為應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的鋼鐵需求和減排二氧化碳的有關(guān)要求，需要不斷強(qiáng)化高爐的高利用系數(shù)和低還原劑比操作技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須提高主要原料燒結(jié)礦的強(qiáng)度和還原性。但是，近年來(lái)鐵礦石品質(zhì)逐漸惡化，需要確立應(yīng)對(duì)鐵礦石性能變化的高品質(zhì)燒結(jié)礦生產(chǎn)技術(shù)。本文總結(jié)了JFE鋼鐵高品質(zhì)燒結(jié)礦生產(chǎn)技術(shù)的變遷，提出了今后的研究方向。

在燒結(jié)礦的生產(chǎn)工藝中，一般是將鐵礦石和副原料（石灰石）、焦粉、返礦（高爐不能使用的5mm以下的燒結(jié)礦粉）混合制成顆粒，然后裝入燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)塊狀物。燒結(jié)礦結(jié)構(gòu)的主體是由Fe₂O₃、CaO、SiO₂和Al₂O₃等脈石構(gòu)成的多元系鐵酸鈣（以下稱SFCA：Silico-Ferrite of Calcium and Aluminum）和渣的基質(zhì)。在提高燒結(jié)礦的強(qiáng)度方面，從礦物結(jié)構(gòu)控制角度，提高高強(qiáng)度原礦赤鐵礦（一次赤鐵礦）的殘留和促進(jìn)高強(qiáng)度SFCA的生成是有效措施。另一方面，從氣孔控制角度，降低與粉化密切的直徑1-5mm的氣孔是有效提高強(qiáng)度方法。在提高還原性（RI）方面，提高高還原性的一次赤鐵礦殘留和促進(jìn)高還原性SFCA的生成有助于還原性。同時(shí)，保證作為還原氣體通路的直徑500μm以下的氣孔的存在非常重要。

表1是JFE鋼鐵燒結(jié)技術(shù)的變遷歷程。大量使用致密質(zhì)赤鐵礦時(shí)，常規(guī)方法是將全部原料進(jìn)行均勻混合制粒（A）。從20世紀(jì)80年開(kāi)始，為了在燒結(jié)工藝中大量使用高鐵分球團(tuán)料（PF），開(kāi)發(fā)了混合制粒燒結(jié)礦工藝（HPS：Hybrid Pelletized Sinter）（B），并引入到福山廠5#燒結(jié)機(jī)。其后，為了應(yīng)對(duì)澳大利亞產(chǎn)豆?fàn)畹V使用量的增加，開(kāi)發(fā)了（C）石灰石、焦粉包覆技術(shù)，并依次引入到倉(cāng)敷廠、福山廠和千葉廠的燒結(jié)機(jī)。該項(xiàng)技術(shù)是防止在燒結(jié)過(guò)程中由于豆?fàn)畹V的多孔質(zhì)化而引起熔融同化和熔液流動(dòng)性降低。其后，開(kāi)發(fā)了城市煤氣燒成技術(shù)（D）。在該項(xiàng)技術(shù)中，目標(biāo)是低溫的燒結(jié)化反應(yīng)，促進(jìn)強(qiáng)度和還原性優(yōu)越的原礦殘留和SFCA組織形成，以保證微細(xì)氣孔為特征。

HPS燒結(jié)技術(shù)的目標(biāo)是借鑒球團(tuán)生產(chǎn)操作中的外部熱量形成結(jié)合結(jié)構(gòu)，其特征是強(qiáng)化鐵礦石的制粒和外部包覆作為熱源的焦粉，部分生成鐵酸鈣熔液，可以實(shí)現(xiàn)高還原性的一次赤鐵礦主體的擴(kuò)散結(jié)合結(jié)構(gòu)，圖1是工藝流程。為了強(qiáng)化制粒，采用了圓盤(pán)式制球機(jī)，在后段引入了包覆焦粉用的轉(zhuǎn)鼓式攪拌機(jī)。在福山廠5#燒結(jié)機(jī)，將PF配比率增加到50%-55%，獲得高RI：70%-75%，低RDI：35%-40%的塊礦，燃料比從43kg/t降至37kg/t。福山廠5#高爐使用HPS工藝生成的燒結(jié)礦，在礦比固定條件下，高爐還原劑比降低了約12kg/t。

圖2是采用石灰石、焦粉包覆制粒技術(shù)時(shí)準(zhǔn)顆粒和燒結(jié)礦組織結(jié)構(gòu)情況。包覆石灰石的目的是抑制多孔質(zhì)的鐵礦石顆粒與石灰石熔融同化，通過(guò)改善熔液流動(dòng)性來(lái)改善透氣性。通過(guò)具有高還原性的一次赤鐵礦的殘留，借助高強(qiáng)度SFCA黏結(jié)作用，以達(dá)到高還原性和高收得率。外部包覆焦粉的目的是通過(guò)改善燃燒性實(shí)現(xiàn)低熱量燒結(jié)，實(shí)現(xiàn)一次赤鐵礦的微細(xì)氣孔大量殘留，提高還原性。在鐵礦石顆粒物表面，包覆焦粉和石灰石制粒，形成的準(zhǔn)顆粒以向外側(cè)偏析為特征。外部包覆石灰石和焦粉，抑制了還原性差的磁鐵礦的生成，通過(guò)促進(jìn)一次赤鐵礦和SFCA生成，提高化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)。由于保證了微細(xì)氣孔，有效擴(kuò)散系數(shù)也增加，提高了還原性。用Rist模型分析工業(yè)高爐使用效果，高爐還原劑比可降低7kg/t。

4.1氫系氣體燃料噴吹技術(shù)

燃料噴吹技術(shù)目的是通過(guò)噴吹氣體控制燒結(jié)加熱模式，實(shí)現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)。在燒結(jié)過(guò)程點(diǎn)火后，從燒結(jié)料床上方噴吹少量的城市煤氣或富氧。圖3是實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的點(diǎn)火后600s的燒結(jié)料層內(nèi)溫度分布的比較。在常規(guī)燒結(jié)過(guò)程中，雖然存在1400℃以上的更高溫區(qū)域，但1200℃以上的溫度區(qū)域狹窄；在噴吹城市煤氣（LNG  0.4 vol.%）條件下，盡管最高溫度降低，但1200℃以上的高溫保持時(shí)間延長(zhǎng)了。這是由于城市煤氣中主要成分甲烷氣體在下降到焦粉燃燒位置前的低溫帶（650-750℃）開(kāi)始燃燒，使得燃燒場(chǎng)向燒結(jié)料床上方擴(kuò)大的結(jié)果。圖4是采用該方法獲得的燒結(jié)礦中氣孔直徑的分布情況。直徑1μm以下的氣孔殘留要比常規(guī)方法多。這是因?yàn)橛捎谧罡邷囟冉档?，鐵礦石本身的致密化被抑制，一次赤鐵礦中的微細(xì)氣孔更多地殘留下來(lái)。微細(xì)氣孔的增加有助于提供還原性。在京濱廠1#燒結(jié)機(jī)的實(shí)際操作中，燒結(jié)礦還原性改善了4%。

4.2氣體燃料和氧并用噴吹技術(shù)

為了進(jìn)一步改善碳?xì)浠衔餁怏w的使用技術(shù)，開(kāi)發(fā)了城市煤氣和富氧組合使用的技術(shù)。將城市煤氣和氧氣組合噴吹，由于富氧，焦粉燃燒位置進(jìn)一步移向燒結(jié)料床下層一側(cè)。另一方面，氣氛氧濃度上升，城市煤氣的燃燒速度加快，與常規(guī)方法相比，城市煤氣燃燒位置向上方移動(dòng)。其結(jié)果，與單純噴吹城市煤氣技術(shù)相比，進(jìn)一步延長(zhǎng)高溫保持時(shí)間的燃燒控制成為可能。圖5是常規(guī)方法（T1）、噴吹城市煤氣（T2）和城市煤氣+富氧（T4）三種情況下礦物組織的X射線衍射定量檢測(cè)結(jié)果。鐵酸鈣系結(jié)構(gòu)全部作為CF顯示。在T4中，赤鐵礦和CF組織增加，磁鐵礦和非晶態(tài)渣減少。赤鐵礦結(jié)構(gòu)增加的原因是隨著氧濃度的增加，赤鐵礦的還原反應(yīng)和熱解離反應(yīng)被抑制，赤鐵礦穩(wěn)定了。此外，CF組織的增加認(rèn)為是隨著赤鐵礦的穩(wěn)定化，以其為主要成分的CF大量生成的結(jié)果。將該項(xiàng)技術(shù)用于工業(yè)燒結(jié)機(jī)，在產(chǎn)量一定的條件下，燒結(jié)礦強(qiáng)度改善了1.2%。

為了生產(chǎn)高品質(zhì)燒結(jié)礦，JFE鋼鐵開(kāi)發(fā)了各種燒結(jié)預(yù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低溫?zé)Y(jié)。到目前為止，鐵礦石的趨勢(shì)是致密質(zhì)赤鐵礦→豆?fàn)畹V→馬拉曼巴礦→高品位微粉礦（球團(tuán)料、濃縮料），但今后是怎樣的礦石性狀很難預(yù)測(cè)。隨著細(xì)粉原料和低品位礦石的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，需要確立應(yīng)對(duì)不同資源條件的原料處理技術(shù)?；贏l₂O₃、SiO₂對(duì)燒結(jié)礦結(jié)構(gòu)形成的影響，以及副原料中MgO等的影響，有必要開(kāi)發(fā)為提高強(qiáng)度和還原性的預(yù)處理技術(shù)和燒成技術(shù)。燒結(jié)礦是半熔融組織，未熔融部分和熔融部分的功能有很大的差異。其中，未熔融部分在很大程序上依存于鐵礦石原礦的性狀，很難積極地改變性狀，但關(guān)于熔融相生成的SFCA，期待通過(guò)成分設(shè)計(jì)和氣氛控制等措施以實(shí)現(xiàn)控制其結(jié)構(gòu)和生成行為。