朱剛¹， 陳鵬²， 尹媛華³

（1. 湖南中冶長天節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司， 湖南長沙410007； 2. 中冶長天國際工程有限責(zé)任公司，湖南長沙410007； 3. 湖南和天工程項(xiàng)目管理有限公司， 湖南長沙410007）

摘要：介紹了國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)在復(fù)合造塊、制粒、布料、燒結(jié)噴吹天然氣節(jié)能減排等燒結(jié)新技術(shù)方面所取得的進(jìn)步。為國內(nèi)鋼鐵企業(yè)采用和借鑒這些新技術(shù)，改善燒結(jié)生產(chǎn)和研發(fā)新燒結(jié)技術(shù)，提供一定的參考和有益的借鑒。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)新技術(shù)；復(fù)合造塊；制粒布料；燒結(jié)噴吹天然氣；進(jìn)展

引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，中國的鋼鐵企業(yè)面臨著兩大挑戰(zhàn)，一是日益增長的鋼鐵產(chǎn)量加劇了鐵礦石的需求，導(dǎo)致鐵礦原料價格上升和質(zhì)量下降；二是日漸萎縮的鋼鐵市場，噸鋼盈利能力的持續(xù)減弱。而燒結(jié)礦是高爐煉鐵的主要爐料，特別是中國高爐爐料結(jié)構(gòu)中燒結(jié)礦配比普遍偏高，2011 年燒結(jié)礦占爐料結(jié)構(gòu)的比例超過80%^[1]。因此，為解決鐵礦原料條件的惡化、降低生產(chǎn)成本，高爐操作要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的高生產(chǎn)率和低還原劑比，就需要高爐使用的燒結(jié)礦具有優(yōu)良的冶金性能。

燒結(jié)礦的冶金性能直接影響燒結(jié)礦在高爐內(nèi)的還原行為及高爐各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而燒結(jié)礦冶金性能又主要取決于鐵礦粉的自身性能，近年來隨著鐵礦資源的劣質(zhì)化，燒結(jié)所用鐵礦來源結(jié)構(gòu)都發(fā)生了較大的變化，鐵礦粉的自身特性以及鐵礦粉在燒結(jié)中的規(guī)律也在一定程度上有所改變，針對此國內(nèi)外燒結(jié)工作者進(jìn)行了一系列相應(yīng)研究從而提出了燒結(jié)新技術(shù)。本文簡要介紹了近些年來國內(nèi)外在燒結(jié)新技術(shù)方面所取得的進(jìn)步，并按其主要特點(diǎn)將其分類為幾個方面，復(fù)合造塊技術(shù)、制粒技術(shù)、布料技術(shù)、燒結(jié)噴吹天然氣減排技術(shù)等。通過本文的介紹，為國內(nèi)鋼鐵企業(yè)采用、改善和借鑒這些新技術(shù)，提供了一定的參考。

1 復(fù)合造塊技術(shù)

1.1 鑲嵌式燒結(jié)法

隨著澳大利亞、巴西等鐵礦供給國優(yōu)質(zhì)鐵礦粉的逐漸減少，目前世界上的各大鋼鐵生產(chǎn)國家都面臨著鐵礦資源劣化，精礦逐漸增多的局面。近年來，鋼鐵技術(shù)強(qiáng)國日本的各大燒結(jié)廠為了降低生產(chǎn)成本和應(yīng)對將來精礦逐漸增多的局面均不斷改變精礦在燒結(jié)中的配比，在大量提高低價礦配比的情況下生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)低渣比燒結(jié)礦，研發(fā)出了鑲嵌式燒結(jié)(MEBIOS)技術(shù)^{[2- 3]}。

鑲嵌式燒結(jié)(MEBIOS)流程為：先粉礦制成小球，燒結(jié)機(jī)上布料時將小球置于燒結(jié)料層中間層，采用常規(guī)的燒結(jié)制度就能燒出合適的空隙結(jié)構(gòu)。這種燒結(jié)的原理是利用小球四周的空隙，提高料層的透氣性，且小球不會過熔；小球燒結(jié)時的熱源主要來自上層混勻料燒結(jié)所產(chǎn)生的熱量，所以上層混勻料的堿度可適當(dāng)提高，而小球?qū)拥膲A度則可降低。在此基礎(chǔ)上，研究出小球的合適尺寸、布料球間距離、在燒結(jié)層中的布料方式、布料厚度等參數(shù)。

Kawaguchi 提出將大顆粒燒結(jié)球置于中間層燒結(jié)的方法^[4]，其原理是大顆粒燒結(jié)球附近物料的密度會因?yàn)檫吘夐g隙而下降，透氣性會提高；同時，大顆粒燒結(jié)球不會過熔，從而能夠支撐上面料層的負(fù)荷，限制了上層燒結(jié)餅的過度收縮，也對燒結(jié)透氣性有利。圖1 為鑲嵌式燒結(jié)法和大顆粒礦置于料層中進(jìn)行燒結(jié)示意圖。

1.2 復(fù)合造塊法

中南大學(xué)姜濤等人發(fā)明出一種不同于傳統(tǒng)鐵礦粉造球方法技術(shù)：復(fù)合造塊法。鐵粉礦復(fù)合造塊法是先將細(xì)粒鐵礦粉單獨(dú)分出制備成酸性球團(tuán)，然后將粗粒的鐵礦及其他原料混勻后布料到燒結(jié)機(jī)上進(jìn)行燒結(jié)，生產(chǎn)出高堿度燒結(jié)礦包裹著酸性球團(tuán)礦的優(yōu)質(zhì)復(fù)合煉鐵爐料^[5]。該復(fù)合造塊燒結(jié)法能解決煉鐵高爐內(nèi)酸、堿爐料的偏析問題，能夠生產(chǎn)中低堿度燒結(jié)礦、冶煉出高鐵低硅產(chǎn)品，可以很好地處理超細(xì)礦粉、轉(zhuǎn)爐灰等極難處理和利用的資源。可以使用該方法對傳統(tǒng)的鐵精礦、難處理和復(fù)雜礦經(jīng)磨選獲得的精礦、各種細(xì)粒含鐵二次資源等原料與黏結(jié)劑混勻進(jìn)行造球使用；基體料則是粒度較粗的鐵粉礦、熔劑、燃料、返礦等燒結(jié)原料，當(dāng)含鐵原料中細(xì)精礦為主(比例超過60%)時，基體料也可以使用部分細(xì)粒鐵精礦。復(fù)合造塊法于2008 年在我國包頭鋼鐵公司率先投入工業(yè)使用，取得了良好效果^[6]。包鋼在超細(xì)精礦配比相同的情況下采用不同工藝的指標(biāo)對比結(jié)果見表1。復(fù)合造塊法在我國屬于一種比較成熟的技術(shù)，由于其在擴(kuò)大一些難冶煉礦石方面和解決我國酸性料不足的問題方面的獨(dú)特優(yōu)勢，很具有推廣價值。

從為高爐提供優(yōu)質(zhì)爐料的角度出發(fā)，MEBIOS 法和復(fù)合造塊法均是將球團(tuán)料和燒結(jié)料分別制?；旌线M(jìn)行燒結(jié)，最終為高爐提供一種新型原料，前者的造球料主要是馬拉曼巴粉等，后者以精礦粉為主；布料問題應(yīng)是二者均面臨的困難。與傳統(tǒng)的燒結(jié)礦相比較，復(fù)合造塊技術(shù)能夠顯著提高礦粉(在普通燒結(jié)過程中難以大量使用的）的使用效率。日本已對MEBIOS 進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)室研究，取得了一些成果。通過把MEBIOS 與我國中南大學(xué)的鐵礦復(fù)合造塊技術(shù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中是可行的。我們應(yīng)借鑒其技術(shù)思想，開發(fā)研究燒結(jié)中大量使用低價礦的技術(shù)，以降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)競爭力。

2 燒結(jié)制粒技術(shù)

燒結(jié)用混勻料的制粒在燒結(jié)工藝中是一個非常重要的環(huán)節(jié)，良好的制粒效果能有效地改善燒結(jié)料層的透氣性，提高燒結(jié)礦的質(zhì)量。對于厚料層燒結(jié)來說，要解決好厚料層的透氣性問題，才能達(dá)到節(jié)能降耗、保證燒結(jié)礦質(zhì)量的目的。所以，混合料制粒是厚料層燒結(jié)中最重要的環(huán)節(jié)。

2.1 涂層制粒技術(shù)

JFE 公司為了增加低價礦配比，降低燒結(jié)燃料消耗、高爐還原劑比而開發(fā)出涂層制粒技術(shù)。該技術(shù)是將焦粉、石灰石粉混勻后涂于已成型顆粒的表面，物料在燒結(jié)過程中會形成鐵酸鈣來改善燒結(jié)礦還原性。生產(chǎn)工藝是先將各燒結(jié)原料裝入一次混勻設(shè)備內(nèi)混勻制粒，再將焦粉和石灰石粉從二次混勻設(shè)備后段噴入，對輸送至二次混勻設(shè)備內(nèi)的已制粒物料進(jìn)行噴涂。其生產(chǎn)工藝流程如圖2 所示^[7]。

JFE 公司的生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用涂層制粒技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)生產(chǎn)后，燒結(jié)礦還原率約提高7.3%，還原粉化指數(shù)大約提高了5%，燒結(jié)利用系數(shù)約提高18.75%，燒結(jié)礦產(chǎn)量約提高0.69%。該燒結(jié)礦投入高爐生產(chǎn)使用后，鐵礦還原率提高1%，焦炭消耗下降7 kg/t。JFE 公司西日本鋼鐵廠的4 臺燒結(jié)機(jī)均采用此技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。但是，采用涂層制粒技術(shù)時，噴涂時間和噴涂的均勻程度不易控制是最大的問題。如果噴涂時間過長，顆粒外表面的焦炭及石灰石粉過多，燒結(jié)時不易與鐵礦原料進(jìn)行反應(yīng)生成合格的燒結(jié)礦，這些外表面的原料粉化率增加使得燒結(jié)料層的透氣性變差、燒結(jié)礦產(chǎn)率下降；如果噴涂時間過短，鐵礦粉表面的焦粉與石灰石粉涂層厚度不夠且不均勻，鐵礦原料不能得到足夠的熔劑和燃料參與反應(yīng)，將使燒結(jié)礦的強(qiáng)度下降。JFE 公司經(jīng)過研究、生產(chǎn)摸索，確定出較適宜的噴涂時間大約為40 s。通過JFE 公司的生產(chǎn)實(shí)踐可以看到，涂層制粒工藝簡單，不需要對原有的制粒工序進(jìn)行大的改動，不需要增加設(shè)備，根據(jù)來料情況，精準(zhǔn)控制噴涂時間，就可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作。

2.2 燒結(jié)強(qiáng)力混合與制粒新技術(shù)

傳統(tǒng)的燒結(jié)原料混勻制粒是將所有鐵原料的細(xì)粉和粗顆粒料與其它原料混合一起投入到混合和制粒設(shè)備中進(jìn)行混勻制粒的。但是，在傳統(tǒng)燒結(jié)工藝中由于鐵原料細(xì)粉的水親和力比較差，很難使得水分均勻地分布在各種粒徑的鐵原料中，而水分的均勻分布對于制粒造球效果非常關(guān)鍵。因此，精礦燒結(jié)由于其制粒效果差影響了燒結(jié)料層的透氣性，從而影響了燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)效率及燒結(jié)礦成品率。

日本新日鐵、住友等公司最早開始采用強(qiáng)力混合機(jī)進(jìn)行混勻制粒，提高精礦燒結(jié)中原料的混勻度和制粒效果。通過住友在和歌山第三燒結(jié)廠的實(shí)踐，使用強(qiáng)力混合機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓筒混合機(jī)進(jìn)行混勻制粒，使燒結(jié)原料的制粒效果增強(qiáng)，燒結(jié)料層透氣性增加，生產(chǎn)率提高了8%～ 10%，同時降低焦比0.5%^[8]。

與傳統(tǒng)圓筒混合機(jī)相比，強(qiáng)力混合機(jī)的強(qiáng)力攪拌混勻工作制度可以使焦粉及原料能夠被更好地分散，節(jié)約焦粉用量；同時由于細(xì)粉能更好地被包覆在顆粒表面，提高燒結(jié)料層的透氣性，增加燒結(jié)礦強(qiáng)度。因此，在燒結(jié)生產(chǎn)中應(yīng)用強(qiáng)力混合機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)混合機(jī)，可以節(jié)能減排、減少原燃料消耗、提高燒結(jié)生產(chǎn)率。但是，目前在國內(nèi)強(qiáng)力混合機(jī)的應(yīng)用面對進(jìn)口設(shè)備價格偏高、操作維護(hù)成本高、轉(zhuǎn)子槳葉耐磨性等問題還需有待進(jìn)一步解決。

臺灣龍鋼的燒結(jié)廠采用圓筒制粒和強(qiáng)力混合結(jié)合的工藝處理了100%的燒結(jié)原料(包括鋼廠回收的廢料)^[9]。經(jīng)過這套系統(tǒng)處理后的燒結(jié)混勻料具備極高的混勻度，所以在龍鋼不需要對鐵原料進(jìn)行預(yù)混合，這就大大減少了鐵原料預(yù)處理需要的儲存空間和作業(yè)面積。巴西Usiminas 燒結(jié)廠采用兩套強(qiáng)力混合和制粒系統(tǒng)，對來自1～ 3 號燒結(jié)廠的原料混勻制粒處理，其中兩臺強(qiáng)力混合機(jī)還配有除潮裝置，帶式輸送機(jī)和氣力輸送系統(tǒng)，二次除塵裝置。

3 天然氣噴吹的低碳燒結(jié)技術(shù)

為了大幅度減少燒結(jié)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO₂排放量， JFE 公司開發(fā)出在燒結(jié)機(jī)上噴吹天然氣燒結(jié)技術(shù)(Super- SINTER)。通過從燒結(jié)機(jī)臺車側(cè)上方噴吹天然氣，能夠長時間地保持燒結(jié)溫度在1 200～ 1 400 ℃ ，提高燒結(jié)礦質(zhì)量的同時還能夠節(jié)省焦粉用量，極大地提高燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)效率。Super- SINTER 噴吹裝置如圖3 所示^[10]。

“Super- SINTER”的原理是避免燒結(jié)峰值溫度過高，延長有利燒結(jié)溫度（1 200℃ ）持續(xù)時間，促進(jìn)石灰與鐵礦石兩種原料的反應(yīng)及燒結(jié)礦內(nèi)孔隙的增長。在常規(guī)燒結(jié)生產(chǎn)中，通常是增加焦粉用量延長上述有利時間段，但是若添加量過多，不僅會增加焦粉用量也會引起峰值溫度過高使鐵酸鈣分解，產(chǎn)生玻璃狀熔渣及再生赤鐵礦等不利組分。采用“Super- SINTER”時，是在點(diǎn)火段之后往燒結(jié)料層表面噴射液態(tài)天然氣用來代替添加的部分焦粉，噴入的天然氣從燒結(jié)料層中逐次穿過并在燒結(jié)料層中燃燒。與常規(guī)燒結(jié)制度相比，“Super- SINTER”能有效提高燒結(jié)料層中不同料層的內(nèi)部然后溫度和有利溫度持續(xù)時間，從而提高燒結(jié)礦強(qiáng)度，減小返礦率，減小焦粉配比，提高燒結(jié)礦還原度，進(jìn)而高爐生產(chǎn)時的焦比就會降低。從而，高強(qiáng)度、高還原性的燒結(jié)礦可有效降低整個生產(chǎn)工序中CO₂的排放量^[11]。

日本JFE 鋼鐵公司京濱廠燒結(jié)機(jī)從2009 年1月采用“Super- SINTER”技術(shù)以來節(jié)能減排效果明顯。經(jīng)計(jì)算，以含氫的城市煤氣代替部分焦粉可每年減排1 萬t CO₂；采用這種技術(shù)生產(chǎn)可減少焦粉用量，每年可減排3 萬t CO₂；生產(chǎn)出的高強(qiáng)度、高還原性燒結(jié)礦使高爐塊焦用量減少，可每年減排2 萬t CO₂。

采用“Super- SINTER”進(jìn)行燒結(jié)生產(chǎn)后，每年合計(jì)減排6 萬t CO₂，減排效果顯著。因此，JFE 鋼鐵公司又在千葉和倉敷的燒結(jié)廠進(jìn)行推廣，2010 年的CO₂減排量達(dá)到26 萬t。

4 結(jié)語

當(dāng)前國內(nèi)鋼鐵市場產(chǎn)能過剩的局面使各鋼鐵企業(yè)的利潤空間越來越小，低效益運(yùn)行甚至虧損的艱難態(tài)勢會持續(xù)較長時間，并且未來鐵礦粉燒結(jié)生產(chǎn)面臨著鐵礦粉資源短缺、品質(zhì)劣化、高爐對爐料要求不斷提高、節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等諸多挑戰(zhàn)。為此，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)應(yīng)根據(jù)企業(yè)自身經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，在傳統(tǒng)的鐵礦粉造粒工藝基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外高效利用低價礦的新技術(shù)和新思路，結(jié)合自身燒結(jié)生產(chǎn)特點(diǎn)，不斷開發(fā)和應(yīng)用新的鐵礦粉造塊工藝、低能耗低排放的環(huán)保生產(chǎn)等技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)燒結(jié)生產(chǎn)的長久可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)鋼鐵工業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展。

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