高铁低硅烧结技术发展动态

2022-03-30支建明李杰李飞李大亮杨爱民

矿产综合利用 2022年1期

支建明，李杰，李飞，李大亮，杨爱民

（1. 华北理工大学冶金与能源学院, 河北唐山 063210；2. 山西建龙实业有限公司, 山西运城 043801）

国家“十二五”规划纲要中提出，要“大幅度降低能源消耗的强度和提高能源利用效率，加快低耗技术研发和应用[1]。”这就从国家规范的层面上说明我国对节能降耗的重视程度，对节能降耗工作逐渐重视起来。21世纪钢铁行业面临着严峻的市场竞争考验，企业要实现创新可持续发展，必须进一步节能降耗，并且大力推广高炉精料技术，实施高铁低硅烧结则是实现这一目标的关键举措。通常，烧结矿中SiO2每降低1%，焦比会降低2%，进而生产效率提高3%[2]。但一般认为烧结矿中SiO2的含量只要低于5%时，就会引起烧结矿产能下降以及烧结矿冷态强度变差，成品率降低，低温还原粉化指标变差等一系列问题。因此，关于高铁低硅烧结技术的研究和发展，是当今世界钢铁企业的关注重点。以下内容旨在介绍目前国内外炼铁行业中的高铁低硅烧结技术及其发展现状和创新情况进行详细阐述，为相关研究学者提供思想和理论层面的帮助。

1 高铁低硅烧结技术的研究动态

20世纪80年代国外钢铁行业把注意力主要集中在提铁降硅的研究中，在全世界范围内，日本很早就开始研究低硅烧结了，早在90年代就将SiO2的含量降到4.5%左右[3]。而欧洲的一些先进的烧结厂也已经将SiO2的含量降低到4.4%～4.8%的水平。而我国各钢铁厂直到进入21世纪以来才重视对高铁低硅烧结技术，其中像莱钢、济钢、唐钢等钢铁厂烧结矿的SiO2可以达到4.0%～4.5%的水平。铁的品位也可以达到59%左右。

1.1 国内高铁低硅烧结技术的应用现状

徐钢一直是以冶炼铸造生铁为主要产品的企业，自2001年3月开始实施小球团烧结工艺改造之后，大大提高了入炉料的品位，实现了高铁低硅烧结矿的生产。相比于2001年以前将TFe从54.54%提高到60.35%，SiO2含量于6.36%降低到4.9%[4]，为其烧结机的稳产顺产提供有力条件。

太钢2002年投资对自产精矿进行降硅处理，实现了烧结原料从高硅（SiO2=7%）向低硅（SiO2=5%以下）的转化。为了改进措施，提高高铁低硅烧结矿性能，分别采用了不同碱度、MgO含量、燃料配比、原料结构以及料层厚度的方法进行了实验室烧结杯实验，发现当烧结矿SiO2含量降到4.5%以下时，出现烧结矿粉率大增，冶金性能指标不稳定，高炉炉况不顺等问题。为此要想保证烧结矿的强度，ω（SiO2）应大于4.5%[5]。新型铸管公司[6-7]采用同样的措施，从2003年开始到2010年七年间，将SiO2含量从5.43%降低到了4.3%～4.0%的水平。

湘钢[8]在2017年入炉料烧结矿的使用在78%以上，所以更加重视烧结矿的品位。其使用的铁矿石80%～90%为赤铁矿，碱度稳定在1.9～2.0，生成铁酸钙的能力强。且烧结矿液相量越多，降低SiO2的含量、提高铁品位的能力就越强。结果将SiO2的含量从5.30%降到4.81%，TFe从56.21%提高到57.50%。生产过程中存在料层厚度提高后透气不好、烧结料层的漏风率太大、上料系统运行不稳定等问题。

2019年阳春新钢合理搭配高铁低硅、中铁高硅铁矿石开展高铁低硅实验，将烧结矿SiO2的含量降低至4.5%～4.8%，与其他钢铁厂不同的是阳春新钢铁在实施高铁低硅烧结时，烧结混合料中配人25%～30%的高镁磁铁精粉，用以保证透气性，改善烧结矿RDI，并保持较好的烧结产、质量指标[9]。

1.2 国外高铁低硅烧结技术的发展现状

日本户佃烧结厂是全世界最早进行低硅烧结实验的企业，1980年的生产条件下就已经将SiO2的含量降到了5.55%，有效提高烧结矿质量[10]。日本川崎钢铁公司采用了厚料层、低硅操作，使烧结矿的成品率提高，固体燃耗降低，并降低烧结成本，所以其又向着高产低成本的方向发展[11]。新日本钢铁公司君津厂在80年代进行降低烧结矿SiO2含量的实验，SiO2含量从5.84%降到5.21%，并且还原性和还原粉化率得到改善[12]。

日本的P.R.Dawson在八十年代中期提出了一种在当时来说比较新的低硅烧结工艺，采用的主要方法是低温烧结，使加入的焦炭减少；提高了炉料的软熔温度，改善炉渣的流动性和脱硅能力，通过配加蛇纹石提高了烧结矿中镁的含量，提高了烧结矿的冶金性能[13]。日本君津厂也采用了配加细粒蛇纹石的方法，取得了比较好的效果[14]。K.Fujii[15]等人在烧结杯实验中采用厚料层操作，得知在厚料层烧结的条件下，降低燃料比的同时还可以稳定生产低FeO含量、低SiO2含量的烧结矿，并且对RDI几乎没影响。

芬兰科维哈厂在烧结生产实践中，铁的品位已经达到了60%～61%。随后以含磁铁精粉为主要原料进行TFe为62.0%～65%的烧结矿实验，同时，他们还通过添加生石灰和增加焦粉用量以改善烧结矿强度。其他指标见表1[16]。

表1 科维哈厂试生产烧结矿指标Table 1 The sinter ore index of the trial production of the Keweiha plant

从表1中的数据可以看出，采用含铁比较高的磁铁精粉，烧结矿的TFe和SiO2含量指标接近理论值，结合目前国内外生产实际，此数据仅能停留在实验阶段，无法推广到企业生产。

综上所述，国外烧结矿入炉品位高达60%左右，SiO2含量基本上可以降到4.4%以下。我国只有少数企业在影响其他烧结指标的情况下，才能基本与国外相持平。国外高铁低硅烧结所采取的措施是：低温低碳烧结、提高料层厚度、添加细粒蛇纹石、以含高铁低硅精矿粉为原料的烧结工艺等。而国内主要以低温烧结、高碱度烧结、厚料层烧结、改进原料结构等措施为主。可以看出，我国各钢铁企业在逐步发展高铁低硅烧结技术，大部分企业在使用国外的先进技术，许多技术细节还有待完善。

1.3 实现高铁低硅烧结所面临的困难

研究表明[17-18]，我国铁矿石进口量从2001年的7000万t增加到2017年的10.75亿t。如此庞大的数字背后暗藏着我国矿产资源短缺的现状。另一方面高铁低硅烧结与常规烧结相比，在选矿配矿、矿物结构、物化性质以及工艺条件方面都存在较大差异，同时也提出了更高的要求。高铁低硅烧结面临的主要技术难题是解决由于铁高、硅低、渣量少所带来的强度显著下降的问题。解决这些问题的关键是如何提高铁酸钙的生成量，抑制钙铁橄榄石的生成，最终用复合铁酸钙（SFCA）和铁氧化物再结晶固结形成烧结矿[19]，这是改善高铁低硅烧结矿质量的根本途径。

2 高铁低硅烧结矿性能优化的措施

2.1 碱度优选技术

通过理论研究和多年来的生产实践表明，高碱度是保证烧结矿质量的基础。对目前高炉炼铁而言，高铁低硅烧结矿最佳的碱度范围是1.90～2.40。而烧结矿的强度和冶金性能均与其碱度直接相关，高碱度是生产趋势。

1）提高强度

高铁低硅烧结主要的技术难题是由于硅含量少，所以出现烧结过程液相量少、渣量不足等影响烧结矿强度的问题。在国外主要是采用提高烧结矿碱度和生产复合优化的烧结矿的方法来增加烧结矿中的铁酸钙(CF)含量，达到提高烧结矿强度的目的。而发展以SFCA为主要粘结相的烧结矿是进一步改善烧结矿质量的根本途径[20]。高铁低硅烧结成矿机理包含固相反应、液相反应、冷凝结晶三个过程，与烧结矿的矿物组成、结构和对烧结矿的质量有密切关系，所以烧结矿的强度主要是靠液相固结来保证的[21]。

在降低SiO2含量致使粘结相总量减少的条件下，只有通过提高二元碱度以增加烧结矿中CaO含量，为生成还原性和强度较好的铁酸钙创造物质条件。高碱度烧结矿以铁酸钙为主要粘结相，玻璃质相很少，且矿物组成中铁酸钙和玻璃相均为粘结相，铁酸钙的抗压强度为363 N/cm2，玻璃相仅为45 N/cm2。所以这些特点决定了高碱度烧结矿具有较高的常温强度和较好的还原性。但由于各厂原料条件和高炉炉况要求不同，还需结合实际情况综合考虑。

何木光等[22]在钒钛磁铁矿高碱度下提铁降硅的实验中，分别设定碱度为2.45、2.55、2.65、2.75，采用调整生石灰的配比来改变碱度，保持SiO2含量在4.7%左右，TFe在碱度为2.45时达到最高50.25%。贺淑珍等[23]通过对太钢高铁低硅烧结技术的研究，分析碱度对烧结矿的影响，规定碱度为1.7～2.0，随着碱度的升高烧结利用系数呈上升趋势，烧结转鼓强度、成品率亦然。返矿含量呈下降趋势，＜ 10 mm粒级的烧结矿含量也随碱度的升高而降低。

冯向鹏等[24]为了研究碱度对低硅烧结矿产、质量的影响，且确定SiO2含量为4.0%时碱度的适宜值，采用宣钢的原料，模拟现场进行实验室烧结杯抽风烧结实验。结果表明：烧结矿的转鼓强度呈先升后降的趋势，降低的原因是碱度提高到一定程度时，过多的CaO与铁酸一钙反应生成强度较差的铁酸二钙，从而导致烧结矿强度降低。

2）改善低温还原粉化性能

针对高铁低硅烧结矿强度低、低温还原粉化差的特点，伍成波等人[25]对某钢铁厂的矿相进行了分析，发现其磁铁矿和铁酸钙含量较少，而强度极差的硅酸盐玻璃质和还原性较好的赤铁矿含量较高。为了改善其低温还原粉化性能，特研究烧结工艺和烧结矿成分对碱度的影响。其中在保证燃料配比和Al2O3/SiO2分别为5.0%和0.31时，考察碱度从2.1～2.4变化时对烧结矿低温还原粉化性能和矿相的影响。实验结果见表2。

表2 碱度对实验结果的影响Table 2 Effect of alkalinity on test results

结果表明：随着烧结矿碱度提高，其矿物组成发生显著的改变，赤铁矿在矿相中的占比减少；铁酸钙占比先增后减，在碱度为2.3时达到最大，烧结矿RDI+3.15达到最佳。说明碱度的提高确实有利于提高高铁低硅烧结矿的强度[26]。

Higuchi[27]等人在2006年，通过高铁低硅烧结实验发现在1.5～2.0范围内改变碱度，烧结矿中不单铁的品位有所增加，并且烧结矿的高温还原性有所改善。Fan[28]等人还进行非常规实验，将碱度从0.6增加到2.2时，烧结矿的还原性从44.45%提高到74.36%，效果非常明显，不过此方法还是停留在实验阶段。实际生产中因无法保证其他烧结指标达到最优，所以理论上此法是可行的。

烧结矿的碱度稳定是提高烧结矿产、质量的关键因素。碱度不同烧结矿的矿物组成不同，其强度和质量就不同。一般来说，在碱度增高的情况下，一方面自熔性烧结矿强度变好，还原性变好，低温还原粉化率升高；另一方面对高炉提高产量、降低焦比和实现高炉顺行有实质性的帮助。所以未来高炉冶炼总的趋势是大力发展高碱度烧结矿，可以尝试在选用高碱度原料和高炉运行当中添加溶剂的方式来达到提高碱度的目的。

2.2 烧结料层影响机制

厚料层烧结具有良好的蓄热作用，在烧结过程中，随着燃烧带下移，由于上层烧结矿具有 “自动蓄热”作用[29]，温度逐渐升高，料层的蓄热量随着料层高度的增加逐渐积累，料层温度的最高值也在提高。而且由于料层提高后，垂直烧结速度减慢，高温保持时间延长，液相结晶发育完善，烧结内层氧化气氛增强，使高价铁氧化物的分解减少，从而有利于强度好、还原性好的针状铁酸钙生成，有利于液相的形成[30]。

兴澄特钢[31]采用柳钢厚料层烧结技术（连续二次低温炉和全屏阻流器），并在此基础上取消热筛和一次冷筛，铺底料粒级为6～11 mm，将原52 m2烧结机面积扩展至60 m2，料层厚度由600 mm提高至750 mm(预留800 mm的空间)。保证高温固结时间，固液相反应充分，矿物结晶完善，达到改善烧结矿内部结构和提高其质量的目的。张克诚等[32]也在进行烧结杯基准实验时，料层厚度为750 mm来开展厚料层烧结。相较于600 mm的料层厚度，产量提高13.7%，转鼓强度提高2.26%。

首钢京唐[33]通过对烧结料层透气性进行理论分析，开展了改善混合料堆积效果、优化烧结布料时混合料粒度分布的横向偏析和纵向偏析等技术，将首钢京唐公司 550 m2烧结机的料层厚度提高到 910 mm以上。结果烧结矿中铁酸钙质量分数提高了3.67% 、返矿率降低了2.36% 、固体燃料消耗降低了1.93 kg/t·s。而湘钢[34]采用通过点火炉抬高、雾化水制粒系统及防堵型微负压点火自动控制装置的开发与应用、烧结机台车整体改造、布料方式的优化改造和炉条板结的治理等技术措施，将转鼓强度提高至80.15%，固体燃料消耗降低了5.95 kg/t·s,大幅度降低生产成本，节能降耗效果显著。

就目前生产实践而言[35]，实施高料层烧结已经在烧结矿的产、质量上面得到了证实。基本实现了高效率生产，所面临的问题不仅是如何提高高铁低硅的性能指标，而是在继续坚持厚料层烧结的态势下，必须将节能降耗工作作为一项重点攻关内容。综合我国能源消耗现状，实施厚料层烧结将导致能源的大量消耗，因此节能降耗势在必行。同时这也是钢铁企业实现高质量、快速发展的必然趋势。

2.3 烧结配矿优化技术

配矿效果的好坏直接影响到混合矿的化学成分及稳定性，尤其对提铁降硅、烧结矿成本和高炉冶炼过程直接相关。随着高炉的大型化，高炉炼铁对烧结矿的要求越来越高，而参与配矿的铁矿石种类繁多、品种杂、质量不稳定等因素，对配矿的定性指标影响尤为重要。配矿方案直接影响到烧结矿的质量和冶金性能[36]，配矿研究主要集中在优化烧结配矿、优化配矿数学模型、优化铁矿石性能配矿[37]。

1）优化烧结配矿实验

烧结配矿实验是根据混合矿的化学成分，结合各企业铁矿的供应情况，计算并设计出配矿方案后再进行烧结杯实验，随后根据实验结果，分析对烧结矿性能指标的影响，再对配矿方案进行调整。

攀钢[38]为进一步提高高铁低硅烧结矿质量，在现有资源条件下，通过优化配矿提高印度矿的配比实现高铁低硅烧结，使烧结矿全铁质量分数从49.20%提高到51.46%，SiO2含量从5.30%降低至4.05%。

济钢[39]为了全面研究国内进口矿高铁低硅的配矿技术，结合烧结主要的冶金性能和经济指标，确定烧结配矿方案：澳洲粗粉选择纽曼粗粉，巴西粗粉选择卡拉加斯和富铁库粗粉较好，铁精粉选择西石门和国内杂精粉两种。该配矿方案最终TFe达到59%左右，SiO2含量可以保持在4.4%左右。考虑到经济成本，可以适当配加杨迪粗粉和印度粗粉，降低原料费用。

传统的烧结配矿实验，对于每种新的矿粉或者新的配矿方案，要进行新的实验去验证。这就对人力、物力资源造成极大的消耗，还不能对结果进行预判，导致结果不具备通用性和推广价值。并且在生产实践中主要以单一矿种替代为主，缺乏对各种铁矿粉原料性能的认识。

2）优化配矿数学模型

张大好[40]基于某厂的烧结生产数据以及铁矿粉之间的高温、常温性能，建立了铁矿粉综合烧结配矿数学模型。此模型主要是利用线性规划法、遗传算法等计算方法，输出以烧结成本明显降低外，TFe微小改变、SiO2含量高达8.0%左右的数据。同样潘开灵[41]将分布配比优化模型与集成配比优化模型应用于高炉炼铁，在出矿时主要计算烧结矿成本，对烧结矿质量研究相对较少。

现行的优化配矿模型多数是以降低原料成本为最终目标，从而对原料的化学成分和用矿量进行优化，这一过程所遗漏的是矿粉之间本身的性能、制粒性能、粒度组成对烧结矿的产、质量指标的影响。同时为了得到对成本的优化，配矿模型存在一定的盲目性。

3）优化铁矿石性能配矿实验

铁矿石高温性能是指在高温状态下其所表现出来的物化性能，它直接影响铁矿石的烧结性能。为了改善烧结矿产质量，石凤丽[42]使用微型烧结装置。根据蒙古矿铁品位低，硅含量高不能单一矿种使用的特点，进行了与包钢常用矿的混合配矿优化实验，研究其烧结基础特性，合理配矿后改善了铁低硅高的特性。验证了基于铁矿粉高温特性的烧结优化配矿方法是科学可行性的，为改善烧结矿产质量及冶金性能提供了技术支撑。包钢[43]采用微型烧结法对不同种类铁矿粉的烧结基础特性进行研究，为日后更好的生产提供基础数据。

基于铁矿石高温性能的配矿实验，其优点是结合不同铁矿石之间的性能差异采用互补原理进行优化配矿，这样可以对烧结配矿起到很好的指导作用。但是存在的问题是这种互补性原理没有很明确的判断依据，单一矿种的性能叠加是否与混合矿的性能一致，还有待研究。由于没有准确的定性指标，当矿石种类增多时，配矿方案将会非常复杂，这样得出的结果很难判断其优劣性。

烧结配矿是一项连通性很强的系统工程，烧结优化配矿的深入研究还有很长的路要走，优化配矿、高铁低硅烧结、合理炉料结构这三个方面是相辅相成的，每一个指标都能影响炼铁的技术指标，所以应从以下几方面深入的研究[44]。

（1）对各种铁矿石之间，铁矿石与溶剂之间的反应机理深入研究，对含铁原料的冷态性能和热态性能进行深入分析，全面掌握铁矿石影响烧结质量指标的性能评价，建立铁矿石冷态性能、热态性能和冶金性能之间的相互联系，准确得出原料性能和烧结指标之间的关系，揭示在高铁低硅条件下如何增加粘结相量，并且在有限粘结相量条件下如何提高烧结矿强度为优化配矿扎实基础。

（2）为了顺应时代发展需求，钢铁行业也要从自动化走向智能化，早日实现炼铁的智能化。同时也要考虑技术指标和经济指标之间的综合评价，相信将高铁低硅技术与智能化结合一定能使其得到很大程度的突破，进而支撑整个炼铁行业的科技发展。