一、研究的背景與問題
鋼鐵工業(yè)是國民經濟的支柱產業(yè)，也是污染物和碳排放重點行業(yè)，根據研究報告我國鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放占全國總量的16%左右。在國家“雙碳”目標及十四五“更趨嚴格的能耗”要求下，鋼鐵行業(yè)低碳綠色發(fā)展越顯重要。我國鋼鐵工藝主要以高爐+轉爐長流程冶煉為主，長流程鋼占比90%，而長流程的噸鋼CO?排放在1.8~2.2t，二氧化硫、顆粒物、氮氧化物等污染物排放0.7kg/t以上，其中高爐煉鐵系統(tǒng)的污染物排放占90%以上，CO?排放占85%以上，所以高爐煉鐵系統(tǒng)的節(jié)能減排對鋼鐵工業(yè)低碳綠色化發(fā)展意義重大。
我國高爐煉鐵爐料結構主要以燒結礦為主，燒結礦平均入爐比例在70%以上，但燒結工藝普遍存在工序能耗高、煙氣和污染物排放量大等問題，對煉鐵系統(tǒng)的污染物和碳排放影響較大。球團工藝的能耗和污染物排放僅為燒結工序的50%以下，CO?排放為燒結的30%左右，所以用球團替代燒結，提高球團礦在高爐煉鐵中的使用比例有利于降低煉鐵系統(tǒng)的污染物和碳排放。
圖1 球團礦產量及入爐比例；圖2 燒結和球團礦工藝比較
二、解決問題的思路和方案
2008年首鋼京唐公司一期工程建設了2座5500m3高爐，配套建設了2臺500㎡燒結機和1臺504㎡帶式焙燒機球團生產線，高爐爐料結構為67%燒結礦+28%球團礦+5%塊礦。為了推進煉鐵系統(tǒng)的低碳綠色發(fā)展，在京唐二期工程時建設了1座5500m3高爐和2臺504㎡帶式焙燒機球團生產線。建成后球團礦比例可從28%提高到50%以上。
提高球團礦在高爐煉鐵中的使用比例，首先要解決爐料酸堿度平衡的問題。國內高爐主要使用高堿度燒結配酸性球團礦，如果提高球團礦比例則需要提高球團礦堿度來滿足爐渣堿度需求，同時需要降低SiO?含量，否則渣量和燃料比難以降低，無法達到低碳冶煉的目的。另外球團礦的滾動、膨脹特性加重高爐內的布料偏析，引起煤氣分布不均，制約球團礦在高爐中高比例使用，需要開發(fā)設計與新型爐料結構相適應的高爐工藝裝備。高比例球團冶煉將大幅度降低渣量，在超低渣量條件下實現脫硫排堿、維持爐缸充足的熱量是挑戰(zhàn)，需要探索制定合理的冶煉制度。
所以圍繞高爐高比例球團礦低碳冶煉，開發(fā)了低硅堿性球團礦制備技術，研究了高爐適宜的爐料結構及匹配措施，設計了適合于高比例球團礦冶煉的爐型結構及布料裝備，進行了高爐高比例球團礦冶煉操作制度等關鍵技術的攻關。經過近五年的研究和工程建設實施，2019年6月在首鋼京唐公司建成了超大型高爐高比例球團礦低碳煉鐵系統(tǒng)，3座5500m3超大型高爐球團礦比例從28%提高到55%，高爐渣量和燃料消耗大幅度降低，取得了良好的技術經濟指標。
三、主要創(chuàng)新成果
1、開發(fā)了消石灰作為粘結劑生產低硅堿性球團礦的新工藝，提出了球團用消石灰質量指標及制備方法，并建立了第一條堿性球團用消石灰生產線，解決了球團含硅粘結劑用量大、堿度難提高的問題，在大型帶式焙燒機采用消石灰生產出了低硅高品位堿性球團礦。
傳統(tǒng)的堿性球團礦生產使用石灰石粉，但石灰石粉的粘結性相對較低，難以降低膨潤土配比，影響球團礦SiO?含量的降低。所以在實驗室開發(fā)出了消石灰生產低硅堿性球團礦技術，并研究出了堿性球團礦生產用消石灰的生產方法及質量指標。消石灰具有良好的團聚作用，見圖3，可改善礦粉成球性能，大幅減少膨潤土用量，降低球團SiO?和K、Na等有害元素含量，可以為高爐生產出低有害、少脈石、高品位的優(yōu)質球團礦。在首鋼京唐公司球團生產線配套建立了2條年產25萬噸的消石灰生產線，見圖4。
使用消石灰后，球團膨潤土用量降低至5kg/t以下，在京唐公司504㎡帶式焙燒機生產出了品位66.0%，SiO?含量2.0%，堿度1.1~1.2的低硅高品位堿性球團礦。
圖3 消石灰顆粒形貌；圖4 球團用消石灰生產線
2、研究了低硅球團礦冶煉過程中鐵晶須的產生、形貌變化及異常生長的規(guī)律，攻克了低硅球團礦還原膨脹率高的技術難題。
低硅球團礦在高爐冶煉時容易出現鐵晶須，尤其是SiO?含量低于3.3%時出現異常膨脹，見圖5。高爐要求球團礦還原膨脹率在20%以下，還原膨脹率超過40%將嚴重影響高爐運行，所以降低球團礦SiO?含量的同時控制好還原膨脹率是生產低硅球團礦的關鍵和難點。對此，開展了堿度、球團礦物相、焙燒溫度及時間等對低硅球團礦還原膨脹率的影響，揭示了低硅球團礦冶煉過程中鐵晶須的產生、形貌變化及異常生長的規(guī)律，研究了低硅堿性球團礦的液相生成溫度及生成量，提出了形成合理的液相和鐵酸鈣等物相控制低硅球團礦還原膨脹率的技術方法，見圖6和圖7。在首鋼京唐實現了球團礦SiO?含量從3.5%降低到2.0%的同時球團礦還原膨脹率控制在16.5%，滿足大型高爐入爐要求。
圖5 球團礦還原膨脹率隨SiO?含量的變化
圖6 球團礦物相及還原后微觀結構；圖7 低硅球團礦液相生成溫度及量
3、解決了堿性球團礦生產過程熔劑分解吸熱導致生球爆裂和球團礦抗壓強度下降的問題。
通過帶式焙燒機熱工制度數值模擬研究及生產參數優(yōu)化，如圖8，形成了消石灰生產低硅堿性球團礦適宜的干燥、預熱和焙燒制度，在球團工序能耗（不包括脫硫脫硝）變化不大的同時堿性球團抗壓強度達到了3200N/P以上。
圖8 帶式焙燒機熱工制度數值模擬研究；圖9 低硅堿性球團礦工序能耗及抗壓強度
4、建立了“3臺504㎡帶焙機+2臺500㎡燒結機+3座5500m3高爐”的低碳冶煉煉鐵流程結構。
通過單體和綜合爐料冶金性能研究及生產實踐，確定了適宜球團比例及酸堿球合理匹配的爐料結構，如圖10，建成了5500m3超大型高爐配套大型帶式焙燒機球團工藝的低碳清潔生產煉鐵工藝流程，如圖11。
圖10 球團礦比例及種類對熔滴過程S值的影響
圖11 首鋼京唐公司鐵前工藝流程
5、優(yōu)化設計了適用于高比例球團冶煉的并罐無料鐘布料裝置、爐身角度及合理的高徑比，有效解決了高比例球團冶煉時布料偏析、爐料膨脹等技術難題，為超大型高爐高比例球團穩(wěn)定冶煉奠定了技術基礎。
通過數值模擬和1:1布料裝置試驗，研究了高比例球團爐料布料規(guī)律，如圖12，設計了實現爐料精準控制的新型無料鐘爐頂裝料設備，解決了圓周方向邊緣爐料和煤氣分布不均的技術難題，并優(yōu)化設計了適合于高比例球團礦冶煉的爐腰直徑、爐腹角、高徑比及風口數量，緩解了高比例球團礦爐料體積膨脹影響高爐穩(wěn)定順行的問題。
圖12 高爐布料裝置優(yōu)化
6、通過渣系基礎研究和高比例球團礦冶煉實踐，形成了超低渣量、高富氧、高頂壓、高風溫高效低碳冶煉技術，攻克了大型高爐高比例球團長期穩(wěn)定高效運行的難題，形成了大型高爐高比例球團礦冶煉技術規(guī)范。
研究了MgO/Al?O?為0.6，堿度1.15±0.02爐渣的理化特性，形成了超低渣量下提高脫硫排堿能力的新方法，如圖13。制定了適用于高比例球團冶煉的風速、鼓風動能、風口回旋區(qū)長度及理論燃燒溫度，建立了3個鐵口輪流交替出鐵制度，提高了爐缸工作周向均勻性，保證鐵水[Si]＞0.3%，溫度＞1500℃，實現了高爐的穩(wěn)定順行，如圖14。
圖13 高爐渣系研究；圖14 高爐透氣性指數
7、集成了燒結煙氣循環(huán)、燒結料面噴灑蒸汽、超大型高爐料罐均壓煤氣全量回收、熱風爐煙氣脫硫等工藝裝備技術，實現了煉鐵系統(tǒng)的清潔生產。
通過自主研發(fā)的以引射器為核心的強制回收法，實現爐頂料罐均壓煤氣全量回收，通過實施燒結大煙道煙氣循環(huán)、燒結料面噴吹蒸汽以及末端治理，實現煉鐵系統(tǒng)的低碳清潔生產。
四、應用情況及效果
2019年4月份開始，首鋼京唐公司在504㎡大型帶式焙燒機生產低硅堿性球團礦。低硅堿性球團礦鐵品位達到66.0%、SiO?含量2.0%、堿度1.15、還原膨脹率16.5%。3座5500m3超大型高爐球團礦入爐比例從28%提高到55%，高爐渣比從280kg/tHM降低至215kg/tHM，燃料比從505kg/tHM降低至480kg/tHM，高爐利用系數最高達到2.5t/m3.d。
實現高比例球團冶煉后，煉鐵系統(tǒng)污染物和CO?排放大幅度降低，年減少顆粒物、SO?、NOx排放53%，噸鐵CO?排放降低10%，見圖15。
圖15 噸鐵CO?排放及污染物降低情況
圖16 首鋼京唐高爐
首鋼的生產實踐表明，高爐采用大比例球團礦冶煉能夠取得良好的技術經濟指標和社會效益，有利于鋼鐵企業(yè)降低碳排放，減少大氣污染。我國鋼鐵工業(yè)主要以長流程為主，且燒結礦比例比高，所以大比例提高球團礦比例對國內以長流程為主的鋼鐵企業(yè)降低碳排放的切實可行的手段，具有很好的推廣應用價值。本項目2021年獲得了冶金科學技術一等獎。
