科技新进展：高比例块矿和高炉返矿协同优化的低碳炼铁技术及应用

一、研究的背景与问题

在碳达峰和碳中和的时代背景下，钢铁行业面临着巨大的减污降碳压力。炼铁工序能耗约占钢铁生产全流程能耗的70%以上，CO₂排放占比超过80%，因此炼铁低碳化是实现“双碳”目标的关键。原料低碳化是炼铁低碳的重要源头减碳措施，天然块矿兼具环保与成本“双低”优势，高炉返矿（＜5mm）具有直接入炉的潜力。但传统块矿预处理高耗低效，转运中质量劣化，高炉返矿占比大、粒度小，高炉利用困难，且低品位炉料结构影响稳定顺行与能耗控制。

（1）传统块矿预处理高耗低效，转运过程造成质量劣化、损耗及污染严重，入炉比例难以提升。高比例块矿应用面临热爆裂机理不清晰，预处理效果差，热爆裂指数偏高，转运过程破碎率高，污染严重，入炉后炉况波动大等问题，导致其入炉比例难以提升，生产稳定性面临挑战。

（2）高炉返矿占比大、粒度小，高炉直接利用难度大，重新烧结面临能耗与环境的双重压力。高炉返矿因粒度偏细、均匀性差，易导致料柱透气性恶化与煤气流分布紊乱，影响高炉稳定顺行。需在烧结提质、筛分精度控制、冶炼操作适应性等方面突破技术瓶颈。

（3）烧结矿+块矿+高炉返矿的低品位新型炉料结构使高炉的稳定顺行及能耗控制难度提升。低品位新型炉料结构因其冶金性能不佳，不仅造成渣铁比高、有效容积利用系数下降，更易导致料柱透气性恶化与炉况波动，直接威胁高炉的长期稳定顺行，伴随能耗上升与产质量下降等连锁问题。

二、解决问题的思路与技术方案

项目针对低品位新型炉料结构应用的技术难题，围绕涵盖块矿预处理、烧结提质、炉料转运、返矿分级入炉及高炉高效冶炼等多项创新技术，组建联合技术攻关团队进行系统深入研究。确定项目主要研究内容及技术路线如下图所示：通过理论研究、调研分析、并结合仿真模拟、中试试验等研究方法，确定了合理技术方案，开发了关键技术和设备，最终形成高比例块矿和高炉返矿协同优化的低碳炼铁技术。

（1）针对传统块矿预处理高耗低效，转运过程造成质量劣化、损耗及污染严重，入炉比例难以提升的问题，研究揭示了块矿热爆裂规律与劣化机理，开发了块矿高效预处理及低损耗清洁转运技术。

（2）针对高炉返矿占比大、粒度小，高炉直接利用难度大的问题，开发了均烧-缓冷烧结提质及返矿分级入炉技术。

（3）针对烧结矿+块矿+高炉返矿的低品位新型炉料结构导致的高炉稳定顺行及能耗控制难度提升问题，阐明了多元炉料综合冶金性能演变规律，开发了低品位多元炉料协同高效冶炼技术。

图1 主要研究内容和路线

三、主要创新性成果

1、开发了块矿高效预处理及低损耗清洁转运技术

针对传统块矿预处理高耗低效，转运过程造成质量劣化、损耗及污染严重，入炉比例难以提升的问题。研究揭示了块矿热爆裂规律与劣化机理，开发了块矿高效预处理及低损耗清洁转运技术，块矿爆裂率由13.29%降低至1.86%，预处理能耗降低15%，块矿入炉比例突破30%，降低碳排放8kg/吨铁，降低成本9.55元/吨铁。

（1）阐明了块矿热爆裂规律与劣化机理

针对块矿热爆裂原位观测困难，难以模拟实际生产中的高温骤变条件，块矿在升温过程中的动态破裂行为与微观结构演变缺乏精准的原位观测，以及受矿物组成、孔隙结构及热应力分布等多因素交互影响，块矿热爆裂特性尚不明确等难题开展研究。揭示了不同块矿热爆裂特性与规律，明确了干燥温度、时间、粒度及水分等因素对块矿热爆裂行为的影响。从矿物相变与孔隙结构演化角度揭示了块矿的劣化机理，为相关工艺设备开发与生产操作优化提供了理论依据。

图2 不同参数对块矿热爆裂性能影响

图3 不同温度下块矿粒级分布及爆裂指数检测

（2）开发了多元余热协同的块矿低耗高效预处理工艺及装备

传统工艺在能耗与效率之间存在突出矛盾，高温快速脱水不仅能耗较高，还易造成矿石表层结壳或内部爆裂，致使质量难以稳定控制；同时过程参数多依赖经验设定，缺乏与矿石物性相匹配的精细化调控制度；此外，现有装备存在热效率低、适应性差的问题。基于上述问题，开发了多元余热协同的块矿低耗高效预处理工艺，集成多级余热回收与循环系统，将均热炉与烧结环冷烟气余热导入，经智能燃烧器精准控温形成稳定热源，高效用于块矿烘干处理。研制了高效低耗预处理装备，通过创新内部导流与布风结构设计，实现热风在料层中的立体均匀穿透，提升了预热干燥效率。

图4 多元余热协同的低耗高效预处理工艺及高效烘干装备

实施效果：预处理温度从常规700-800℃降低至500-600℃；集成多级余热回收与循环系统，煤气单耗由35Nm³/t降低至20Nm³/t，预处理能耗降低15%；块矿爆裂率由13.29%降低至1.86%，水分稳定低于3%，成品率达到96.63%（成品块矿/湿矿）；日均处理块矿11000余吨（平均450吨/小时），系统运行稳定。

（3）开发了炉料低损耗清洁转运技术

传统转运过程中扬尘控制与作业效率难以兼顾：在头轮罩、中间溜槽、导料槽、卸料车等转运点，因高落差和强烈冲击易产生大量无组织扬尘，面临“保效率则污染重，控粉尘则效率低”的行业共性难题。此外，传统设备存在物料破碎率大且能耗偏高，转运过程中块矿破碎率升高，转运设备长期承受高强度冲击与磨损，关键部件寿命短等难题。基于上述问题，开发了高效环保转运系统：通过特定弧线的控流槽体减轻物料冲击，从源头抑尘并提高成品率；结合落料点自降尘系统，运用双密封导料与负压平衡技术，实现无动力自降尘。研制了新型环保卸料车：采用高密封集尘罩、刚性板与弹性胶带构成多重弹性密封，有效抑制扬尘；优化除尘系统，将管道与溜槽分离并直连除尘设备，降低阻力、防止漏风，全面提升除尘效率。

图5 高效环保转运系统及新型环保卸料车

实施效果：转运卸料系统一次转运物料成品率提高1.3%，综合破碎率从10%降至7%。作业区域粉尘浓度从100~20000mg/m³降至8mg/m³，并可减少30%的传统除尘风量，且无需通风槽结构。

图6 使用前后关键参数变化

2、开发了均烧-缓冷烧结提质及返矿分级入炉技术

针对高炉返矿占比大、粒度小，高炉直接利用难度大的问题，开发了均烧-缓冷烧结提质及返矿分级入炉技术。通过烧结提质、柔性导料转运协同降低返矿技术以及高炉返矿分级精准调控技术，烧结成品率提高约1.64%，“3-5mm返矿”入炉比例提高至含铁炉料的6%，返矿资源利用率达到35%，突破了细粒返矿传统利用上限，降低碳排放30.77kg/吨铁。

（1）开发了富氢烧结提质技术

针对传统烧结料面温降快，料层温度分布不均，造成返矿率高、烧结矿质量控制难、CO₂排放大，以及富氢烧结存在富氢燃气积聚闪燃风险，且通过富氢喷吹调控温度场与矿物生成的协同机制不明等难题。开发了富氢降碳均热烧结和高喷吹量富氢燃气混匀技术：研制出带安全防护气舱的气流分布装置、大广角扩散喷头和喷头高度调节装置，以及高喷吹量富氢燃气混匀系统，实现了连续、稳定、均匀、高比例富氢燃气喷吹。开发了“上喷+下抽”安全连锁控制系统：将富氢燃气喷吹系统与主抽风机连锁，确保工况下安全防护气舱内微负压，避免燃气外溢。

图7 富氢烧结理论研究

实施效果：富氢燃气质量分数均匀度达到90%以上，烧结矿成品率提高约0.84%，平均粒径提高约0.47mm，降低碳排放18.02kg/吨铁。

图8 富氢烧结系统装备及提质操作

（2）开发了烧结缓冷及柔性导料转运协同降低返矿技术

针对传统环冷机采用恒速运行、冷却风量固定，难以适配矿料温度与数量变化，以及冷却过程与转运破损之间的耦合机制不明确，工艺调控与装备优化难以协同等难题。开发了基于冷却速度匹配的烧结矿高料层缓冷技术，建立了烧结-环冷机速与料层高度匹配制度，实现了对出口矿温均匀性与内部热应力的协同控制，从源头降低了烧结矿碎裂风险。基于“冷却-转运”破损机理，开发了柔性导料装置，将冲击耗散能力与动态降速工艺协同，形成了覆盖冷却与转运全流程的双重防护机制。

图9 烧结缓冷及柔性导料转运协同降低返矿装备及操作

实施效果：烧结-环冷机速比由1:1.5下调至1:1.35，环冷机内烧结矿料层厚度提高约20cm，返矿率降低0.84%。柔性导料装置应用后，烧结矿破碎率由16.03%下降至12.35%，降低了3.68%。

（3）开发了高炉返矿分级调控技术

针对高炉返矿存在来源复杂、粒度细微、性质不均，且缺乏针对其主流粒级（＜5mm）的精细化分级标准与标准化回用方案，导致无法实现“按质分级，精准回用”的难题。掌握了不同粒级返矿对炉内冶炼的影响规律，建立了高炉返矿粒级-冶炼性能对应关系模型，开发了高炉返矿分级调控技术。确定3–5mm返矿分级制度，揭示了3–5mm高炉返矿不同加入方式对炉内炉料分布、炉料层透气性的影响规律，确定了最优的返矿装入制度。建立了“识别-分级-回用”的完整技术体系，实现了对返矿的标准化、流程化管理，提供了可复制的高炉返矿应用解决方案。

图10 不同粒级返矿运动状态模拟

实施效果：炉料结构中高炉返矿占比由0提高至6%，高炉返矿资源直接利用率从0提高至35%（3-5mm/0-5mm），降低固体燃耗5kg/吨铁，降低碳排放12.75kg/吨铁。

图11 高炉返矿分级操作制度及入炉后参数

3、低品位多元炉料协同高效冶炼技术

针对烧结矿+块矿+高炉返矿的低品位新型炉料结构导致的高炉稳定顺行及能耗控制难度提升问题，阐明了多元炉料综合冶金性能演变规律，开发了低品位多元炉料协同高效冶炼技术。入炉品位55.5%-55.8%条件下，高炉煤气利用率保持在47.5%以上，实现燃料比505kg/t，煤比达到185kg/t，降低碳排放38.77kg/吨铁。

（1）阐明了低品位多元炉料协同匹配规律

针对块矿预处理后性能与烧结矿、球团矿相比仍有不足，与熟料间的交互机制复杂。缺乏对小粒度高炉返矿在综合炉料中的行为，以及多元炉料高温下交互作用的量化认知，难以精准预测复杂反应过程的难题。阐明了块矿和高炉返矿等多元炉料在炉内的分布状态以及交互作用机制，获得了多元炉料冶金性能变化规律，为炉型优化和操作制度调整提供理论支撑。

图12 炉料冶金性能及入炉分布状态仿真模拟

实施效果：通过优化多矿种配比提升炉料整体冶金性能，创新粒度级配与布料方式改善料柱透气性，结合热制度补偿与下部调节手段，实现了冶炼过程性能提升与透气性稳定，高炉压差与基准期相比基本维持不变。

图13 综合炉料软熔交互作用性能分析

（2）开发了适应低品位多元炉料高效冶炼的高炉炉体结构

现有炉型结构难以适应高比例块矿和高炉返矿的低碳冶炼要求，新型炉料结构炉料冶金性能波动大，易造成高炉中上部料层透气性下降，气流阻力升高；同时导致高温区上移，炉身及炉腰部位热负荷增大，炉况波动加剧，进而影响高炉稳定顺行。基于上述问题，以高效低碳炉型设计体系为指导，结合热态试验、仿真模拟和中试结果，开发了适应低品位多元炉料结构的低碳冶炼炉型结构。

图14 高炉炉体结构示意图

（3）开发了低品位多元炉料冶炼调控技术

针对复杂劣化多元炉料结构条件下，高炉操作参数间的响应机制及交互作用规律不清晰，造成高炉稳定运行维持难等难题。基于提升原燃料质量和动态调控原理，以及不同炉料间交互作用规律，开发了低品位多元炉料冶炼调控技术，构建了“冶金性能-操作制度-冶炼目标”全链条协同匹配制度，为动态优化操作提供了科学指导。

图15 高炉布料及操作制度

实施效果：入炉品位55.5%-55.8%的条件下，实现燃料比505kg/t，高炉煤气利用率保持在47.5%以上，生铁产量增长2%。新型炉料结构高炉冶炼技术的成功开发，提高了高炉对原料的适应性，为缺少优质球团生产条件的企业提供了可靠的技术方案。

图16 高炉智能模型及操作体系

四、应用情况与效果

针对高比例块矿+高炉返矿+烧结矿的低品位新型炉料结构应用的技术难题，项目开发了涵盖块矿预处理、烧结提质、炉料转运、返矿分级入炉及高炉高效冶炼等多项技术。实现了高炉炼铁的低成本、低排放、高能效生产。

项目已成功应用于江苏永钢集团有限公司2座高炉，项目遵循“先进、适用、可靠、经济、环保”的原则，通过采用先进工艺，优化总图布局与自动化控制，并贯彻循环经济与国家标准，全面实现高炉“高效、低耗、优质、长寿、环保”的生产目标。

信息来源：中冶京诚工程技术有限公司