和国外应用经验，已经完全具备了大高炉配加的条件，在大高炉试验也可以采用小高炉的路线，逐步提高配比。

6.烧结返矿冷压球团使用效果和碳减排分析

6.1烧结返矿冷压球团效果分析

目前分别在陕西汉钢集团450立方米高炉和甘肃榆中钢铁2800立方米高炉使用，是国内唯一在高炉使用的单位。烧结返矿冷压球团使用效果如下：

6.1.1降低燃料消耗

烧结返矿冷压球团直接入炉生产，可以避免返矿在烧结系统的循环复烧，降低能源的消耗，使烧结的能力得到释放，缓解烧结生产的压力。

6.1.2改善高炉透气性

冷压球团可以替代部份球团矿和烧结矿，提高高炉熟料比，有利于高炉生产的稳定顺行。由于冷压球团粒度均匀、水分低、粉末少，有利于改善料柱的透气性。

6.1.3有利炉料结构优化

通过调整原料的配比，可以对冷压球团的碱度进行调整，有利于高炉的配料调整和炉料结构优化。

6.2降低能耗，降低碳排放

可以降低能耗，减少碳排放，返矿冷压球吨球耗电14～20千瓦时，折合1.721～2.458千克标准煤，吨球高炉煤气用量80立方米（或焦炉煤气用量12立方米），折合标准煤8.568公斤标准煤（6.857公斤标煤），共计9.315～10.289公斤标准煤（如果用高炉热风废气或烧结、轧钢余热废气等，则能耗仅为1.72～2.50公斤标准煤左右）。与2021年重点统计单位烧结生产48.37千克标准煤相比，可以大幅降低能耗，减少碳排放，符合国家的碳达峰碳中和政策。

烧结返矿冷压球团碳排放0.076吨/吨左右，与烧结矿碳排放0.16吨/吨左右相比，烧结返矿冷压球团可大幅度降低碳排放50%以上，可从源头和炉料结构上实现高炉炼铁低碳减碳和绿色发展。

6.3“十四五”推广及效果

目前已投产的返矿生产线有：榆钢年产20万吨，汉钢年产15万吨、略钢25万吨等。印尼德信钢铁15万吨冷压球团已投产。首钢迁钢、首钢京唐、南京钢铁、四川德胜钢铁、华菱集团涟源钢铁、广西北港新材料公司、唐山唐银、文丰钢铁、山西建邦钢铁、山西高义钢铁和建龙集团等有意向建设烧结返矿冷压球团生产线，总产能可达500万吨以上。

预计“十四五”时期新增100台套（按50万吨/套）烧结返矿冷压球团项目，降低能耗190万吨左右标煤，减少碳排放695万吨左右。

参考文献：

[1]沙永志、王志花、李光森，等. 无返矿炼铁工艺构想[C]//中国金属学会.第十一届中国钢铁年会论文集.北京：中国金属学会，2017:1-7.

[2]沙永志，宋阳升. 未来高炉炼铁工艺之管见，炼铁[J]，2018，37(5)：4-5.

[3]GB/T 27692-2011 高炉用酸性铁球团矿.

[4]严礼祥.钢铁厂冷压块与球团矿冶金性能对比研究[J]，冶金与材料，2020，40（6）：32-33

[5]严礼祥. 烧结返矿冷压成球入炉的可行性分析[J]，冶金管理，2011,11:9-10.

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