孫利軍¹    張 晨²   李永昶³

（1. 陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司煉鐵廠設備管理科   陜西勉縣  724200；2. 中鋼集團工程設計研究院有限公司  北京    100080；3. 陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司煉鐵廠             陜西勉縣  724200）

摘  要：以冶金粉塵為原料，在實驗室模擬轉底爐焙燒制度生產預還原球團，進行產品的物理性能和冶金性能檢測，以期滿足高爐使用。實驗結果表明：預還原球團具有良好的冶金性能，無低溫還原粉化﹑無高溫還原膨脹﹑軟熔性能優良。但是其物理性能差，抗壓強度僅有800N，影響高爐塊狀帶透氣性，是其大量使用的制約條件。根據物料平衡計算，預還原球團在爐料中僅占到～5%，總體而言利大于弊，可以作為高爐爐料使用。

關鍵詞：轉底爐；預還原球團；抗壓強度；冶金性能

1  前 言

隨著近幾年來鋼鐵行業的發展，對于入爐原料質量的重視以及固廢處理的環保要求，國內各大鋼鐵企業紛紛在固廢處理方面加大投資力度，先后建起多座轉底爐處理冶金塵泥。但目前利用冶金粉塵生產出的金屬化球團品位無法達到《YB/T4170-2008》規定的標準，由于轉底爐工藝得到的產品中包括了粉塵中的脈石，導致產品中的TFe含量低。另一個難點是原料中硫含量絕大部分保留在金屬化球團中，過高的硫含量顯然不適用于煉鋼的要求。

日本、韓國投產運行的轉底爐，生產的金屬化球團作為高爐爐料使用，見表1。其高爐的含鐵原料主要在國際市場上購買，爐料結構均以高堿度燒結礦為主，與我國高爐相同，值得借鑒。本文通過實驗使用粉塵生產預還原球團，研究其物理和冶金性能是否滿足作為高爐冶煉使用，既可以解決冶金粉塵的問題，又能有效利用產物，有著重要的實際意義。

表1 國外轉底爐產品利用一覽表

2  實驗流程及方法

本次實驗所用的粉塵取自江蘇S廠和內蒙古B廠，分別標記為S式樣和B式樣，將各廠不同成分粉塵﹑煤粉﹑粘結劑按比例配料后人工混勻。基于生產實踐中粉塵球團金屬化率低，焙燒后球團中殘碳少情況，提升混合料的C/O達到16.16%。混合好的物料放入圓盤中造球，9~16mm干燥后的圓形球團，取~150g平鋪放在剛玉盤上鋪兩層進行焙燒，焙燒制度：1050-1200℃﹑7min；1200-1300℃﹑10min；1300-1300℃﹑21min，焙燒氣氛為氮氣氣氛。焙燒結束后，每組球團分成兩部分，一半進行水淬（強制冷卻），一半部分空冷（自然冷卻），水淬后的球團需要干燥后稱重。首先考察球團金屬化率，Zn、Pb、K、Na、S、P脫除率；在滿足入爐成分標準《GB/50427-2015》后再進行強度﹑高溫爆裂和荷重軟化性能性能測試。

3  實驗結果與分析

3.1  預還原球團成分

轉底爐生產的預還原球團成分取決于冶金粉塵和還原劑的成分，而冶金粉塵的成分與鋼鐵廠所使用的含鐵原燃料有關。兩組實驗所生產的預還原球團金屬化率均大于80%，表3為S廠試樣，其化學成分滿足高爐冶煉的要求。表4﹑5為B廠式樣，可以看出干球成分中K﹑Na含量很高，還原后球團中含量仍很高，達不到入爐標準。轉底爐工藝的主要用途為處理含鋅含鐵冶金塵泥，對鉛﹑鋅的脫除率很高，但是對于鉀脫除率只有50%，鈉的脫除率僅30%左右。使用堿金屬高的礦石冶煉時，堿金屬不僅在粉塵中含量高，在制備的預還原球團中仍很高，這樣的球團不易添加進高爐，但仍可作煉鋼用。

3.2  冷卻制度預對預還原球團落下強度的影響

從焙燒后球團強度結果來看，水淬后的球團強度稍差，空冷球團有著很高的強度，落下次數均達10以上，完全能滿足實際生產中倒運的要求。因此在預還原球團的冷卻工藝設計時，應根據工業應用實際情況，為了避免空冷造成預還原球團表層二次氧化，適當的考慮采用間接冷卻工藝，不僅有利于球團提高落下強度，更是對改善作業環境有很大的幫助。

3.3  焙燒制度對成品球抗壓強度的影響

從表6可以看出還原焙燒溫度從1050—1250℃，球團抗壓強度隨著金屬化率升高而迅速升高；從1250℃提升到1300℃，球團的金屬化率變化緩慢，這是由于產生了密實的金屬殼層，覆蓋在未還原的礦物周圍，影響了還原氣體的擴散，球團抗壓強度變化也隨之緩慢。

如圖1所示，還原時間在從0—30min，球團金屬化率逐漸升高，球團強度也升高，30—40min時，變化開始變緩。當還原時間超過40min之后，球團強度會隨著金屬化率下降而降低。這是因為隨著焙燒時間的延長，還原劑消耗量和燒損越來越大，球團內不再排出可燃氣體，CO/CO₂濃度比下降，還原性氣氛消失，部分金屬鐵又重新被氧化。

圖1預還原球團強度與還原時間關系         

綜合分析，一方面磁鐵礦在中性或還原性氣氛下焙燒，當溫度超過900℃時，Fe₃0₄顆粒被保留下來發生再結晶與晶粒長大，使顆粒互相連接起來。試驗研究表明，Fe₃0₄再結晶的形式固結的球團礦強度低于Fe₂0₃ 再結晶的球團礦強度^[1]。如圖2所示，轉底爐還原區氣氛為弱還原性。另一方面，隨著還原過程的進行，金屬鐵逐漸被還原出來，球團收縮，顆粒之間連接成致密的整體，使得強度升高。盡管如此，金屬鐵也只占50%，其抗壓強度最大800N，不僅小于Midrex工藝生產的金屬化球團強度（圖3），也遠低于普通氧化球團的抗壓強度。   

3.4  預還原球團冶金性能指標

圖4為預還原球團外貌，轉底爐工況下（弱還原氣氛﹑微負壓），球團整體焙燒狀態較好，還原后基本成球，無高溫爆裂現象，低熔點共熔現象很少，球團沒有發生軟熔、粘結的現象，冷卻干燥后觀察有輕微粉化和結殼情況。由于預還原球團礦是已被部分或大部分還原為直接還原鐵，已不屬于鐵礦石。與氧化球團相比，預還原球團可視為金屬附加物。預還原球團在生產過程中已經歷過還原，再次加入高爐內，不存在低溫還原粉化和熱膨脹率的問題。

球團內剩余部分未還原的鐵和渣，渣中FeO﹑SiO₂等生成少量低熔點的渣相。由表7可見，預還原球團開始軟化溫度約1150℃左右，終了溫度約1300℃，軟還溫度區間窄。綜上所述，預還原球團的高溫還原膨脹和低溫還原粉化性特別好，其軟化開始溫度相對高，軟化區間也相對較窄，具有優良的冶金性能。

4  爐料結構變化對高爐冶煉的影響

近些年來高爐工藝有了很大的提升和改變，但在爐料結構方面，幾乎沒有變化，仍是由燒結礦﹑球團礦﹑塊礦組成。使用預還原球團作為爐料，提高入爐料品位，減少了高爐中對鐵礦石氧化還原的負擔，從而降低高爐焦比。

I G Tovarovskiy等人甚至考慮從爐頂布料、煤氣流分布、軟熔帶等高爐冶煉過程參數的變化中，找出爐料不同金屬化率對焦比的影響^[2]。當爐料金屬化率小于20%時，降低焦比最多。蘇聯奧爾斯克鋼鐵廠在高爐使用金屬化球團礦試生產，爐料的金屬化率提高到9.6%，高爐生產率提高2.3%，焦比下降5.7%。歐洲設計建造了一座年產160萬t的HYL直接還原廠，在傳統BF-BOF流程中加入直接還原鐵，降低焦炭消耗，減少CO₂排放。Midrex直接還原生產HBI，在其高爐中使用，可顯著提高鐵水產量并降低焦炭消耗，HBI熱壓鐵塊的用量最多可達到高爐裝載量的30%。

與上述幾種工藝生產的金屬原料不同，轉底爐生產的預還原球團雖然冶金性能優良，但其物理性能較差。作為高爐爐料有利有弊，應積極采取應對措施。?加入預還原球團后，燒結礦比例相對減少，球團比例相對增加。一座千萬噸級的鋼鐵廠每年所產生的含鐵粉塵約100萬t，可生產約78萬t預還原球團，全部作為高爐爐料時，占比為4.5%左右。高爐球團礦比例增加后，塊狀帶爐料粒度差別值減小，爐料孔隙度下降，煤氣流的阻力損失上升^[3]。根據高爐取樣表明，爐內低溫區氧化球團礦還原后，仍保持結構的完整，其指標要優于燒結礦。而燒結礦在高爐上部的低溫區還原時粉化，會使料柱中小于5mm粒級增加，透氣性下降，煤氣利用率下降。再加入預還原球團，會進一步惡化高爐上部的透氣性。‚而在高溫區，球團礦高溫還原后，強度下降以及膨脹粉化，對高爐高溫區透氣性產生不利影響，甚至影響軟熔帶透氣性。目前對還原抗壓強度尚無一致的標準，日本要求球團礦的還原膨脹率小于20%，還原后的單球抗壓強度大于250N^[4]。而預還原球團不存在高溫膨脹粉化，在高溫區仍保持很高的抗壓強度，這對高爐冶煉顯然是有利的。同時，預還原球團軟熔性能優良，有著較高的軟化開始溫度和較窄的軟化區間，保持原爐料結構不變，加入預還原球團后對綜合爐料而言，并不會造成軟化區間變寬。所以，使用預還原球團的弊端是對塊狀帶的不利影響。

根據寶鋼高爐靜壓力分布，高爐塊狀帶壓力阻損占整個高爐壓力阻損15%左右，而軟熔帶和滴落帶阻損占到60%左右^[5]，因此爐料低溫還原粉化﹑熱爆裂﹑抗壓強度低等對高爐影響較小，而爐料高溫性能以及球團還原膨脹影響較大。總體而言高爐使用預還原球團利大于弊。

5  結語

?利用冶金塵泥生產預還原球團，作為在高爐爐料占比不到5%，自產自銷。還具有品位高﹑金屬化率高﹑含碳量高等特點，可以提高爐料金屬化率，降低焦比。當冶金粉塵中堿金屬含量過高時，其脫除率較低，預還原球團中堿金屬含量仍很高，不易作為高爐爐料使用。

‚預還原球團具有良好的冶金性能，無低溫還原粉化﹑無高溫還原膨脹﹑軟熔性能優良，有利于改善綜合爐料的冶金性能，但其抗壓性能最大僅有800N，對高爐塊狀帶不利影響是限制其使用的最大因素。可以通過適當提高燒結礦堿度，提高燒結礦質量，減少低溫還原粉化，強化塊狀帶爐料透氣性，以抵消預還原球團帶來的負面影響。

參考文獻

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[2] I G Tovarovskiy, Y M Gordon , A E Merkulov. 爐料金屬化率對高爐工藝和操作參數的影響[J]. 世界鋼鐵. 2013,13（5）：1-7.

[3] 唐順兵﹑李夯為﹑梁建華等. 太鋼5號高爐高比例球團礦生產實踐[J]. 煉鐵. 2014,33（5）：30-33.

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