孙利军¹    张 晨²   李永昶³

（1. 陕钢集团汉中钢铁有限责任公司炼铁厂设备管理科   陕西勉县  724200；2. 中钢集团工程设计研究院有限公司  北京    100080；3. 陕钢集团汉中钢铁有限责任公司炼铁厂             陕西勉县  724200）

摘  要：以冶金粉尘为原料，在实验室模拟转底炉焙烧制度生产预还原球团，进行产品的物理性能和冶金性能检测，以期满足高炉使用。实验结果表明：预还原球团具有良好的冶金性能，无低温还原粉化﹑无高温还原膨胀﹑软熔性能优良。但是其物理性能差，抗压强度仅有800N，影响高炉块状带透气性，是其大量使用的制约条件。根据物料平衡计算，预还原球团在炉料中仅占到～5%，总体而言利大于弊，可以作为高炉炉料使用。

关键词：转底炉；预还原球团；抗压强度；冶金性能

1  前 言

随着近几年来钢铁行业的发展，对于入炉原料质量的重视以及固废处理的环保要求，国内各大钢铁企业纷纷在固废处理方面加大投资力度，先后建起多座转底炉处理冶金尘泥。但目前利用冶金粉尘生产出的金属化球团品位无法达到《YB/T4170-2008》规定的标准，由于转底炉工艺得到的产品中包括了粉尘中的脉石，导致产品中的TFe含量低。另一个难点是原料中硫含量绝大部分保留在金属化球团中，过高的硫含量显然不适用于炼钢的要求。

日本、韩国投产运行的转底炉，生产的金属化球团作为高炉炉料使用，见表1。其高炉的含铁原料主要在国际市场上购买，炉料结构均以高碱度烧结矿为主，与我国高炉相同，值得借鉴。本文通过实验使用粉尘生产预还原球团，研究其物理和冶金性能是否满足作为高炉冶炼使用，既可以解决冶金粉尘的问题，又能有效利用产物，有着重要的实际意义。

表1 国外转底炉产品利用一览表

2  实验流程及方法

本次实验所用的粉尘取自江苏S厂和内蒙古B厂，分别标记为S式样和B式样，将各厂不同成分粉尘﹑煤粉﹑粘结剂按比例配料后人工混匀。基于生产实践中粉尘球团金属化率低，焙烧后球团中残碳少情况，提升混合料的C/O达到16.16%。混合好的物料放入圆盘中造球，9~16mm干燥后的圆形球团，取~150g平铺放在刚玉盘上铺两层进行焙烧，焙烧制度：1050-1200℃﹑7min；1200-1300℃﹑10min；1300-1300℃﹑21min，焙烧气氛为氮气气氛。焙烧结束后，每组球团分成两部分，一半进行水淬（强制冷却），一半部分空冷（自然冷却），水淬后的球团需要干燥后称重。首先考察球团金属化率，Zn、Pb、K、Na、S、P脱除率；在满足入炉成分标准《GB/50427-2015》后再进行强度﹑高温爆裂和荷重软化性能性能测试。

3  实验结果与分析

3.1  预还原球团成分

转底炉生产的预还原球团成分取决于冶金粉尘和还原剂的成分，而冶金粉尘的成分与钢铁厂所使用的含铁原燃料有关。两组实验所生产的预还原球团金属化率均大于80%，表3为S厂试样，其化学成分满足高炉冶炼的要求。表4﹑5为B厂式样，可以看出干球成分中K﹑Na含量很高，还原后球团中含量仍很高，达不到入炉标准。转底炉工艺的主要用途为处理含锌含铁冶金尘泥，对铅﹑锌的脱除率很高，但是对于钾脱除率只有50%，钠的脱除率仅30%左右。使用碱金属高的矿石冶炼时，碱金属不仅在粉尘中含量高，在制备的预还原球团中仍很高，这样的球团不易添加进高炉，但仍可作炼钢用。

3.2  冷却制度预对预还原球团落下强度的影响

从焙烧后球团强度结果来看，水淬后的球团强度稍差，空冷球团有着很高的强度，落下次数均达10以上，完全能满足实际生产中倒运的要求。因此在预还原球团的冷却工艺设计时，应根据工业应用实际情况，为了避免空冷造成预还原球团表层二次氧化，适当的考虑采用间接冷却工艺，不仅有利于球团提高落下强度，更是对改善作业环境有很大的帮助。

3.3  焙烧制度对成品球抗压强度的影响

从表6可以看出还原焙烧温度从1050—1250℃，球团抗压强度随着金属化率升高而迅速升高；从1250℃提升到1300℃，球团的金属化率变化缓慢，这是由于产生了密实的金属壳层，覆盖在未还原的矿物周围，影响了还原气体的扩散，球团抗压强度变化也随之缓慢。

如图1所示，还原时间在从0—30min，球团金属化率逐渐升高，球团强度也升高，30—40min时，变化开始变缓。当还原时间超过40min之后，球团强度会随着金属化率下降而降低。这是因为随着焙烧时间的延长，还原剂消耗量和烧损越来越大，球团内不再排出可燃气体，CO/CO₂浓度比下降，还原性气氛消失，部分金属铁又重新被氧化。

图1预还原球团强度与还原时间关系         

综合分析，一方面磁铁矿在中性或还原性气氛下焙烧，当温度超过900℃时，Fe₃0₄颗粒被保留下来发生再结晶与晶粒长大，使颗粒互相连接起来。试验研究表明，Fe₃0₄再结晶的形式固结的球团矿强度低于Fe₂0₃ 再结晶的球团矿强度^[1]。如图2所示，转底炉还原区气氛为弱还原性。另一方面，随着还原过程的进行，金属铁逐渐被还原出来，球团收缩，颗粒之间连接成致密的整体，使得强度升高。尽管如此，金属铁也只占50%，其抗压强度最大800N，不仅小于Midrex工艺生产的金属化球团强度（图3），也远低于普通氧化球团的抗压强度。   

3.4  预还原球团冶金性能指标

图4为预还原球团外貌，转底炉工况下（弱还原气氛﹑微负压），球团整体焙烧状态较好，还原后基本成球，无高温爆裂现象，低熔点共熔现象很少，球团没有发生软熔、粘结的现象，冷却干燥后观察有轻微粉化和结壳情况。由于预还原球团矿是已被部分或大部分还原为直接还原铁，已不属于铁矿石。与氧化球团相比，预还原球团可视为金属附加物。预还原球团在生产过程中已经历过还原，再次加入高炉内，不存在低温还原粉化和热膨胀率的问题。

球团内剩余部分未还原的铁和渣，渣中FeO﹑SiO₂等生成少量低熔点的渣相。由表7可见，预还原球团开始软化温度约1150℃左右，终了温度约1300℃，软还温度区间窄。综上所述，预还原球团的高温还原膨胀和低温还原粉化性特别好，其软化开始温度相对高，软化区间也相对较窄，具有优良的冶金性能。

4  炉料结构变化对高炉冶炼的影响

近些年来高炉工艺有了很大的提升和改变，但在炉料结构方面，几乎没有变化，仍是由烧结矿﹑球团矿﹑块矿组成。使用预还原球团作为炉料，提高入炉料品位，减少了高炉中对铁矿石氧化还原的负担，从而降低高炉焦比。

I G Tovarovskiy等人甚至考虑从炉顶布料、煤气流分布、软熔带等高炉冶炼过程参数的变化中，找出炉料不同金属化率对焦比的影响^[2]。当炉料金属化率小于20%时，降低焦比最多。苏联奥尔斯克钢铁厂在高炉使用金属化球团矿试生产，炉料的金属化率提高到9.6%，高炉生产率提高2.3%，焦比下降5.7%。欧洲设计建造了一座年产160万t的HYL直接还原厂，在传统BF-BOF流程中加入直接还原铁，降低焦炭消耗，减少CO₂排放。Midrex直接还原生产HBI，在其高炉中使用，可显著提高铁水产量并降低焦炭消耗，HBI热压铁块的用量最多可达到高炉装载量的30%。

与上述几种工艺生产的金属原料不同，转底炉生产的预还原球团虽然冶金性能优良，但其物理性能较差。作为高炉炉料有利有弊，应积极采取应对措施。加入预还原球团后，烧结矿比例相对减少，球团比例相对增加。一座千万吨级的钢铁厂每年所产生的含铁粉尘约100万t，可生产约78万t预还原球团，全部作为高炉炉料时，占比为4.5%左右。高炉球团矿比例增加后，块状带炉料粒度差别值减小，炉料孔隙度下降，煤气流的阻力损失上升^[3]。根据高炉取样表明，炉内低温区氧化球团矿还原后，仍保持结构的完整，其指标要优于烧结矿。而烧结矿在高炉上部的低温区还原时粉化，会使料柱中小于5mm粒级增加，透气性下降，煤气利用率下降。再加入预还原球团，会进一步恶化高炉上部的透气性。‚而在高温区，球团矿高温还原后，强度下降以及膨胀粉化，对高炉高温区透气性产生不利影响，甚至影响软熔带透气性。目前对还原抗压强度尚无一致的标准，日本要求球团矿的还原膨胀率小于20%，还原后的单球抗压强度大于250N^[4]。而预还原球团不存在高温膨胀粉化，在高温区仍保持很高的抗压强度，这对高炉冶炼显然是有利的。同时，预还原球团软熔性能优良，有着较高的软化开始温度和较窄的软化区间，保持原炉料结构不变，加入预还原球团后对综合炉料而言，并不会造成软化区间变宽。所以，使用预还原球团的弊端是对块状带的不利影响。

根据宝钢高炉静压力分布，高炉块状带压力阻损占整个高炉压力阻损15%左右，而软熔带和滴落带阻损占到60%左右^[5]，因此炉料低温还原粉化﹑热爆裂﹑抗压强度低等对高炉影响较小，而炉料高温性能以及球团还原膨胀影响较大。总体而言高炉使用预还原球团利大于弊。

5  结语

利用冶金尘泥生产预还原球团，作为在高炉炉料占比不到5%，自产自销。还具有品位高﹑金属化率高﹑含碳量高等特点，可以提高炉料金属化率，降低焦比。当冶金粉尘中碱金属含量过高时，其脱除率较低，预还原球团中碱金属含量仍很高，不易作为高炉炉料使用。

‚预还原球团具有良好的冶金性能，无低温还原粉化﹑无高温还原膨胀﹑软熔性能优良，有利于改善综合炉料的冶金性能，但其抗压性能最大仅有800N，对高炉块状带不利影响是限制其使用的最大因素。可以通过适当提高烧结矿碱度，提高烧结矿质量，减少低温还原粉化，强化块状带炉料透气性，以抵消预还原球团带来的负面影响。

参考文献

[1] 王筱留. 钢铁冶金学（炼铁部分）[M]. 第3版. 北京：冶金工业出版社,2013：63.

[2] I G Tovarovskiy, Y M Gordon , A E Merkulov. 炉料金属化率对高炉工艺和操作参数的影响[J]. 世界钢铁. 2013,13（5）：1-7.

[3] 唐顺兵﹑李夯为﹑梁建华等. 太钢5号高炉高比例球团矿生产实践[J]. 炼铁. 2014,33（5）：30-33.

[4] 项中庸﹑王筱留等高炉设计-炼铁工艺设计理论与实践[M]. 第2版. 北京：冶金工业出版社,2014：98.

[5] 朱仁良等. 宝钢大型高炉操作与管理[M]. 第1版. 北京：冶金工业出版社,2015：184.