一、研究的背景與問題
鋼鐵工業(yè)是典型的高排放和高能耗工業(yè)，我國鋼鐵碳排放占全國總碳排放的15%，占全球鋼鐵工業(yè)碳排總量的60%以上，鋼鐵能耗占全國能源消費總量的11%[1, 2]。作為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中的重要工序，燒結為高爐提供65%～80%的含鐵原料；它約占鋼鐵總能耗的10~15%，其中75%～80%為固體化石燃料消耗；它產(chǎn)生煙氣排放量大，占鋼鐵總排放量的一半以上，其中燒結煙氣中含有30％以上的SO2、NOx、二噁英、重金屬和其它有害物質(zhì)[1, 3-5]。
鋼鐵企業(yè)副產(chǎn)品種類多、產(chǎn)量大、成分雜、處理難，對環(huán)境影響十分突出。返礦是鋼鐵工業(yè)中一種典型的副產(chǎn)品，是燒結作業(yè)中無法避免的產(chǎn)物，粒度一般在5mm以下，塊礦少粉礦多。目前國內(nèi)大部分鋼鐵企業(yè)是將返礦返回燒結配料，生產(chǎn)實踐中有30%～45%返礦會進入燒結系統(tǒng)循環(huán)再燒。既浪費人力、物力，又浪費能源，返礦量過多會影響燒結過程控制，燒結礦強度差，造成燒結生產(chǎn)惡性循環(huán)，煉鐵成本上升[6]。因此，回收和利用好燒結返礦對鋼鐵企業(yè)提高資源利用水平、減少礦產(chǎn)資源的開采、釋放煉鐵原料供給壓力、減少污染物排放量具有極強的現(xiàn)實意義。
冷壓球團因其制備工藝無高溫處理過程、能顯著減少能耗和降低污染、可吸納部分冶金固廢、充分利用二次含鐵原料，同時具有流程簡單和投資少等優(yōu)點，成為冶金固廢處理和新型爐料制備的關注熱點[7]?；诖?，將返礦高效利用、固廢協(xié)同運用與冷壓球團有效銜接，形成與高爐運用相適配的返礦冷壓球團技術，發(fā)揮更大的社會和經(jīng)濟效益，則是推動鋼鐵企業(yè)降碳增效的重要路徑[8]。
二、解決問題的思路與技術方案
1、技術思路
以返礦為主要原料，按比例添加鐵精粉、鋼渣等其它含鐵原料進行配料，隨后將獨家粘合劑、水加入其中，混合均勻后便可壓制成型，將壓好的濕球送入專業(yè)烘干設備進行脫除水分處理。以上步驟獲得的返礦冷壓球團性能良好，它被轉運至倉儲車間儲存、被送往高爐或是轉爐冶煉。
2、固結機理
利用外力破壞模具中由燒結返礦、鐵精粉等粉料顆粒之間的摩擦力和機械咬合力形成的“拱橋效應”，使原料中各顆粒向著自己有利方向移動，重新排列，充實粉料顆粒之間的孔隙致使其逐漸密實化，在特研粘合劑的作用下，大顆粒被小顆粒包裹粘結、聯(lián)結從而成型成塊。在200°C溫度下進行干燥，過程中產(chǎn)生新的物相并將返礦顆粒和其它粉料顆粒粘接在一起。主要影響因素：1）物料基礎特性；2）粘合劑性能；3）混碾時長；4）干燥固結方式。
3、技術路線圖
如圖1所示，該路線主要包括配料、混料、壓球、烘干、倉儲等幾個環(huán)節(jié)。
圖1 返礦冷壓球團技術路線
性能指標：
1）TFe≥50%；
2）熱爆裂指數(shù)DI-6.3≤10%，低溫還原粉化指RDI+3.15≥65%，還原膨脹指數(shù)≤20%；
3）常溫下球團強度≥2500N/個，水分≤2%；
4）特研粘合劑性能穩(wěn)定，產(chǎn)品外形規(guī)則，粒度均勻。
三、創(chuàng)新性新進展
1、開發(fā)了返礦冷壓球團技術，不但在國內(nèi)中小高爐中投入運用，而且產(chǎn)品在煉鐵領域實現(xiàn)工業(yè)化應用是國內(nèi)首創(chuàng)；
2、首次把返礦作為煉鐵原料，獨辟新境地綜合利用返礦以及鋼渣、污泥等鋼鐵廠固廢資源；
3、研發(fā)了與返礦冷壓球團相匹配的烘干設備；研制了該工藝需要的多元復合型粘合劑；
4、生產(chǎn)中可協(xié)同處理部分其它冶金固廢，回收有價元素；
四、應用情況與效果
1、返礦冷壓球團技術應用情況
返礦冷壓球團技術自2018年在漢鋼集團首次投入實用后，陸續(xù)在酒鋼榆鋼、略陽鋼廠投入應由，經(jīng)過4年多時間生產(chǎn)實踐和技術發(fā)展，該技術不但十分成熟、可靠，而且效果好、安全性高。
表1 重慶臻焱燒結返礦冷壓球團應用現(xiàn)狀
表1展示了重慶臻焱在國內(nèi)已經(jīng)投用的3條生產(chǎn)線有關情況，返礦冷造球不但可以應用在大高爐（2800m3），還具有高達15%入爐爐料比例。另外，除了表1中三家單位應用之外，全國多家鋼鐵企業(yè)正在開展該項目。和燒結礦、球團礦相比，返礦冷壓球團不需要高溫燒結或焙燒，具有以下特點[9, 10]：1）成品顆粒大小均勻，不需再做整粒處理；2）適用于粉料成型，對原料的粒徑范圍要求很寬；3）具有增加燒結產(chǎn)量、提高高爐熟料率、低碳節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢。
2、高爐使用返礦冷壓球團生產(chǎn)實踐效果
從表2（2800m3高爐）運行指標上看，使用返礦冷壓球團期間，隨著返礦冷壓球團比例增加，不但產(chǎn)量增加，綜合焦比降低，而且鐵水溫度有所升高，富氧率也隨著升高。此外，高爐料柱透氣性有不同程度改善。
表2 2800m3高爐使用返礦冷壓球團后的部分指標
3、經(jīng)濟社會效益
（1）降耗減排方面：2021年中鋼協(xié)會員單位燒結工序能耗48.50 kgce/t [11]，相比之下，返礦冷壓球可節(jié)約36kgce/t，降低能耗70％以上。
（2）經(jīng)濟效益方面
根據(jù)應用單位的歷史數(shù)據(jù)，使用返礦冷壓球團配比達到13%左右時，生鐵直接成本降低12元/t，間接成本降低約36元/t。因此使用該產(chǎn)品不但能夠有效降低生產(chǎn)成本，而且增加鋼鐵企業(yè)經(jīng)濟效益。
（3）綜合效益方面
返礦冷壓球團技術不但減少循環(huán)復燒，釋放燒結能力，緩解燒結生產(chǎn)壓力；有利于提高燒結礦質(zhì)量和品位，改善燒結礦冶金性能，而且也有助于調(diào)整高爐原料架構、調(diào)節(jié)爐內(nèi)堿度和穩(wěn)定爐況等。
該成果擁有“冷壓球團復合粘合劑及其制備方法”、“低能耗冷壓球團及其制備方法”、“高強度冷壓球團成球機”等近30余項專利。聯(lián)合寶鋼股份、上海大學、冶金規(guī)劃院、酒鋼榆中鋼鐵等單位，制定了《燒結返礦復合冷固結球團》、《冶金塵泥冷固結球團》團體標準。努力把冷壓球團做成平行于燒結、球團的第三種造塊技術。擁有完備的冶金固廢利用核心技術體系，具備技術研發(fā)、運用和生產(chǎn)線設計、建設、運營全鏈條服務能力。該技術已經(jīng)推廣到除塵灰、污泥、鋼渣、焦粉等其它需要粉料造塊的領域。
