一、研究的背景與問題
“雙碳”背景下，鋼鐵行業(yè)面臨著巨大的碳減排和超低排放壓力。目前，我國的鋼鐵工業(yè)仍以長流程為主，如何實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵污染物和CO2的超低排放對于鋼鐵企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展至關(guān)重要。歐美大部分高爐采用高比例低硅熔劑性球團(tuán)、鎂質(zhì)酸性球團(tuán)冶煉，并取得了一流的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。國內(nèi)高爐長期采用以高比例燒結(jié)礦為主、以普通酸性球團(tuán)和塊礦為輔的爐料結(jié)構(gòu)，熔劑性球團(tuán)、鎂質(zhì)酸性球團(tuán)的工業(yè)化生產(chǎn)及高爐應(yīng)用研究直到近十年才逐步得到重視和發(fā)展。與燒結(jié)生產(chǎn)相比，球團(tuán)在能耗、污染物排放等方面具有明顯的優(yōu)勢。因此，從原料制備的源頭環(huán)節(jié)開始，研發(fā)適用于大比例球團(tuán)冶煉的優(yōu)質(zhì)熔劑性球團(tuán)以及高爐高比例球團(tuán)冶煉技術(shù)是我國鋼鐵工業(yè)低碳冶煉的重要技術(shù)途徑。
鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯和帶式焙燒機(jī)是球團(tuán)生產(chǎn)的兩種主要技術(shù)和裝備，當(dāng)前，我國已掌握了鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯的工藝裝備和技術(shù)。然而，相較于鏈箅機(jī)-回轉(zhuǎn)窯，帶式焙燒機(jī)具有更好的原料適應(yīng)性、更高的生產(chǎn)效率，以及規(guī)模大型化的能力，在生產(chǎn)熔劑性球團(tuán)和鎂質(zhì)球團(tuán)的應(yīng)用上更具優(yōu)勢。帶式焙燒機(jī)工藝是球團(tuán)清潔生產(chǎn)的主要方法，其核心技術(shù)和裝備長期以來一直被國外公司壟斷，嚴(yán)重制約了我國帶式焙燒機(jī)技術(shù)的發(fā)展。發(fā)展帶式焙燒機(jī)球團(tuán)生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熔劑性球團(tuán)礦滿足大型高爐生產(chǎn)的需求，球團(tuán)原料條件要求較為苛刻。我國鐵礦資源豐富，且粒度較細(xì)，適合用于生產(chǎn)球團(tuán)，但SiO2含量普遍較高。國外優(yōu)質(zhì)低硅鐵精粉價(jià)格昂貴，且基本壟斷在少數(shù)幾家礦山企業(yè)。當(dāng)前，熔劑性球團(tuán)在我國尚未能達(dá)到大規(guī)模取代燒結(jié)礦的程度，優(yōu)質(zhì)熔劑性球團(tuán)的工業(yè)化生產(chǎn)及使用還未取得大范圍的推廣，主要面臨以下行業(yè)難題：
1、帶式焙燒機(jī)核心技術(shù)和裝備長期以來一直被國外公司壟斷，嚴(yán)重制約了我國優(yōu)質(zhì)球團(tuán)礦的生產(chǎn)。開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型帶式焙燒機(jī)關(guān)鍵設(shè)備和智能化控制系統(tǒng)迫在眉睫。
2、優(yōu)質(zhì)球團(tuán)精粉資源短缺，價(jià)格昂貴，且對外依賴性強(qiáng)，擴(kuò)大球團(tuán)精粉來源、降低球團(tuán)生產(chǎn)成本是解決熔劑性球團(tuán)技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的重要難題。
3、熔劑性球團(tuán)合理的焙燒溫度區(qū)間較窄，熱工制度控制難度大，如何提高自產(chǎn)鐵精粉比例以及控制生球爆裂和熔劑性球團(tuán)液相生成量一直是行業(yè)的難點(diǎn)問題。
4、高爐高比例球團(tuán)冶煉是高爐操作過程中面臨的技術(shù)性難題，熔劑性球團(tuán)化學(xué)成分、冶金性能的控制和高爐操作制度的匹配是行業(yè)共性問題。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
本項(xiàng)目針對大型帶式焙燒機(jī)自主創(chuàng)新、優(yōu)質(zhì)熔劑性球團(tuán)制備和高爐高比例球團(tuán)冶煉等行業(yè)難題，開發(fā)了國產(chǎn)化大型帶式焙燒機(jī)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)熔劑性球團(tuán)及高爐高比例球團(tuán)冶煉技術(shù)。主要包括：（1）開發(fā)國產(chǎn)化大型帶式焙燒機(jī)工藝裝備及核心技術(shù)，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排降碳、綠色化、智能化生產(chǎn)；（2）拓展球團(tuán)精粉資源，創(chuàng)新配礦結(jié)構(gòu)，建立基于鐵精粉基礎(chǔ)特性的熔劑性球團(tuán)用礦優(yōu)選方案，開發(fā)粗顆粒低成本自產(chǎn)鐵精粉高效處理技術(shù)，提高熔劑性球團(tuán)自產(chǎn)鐵精粉使用比例；（3）系統(tǒng)研究與熔劑性球團(tuán)原料條件相適應(yīng)的帶式焙燒機(jī)熱工參數(shù)關(guān)鍵控制技術(shù)；（4）開發(fā)冶金性能全面優(yōu)化的熔劑性球團(tuán)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熔劑性球團(tuán)在國產(chǎn)化大型帶式焙燒機(jī)的工業(yè)化生產(chǎn)及3000 m3級高爐高比例球團(tuán)冶煉。項(xiàng)目技術(shù)方案見圖1。
圖1 項(xiàng)目總體技術(shù)方案
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、開發(fā)了國產(chǎn)化大型帶式焙燒機(jī)工藝裝備及核心技術(shù)，在唐鋼新區(qū)成功建成并投產(chǎn)國內(nèi)最大的球團(tuán)帶式焙燒機(jī)，實(shí)現(xiàn)了大型帶式焙燒機(jī)的國產(chǎn)化自主設(shè)計(jì)。
通過利用數(shù)值模擬、仿真技術(shù)以及試驗(yàn)研究等手段進(jìn)行單元和整套設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研制，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的帶式焙燒機(jī)關(guān)鍵設(shè)備和智能化控制系統(tǒng)，打破國外公司在該領(lǐng)域的長期技術(shù)壟斷，突破技術(shù)封鎖，在唐鋼新區(qū)成功建成并投產(chǎn)國內(nèi)最大的球團(tuán)帶式焙燒機(jī)。通過三維BIM設(shè)計(jì)，同步進(jìn)行設(shè)備及建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析、風(fēng)溫流場仿真模擬分析，通過有限元分析及流場模擬指導(dǎo)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)方案的最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱最有效的循環(huán)利用，節(jié)能減排降碳。開發(fā)出設(shè)備故障診斷預(yù)判系統(tǒng)，改變生產(chǎn)組織、設(shè)備檢修模式，提高系統(tǒng)作業(yè)效率。開發(fā)了臺(tái)車智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不停產(chǎn)在線檢修更換。結(jié)合人工智能形成了智能造球系統(tǒng)，代替人力實(shí)時(shí)分析原料條件變化，精準(zhǔn)做出操作調(diào)整，在進(jìn)一步穩(wěn)定生球產(chǎn)量的同時(shí)使生球合格率提升3%以上。建立了回?zé)犸L(fēng)管路優(yōu)化模型，保證熱風(fēng)系統(tǒng)溫度場、壓力場和流速場的均勻，實(shí)現(xiàn)煙氣熱能的最大限度循環(huán)利用，進(jìn)而降低燃料消耗，降低碳排放。采用多噴嘴均勻燃燒技術(shù)和自適應(yīng)溫控調(diào)整技術(shù)，確保實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的溫升曲線均勻、平滑、順暢，避免異常溫變及局部高溫，降低氮氧化物產(chǎn)生率。
2、建立了基于鐵精粉基礎(chǔ)特性的熔劑性球團(tuán)用礦優(yōu)選方案，實(shí)現(xiàn)了不同資源條件下熔劑性球團(tuán)配礦結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，開發(fā)了粗顆粒低成本自產(chǎn)鐵精粉高效處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了熔劑性球團(tuán)自產(chǎn)鐵精粉比例由20%提高至40%。
開發(fā)了配礦結(jié)構(gòu)-化學(xué)成分-工藝參數(shù)耦合調(diào)控技術(shù)，明確了自產(chǎn)鐵精粉對熔劑性球團(tuán)冶金性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，確定了配加自產(chǎn)鐵精粉條件下熔劑性球團(tuán)最佳堿度控制范圍1.1~1.2，鎂硅比0.4~0.5，開發(fā)了基于控制生球爆裂和球團(tuán)液相生成量的帶式焙燒機(jī)熱工參數(shù)關(guān)鍵控制技術(shù)，形成了熔劑性球團(tuán)配加自產(chǎn)鐵精粉關(guān)鍵控制技術(shù)。
3、行業(yè)內(nèi)首次闡明了熔劑性球團(tuán)低溫還原粉化的產(chǎn)生機(jī)理，確定了影響熔劑性球團(tuán)低溫還原粉化性能的關(guān)鍵因素，提出了配礦結(jié)構(gòu)優(yōu)化、化學(xué)成分控制、渣相控制等低溫還原粉化關(guān)鍵控制技術(shù)。
開發(fā)了RDI+6.3穩(wěn)定在90%以上、還原性穩(wěn)定在80%以上、還原膨脹指數(shù)穩(wěn)定在13%以下的高還原性低膨脹優(yōu)質(zhì)熔劑性球團(tuán)，通過熔劑性球團(tuán)SiO2、MgO含量及MgO/SiO2、堿度以及球團(tuán)粒度的精準(zhǔn)調(diào)控，形成了熔劑性球團(tuán)高溫軟熔滴落性能的優(yōu)化控制技術(shù)。形成了基于冶金性能全面優(yōu)化的熔劑性球團(tuán)生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)熔劑性球團(tuán)在國產(chǎn)化大型帶式焙燒機(jī)的工業(yè)化生產(chǎn)。
4、研發(fā)與應(yīng)用了高爐高比例球團(tuán)冶煉的合理爐料結(jié)構(gòu)、上下部操作協(xié)同匹配等系列爐況穩(wěn)定性提升技術(shù)，通過工藝和裝備的全面剖析改進(jìn)，形成了3000 m3級高爐球團(tuán)礦配比長期穩(wěn)定在40%以上高效冶煉技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用效果良好。
四、應(yīng)用情況與效果
1、熔劑性球團(tuán)冶金性能顯著提升。通過本項(xiàng)目研究，唐鋼新區(qū)熔劑性球團(tuán)不僅低溫還原粉化指標(biāo)得到大幅提升，其他冶金性能也全面得到改善，而且指標(biāo)的穩(wěn)定性也大大提高。改善前后熔劑性球團(tuán)冶金性能對比見表1，可以看出，在保持抗壓強(qiáng)度、還原性和還原膨脹指數(shù)優(yōu)良的基礎(chǔ)上，熔劑性球團(tuán)RDI+6.3由62%提高至90%以上，RDI+3.15由75%提高至95%以上，RDI-0.5由16.7%降至2.8%。熔滴性能方面，T10由1129℃提高至1171℃，S值由658.3 KPa·℃降低至164.8 KPa·℃。
表1 改善前后熔劑性球團(tuán)冶金性能對比
2、高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)改善。在熔劑性球團(tuán)冶金性能改善的基礎(chǔ)上，帶式焙燒機(jī)實(shí)現(xiàn)了熔劑性球團(tuán)的滿負(fù)荷生產(chǎn)。在頻繁限產(chǎn)、限電導(dǎo)致燒結(jié)產(chǎn)能嚴(yán)重不足的情況下，有效緩解了高爐用料不足的被動(dòng)局面，確保了高爐正常生產(chǎn)。根據(jù)燒結(jié)產(chǎn)能、高爐對高球比的適應(yīng)能力及爐料結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，經(jīng)綜合平衡，逐步將50%燒結(jié)礦+40%球團(tuán)+10%塊礦的爐料結(jié)構(gòu)作為穩(wěn)定的爐料結(jié)構(gòu)固定下來。在此爐料結(jié)構(gòu)下，三座高爐爐況及技術(shù)指標(biāo)得到了明顯改善，基準(zhǔn)期時(shí)，高爐的日產(chǎn)量8500 t/d以上，燃料比512 kg/t，焦比390 kg/t，煤比122 kg/t；球團(tuán)入爐比例提高至40%時(shí)，高爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到：日產(chǎn)量8500 t/d以上，燃料比為512 kg/t，焦比365 kg/t，煤比147 kg/t，焦比降低了25 kg/t，煤比提高了25 kg/t，在當(dāng)前鋼鐵行業(yè)普遍低迷的情況下，為高爐實(shí)現(xiàn)降本增效提供了有效的支撐。
本項(xiàng)目實(shí)施后，2021~2022年煉鐵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CO2排放量減少約49萬噸，降低3.5%，NOx排放量減少約161萬噸，降低11.5%，SOx排放量減少約53.2萬噸，降低3.8%，顆粒物排放量減少約67.2萬噸，降低約4.8%。為高爐低碳冶煉、節(jié)能減排以及減少污染物排放做出了貢獻(xiàn)。申請專利16項(xiàng)，授權(quán)8項(xiàng)，發(fā)表論文16篇。項(xiàng)目總體技術(shù)達(dá)到行業(yè)領(lǐng)先水平。
