科技新进展：高比例磁铁块矿和氧化铁皮资源开发利用

一、研究的背景与问题

铁前系统的持续降本是提高钢铁企业效益的关键。在高炉技术指标逐步达到瓶颈的情况下，开发高性价比的原燃料是降低铁水成本、提高企业利润的重要举措，为深处内陆的钢厂原料降本提供了示范方向。

块矿是高炉使用的重要含铁原料之一，是高炉合理炉料的重要组成部分，其化学成分、冶金性能直接影响高炉顺行。近年块矿溢价处于低位，高炉科学合理配加块矿可显著降低铁水成本。国内大多数钢铁企业在使用高比例块矿时基本使用传统的港口块矿，磁铁块矿被研究的相对较少，其在我国东北、西北区域分布相对较多，磁铁块矿的研究和合理利用对东北和西北区域钢厂的降本意义重大。但该磁铁块矿具有还原性低、软熔性能差、有害元素高的缺点，导致其在高炉应用存在限制，过高的块矿配比经常造成高炉炉况失常及铁水成分不合格，通常配比不宜超过3%，提高炼铁系统中磁铁块矿的使用比例进而扩大创效是本领域亟待解决的难题。

与此同时，氧化铁皮的品位达65%-72%，部分还含有一定量的Cr、Ni、Mo等合金元素。传统利用方式是烧结配加或者压球给炼钢使用，在烧结中配加具有替代铁矿粉、降低燃料的积极作用，但常规配比仅1%-3%，随着配比增加到10%以上时，烧结工况变差、生产率明显降低，高比例配加存在技术瓶颈。同时传统上少量配加氧化铁皮，合金元素被稀释于烧结矿与铁水中，钢后环节无法进行针对性调控操作，有价资源未能高效利用，难以实现铁前钢后联合创效。

二、解决问题的思路与技术方案

针对磁铁块矿结构致密、还原性差、有害元素含量高，以及氧化铁皮高比例配加烧结工况恶化、合金元素回收难的问题，系统开展磁铁块矿基础性能研究、铁前各工序利用路径分析、高炉直接配加技术开发、烧结高效利用技术研究，同步开发烧结高比例配加氧化铁皮及合金元素回收技术，形成磁铁块矿与氧化铁皮高效利用的完整技术体系。

1、开发了基于高炉操作制度、炉料结构适配的磁铁块矿强化冶炼技术

系统解析了磁铁块矿基础物化特性，明确低还原性是制约高炉高比例配加的关键因素，开发了基于高炉操作制度、炉料结构适配的强化冶炼技术，实现高炉配加6%磁铁块矿的稳定生产。

（1）解析磁铁块矿基础物化特性与冶炼性能

磁铁块矿TFe为64%、FeO为27.56%，属典型磁铁矿型块矿，磁铁块矿还原粉化性优异，RDI+6.30、RDI+3.15均超90%，但还原度指数偏低，仅54.19%，软化、熔融起止温度均偏高，软化区间宽、熔融区间窄，软熔区间与烧结矿相近。

图1 磁铁块矿微观结构

表1 磁铁块矿与烧结矿、球团矿还原粉化性能和还原性对比

（2）揭示磁铁块矿对综合炉料冶金性能的影响规律

磁铁块矿比例增加并与烧结矿搭配时，炉料软化开始温度升高，软化、熔融、软熔区间小幅增加；磁铁块矿搭配高比例进口球（软熔区间宽）时，软熔区间升高较多；15%国内球和15%磁铁块矿分别搭配烧结矿，软熔区间相差不大（236℃、229℃）。综合考虑高炉综合炉料的RDI、RI和熔滴等性能，酸性料比例＜35%为宜，其中“磁铁块矿+进口球团+烧结矿= 6%+25%+69%”的方案综合性能最佳，炉料压差低、透气性好，更利于高炉炉况稳定顺行。

表2 磁铁块矿与烧结矿、球团矿软熔性能对比

（3）开发基于高炉操作制度调控的磁铁块矿强化冶炼技术

高炉磁铁块矿还原性差，会使燃料比升高。为此，开发了基于布料、送风及造渣制度综合调控的磁铁块矿强化冶炼技术。

①优化布料制度。北满高炉边缘气流强，外环及次外环有边缘高温煤气流，可利用炉身高温与高CO进行间接还原，减少炉腰炉腹还原量。磁铁块矿布料至次外环，其他炉料次序不变。炉料下降到软熔带“W”位置次外环高点时，可在炉身用高温CO还原磁铁块矿。

②送风制度改善：常规高炉采用送风面积0.1401m²、标速168m/s、斜5度风口的送风制度活跃炉缸，全用风量，风温1190℃，煤比165kg/t，富氧率4.5%；配加磁铁块矿时，送风制度不变，风温提至1200℃，富氧率提至5.0%，利于炉况顺行。

③造渣制度调整：因磁铁块矿碱金属高（K₂O+Na₂O＞0.136%）易富集，炉渣碱度在1.10±0.05（常规1.15±0.05）利于排碱；三元碱度不变，渣中MgO提至8%-11%，镁铝比在0.65-0.7，降低炉渣碱金属活度并提高流动性。炉热控制上，铁水温度按下限控制，[Si]在0.4%-0.5%抑制碱金属硅酸盐还原。在常规排碱基础上，结合高碱物料和碱负荷情况，进一步将炉渣碱度降至1.0-1.05水平。

（4）基于高炉操作制度调控的磁铁块矿强化冶炼技术工业应用效果

配加不同比例磁铁块矿时高炉实际运行状况表明，磁铁块矿配比为6%时，高炉透气性指数正常、煤气利用率高且燃料比低；配比8%和10%时，煤气利用率下降、燃料比升高且高炉产量下滑。因此，确定磁铁块矿在高炉的适宜配加比例为6%。

2、开发了基于磁铁块矿粒度调控和优化配矿的烧结强化技术

揭示了配加粗粒磁铁块影响烧结的作用机理，开发基于磁铁块矿粒度调控和优化配矿的烧结强化技术，明确适宜粒度组成范围（-0.5mm含量<20%、3-5mm含量介于20%-30%）及磁铁精粉与磁铁粗粉比例为4.5:1，首次实现15%以上粗粒磁铁粉矿低碳烧结生产，降低烧结燃耗1.5kg/t以上。

（1）磁铁块矿直接配加对烧结的影响

图2 配加磁铁块矿对烧结过程热状态的影响

磁铁块矿在烧结过程会氧化，但其粒度偏粗，多以核颗粒形式被包裹在制粒小球内部。烧结后残留的磁铁块矿呈外层氧化充分、内层未氧化透的双层结构，类似双层结构的氧化球团矿，抗压强度低于氧化充分的团块，构成烧结矿承压或滚动时破坏的原发性点位，烧结矿成品率、转鼓强度下降。所以，调控磁铁块矿的粒度组成是改善性能的关键。

（2）基于破碎预处理调控粒级的磁铁块矿烧结强化技术

磁铁块矿比例10%时，破碎至5mm以下，研究磁铁块矿中-0.5mm粒级对制粒效果及烧结指标的影响，配加破碎的磁铁块矿，+8mm粒级大球明显降低，+3mm粒级保持在90%，表明破碎预处理利于改善制粒小球粒径分布。建龙北满高比例精矿烧结，烧结原料中-0.5mm比例超40%-50%的适宜值，随着磁铁块矿中-0.5mm增加，制粒小球+3mm降低、-1mm提高、平均粒径减小，烧结速度、制粒效果、成品率、转鼓强度及利用系数变差，-0.5mm超20%时，烧结速度和转鼓强度明显下降。与配加未破碎的磁铁块矿相比，-0.5mm粒级适宜时，烧结矿成品率和转鼓强度明显改善。

磁铁块矿10%条件下，研究+0.5mm粒度组成对制粒效果及烧结指标的影响。提高磁铁块矿中3-5mm比例，制粒小球+3mm和+8mm增加，平均粒径呈增加趋势，烧结速度升高，成品率、转鼓强度及利用系数降低，3-5mm粒级占比20%~30%时各项指标相对较优。

(a) 基准方案；(b) 配加不破碎的磁铁块矿；(c) 配加破碎预处理后的磁铁块矿

图3 磁铁块矿粒度调控对烧结矿微观结构的影响

与配加不破碎的磁铁块矿相比，对其粒度调控后，烧结料层最高温度从1255℃提至1271℃，1200℃高温保持时间从109.8s提至160.2s，铁酸钙粘结相增加，高强度针柱状铁酸钙比例提高，烧结矿指标改善。

综上，同比例下，对磁铁块矿破碎预处理利于改善烧结产质量指标，-0.5mm在20%以内、3-5mm占比20%~30%时，各项指标相对较优。

（3）基于优化配矿的磁铁块矿烧结强化技术

解析了破碎后磁铁块矿替代进口粗粉影响烧结的作用机理：一是磁铁块矿亲水性弱于褐铁矿或赤铁矿型进口粗粉，替代后混合料+3mm下降。二是替代同比例港口粗粉时，小幅降低固体燃料配比可提升烧结指标，在15%磁铁块矿配比下，降燃料的效果更为明显。核心原因是磁铁块矿颗粒较大，多分布在制粒小球内部，氧化释热过程延后，与固体燃料的燃烧放热形成叠加效应，可提升烧结料层最高温度、延长高温保持时间、降低冷却速度，改善烧结成矿效果。

（4）磁铁块矿用于烧结的工业应用效果

2023年3月，依据中南大学研究成果，建龙北满新建锥式破碎机调控磁铁块矿粒级，用破碎后的磁铁粗粉替代港口粗粉。经化学成分与冶金性能综合配矿和烧结工艺调控，在100%全磁粉烧结时保持生产与质量稳定。

取消港口粗粉后制粒效果，磁铁粗粉作为核颗粒，增加配水量稳定制粒效果。主管负压增幅约1kPa，下调燃料后料层800mm，高返抑制流动性使负压接近原配比水平。磁铁粗粉替代塞拉利昂粉，转鼓强度仍为78%。塞拉利昂矿特性差，磁铁粗粉替代后，混合料液相流动性与粘结强度升高。下调燃料配比、控制烧结氛围后，烧结主管负压小幅上升，实现配加15%磁铁块矿的全磁铁矿烧结，固体燃耗从51.3kg/t降至低于50kg/t。

3、研发了基于制粒与成矿性能互补的高比例氧化铁皮烧结技术

查明氧化铁皮在烧结过程的反应行为，明确弱亲水性、低成矿温度是限制其高比例配加的主要因素，研发了基于制粒与成矿性能互补的高比例氧化铁皮烧结技术，同步实现烧结配加比例超30%和降低炼钢过程外加合金物料的消耗。

（1）查明氧化铁皮的基础特性，并明确了强化制粒与抑制液相的互补强化方法

氧化铁皮表面有油膜、亲水性差，不利于制粒，高比例配加会恶化透气性。红土镍矿静态成球性指数较优，可利用红土镍矿高成球性与氧化铁皮弱成球性互补，改善制粒效果。

氧化铁皮同化温度1229℃，易生成液相，流动性指数4.67，成矿性能较优，高比例氧化铁皮搭配红土镍矿，有利于改善整体烧结物料冷态制粒与热态成矿性能，进一步富集合金元素。

（2）开发了高比例氧化铁皮低碳烧结技术

氧化铁皮从0%提至30%时，烧结成品率从80.56%降至79.36%，转鼓强度从72.33%提至78.27%，平均粒级从22.76mm提至22.97mm；配比提至50%时，虽成品率大幅提高，但转鼓强度从72.33%大幅降至63%，且耐磨指数超20%，表明氧化铁皮比例过大时烧结强度指标下滑。所以，在优化配矿调控制粒、成矿性能基础上，氧化铁皮适宜配加比例为30%，且燃料配比从4%降至3.5%可实现低碳烧结。

（3）高比例氧化铁皮烧结的应用效果

建龙北满于2025年推动氧化铁皮集中烧结，用量逐步从0%逐步提至30%。因氧化铁皮中FeO氧化成Fe₂O₃会大量放热，生产中把燃料配比从3.9%降至3.1%。 

运行参数：①30%氧化铁皮搭配5%镍矿，制粒后≥3mm粒级≥75%，满足要求。②烧结负压上升约1.71kpa，因铁皮增大料层阻力，垂直燃烧速度下降1.1mm/min。③基于FeO氧化放热特性，燃料从3.9%下调至3.1%，与理论计算基本吻合，总结出燃料调整规律：每提升10%氧化铁皮下调0.3%燃料。④烟气温度119-132℃，随着氧化铁皮提高，废气温度逐步上调，最高132℃，电除尘器运行稳定。

(a) 未配加氧化铁皮；(b)配加30%氧化铁皮；(c)配加50%氧化铁皮

图4 配加不同比例氧化铁皮的制粒和烧结效果

（4）氧化铁皮中合金元素在冶炼过程的回收效果

烧结配加氧化铁皮，可在回收铁素的同时，将其中合金元素通过烧结矿引入炼铁、炼钢流程实现回收：Ni从0.0181%升至0.099%，Mo从0.0052%升至0.0649%。高Cr、Ni、Mo烧结矿入高炉后，铁水对应合金元素同步富集：Ni从0.03%升至0.16%，Mo从0.001%升至0.041%。2025年北满高炉集中配吃高合金落地矿3次（高炉比例50%），次均16小时，炉况顺行，炼钢厂用该铁水冶炼46炉Ni、Mo钢，降低合金用量3.42吨，创造效益49.94万元。

三、主要创新性成果

1.开发出全磁粉烧结技术，为大量利用我国东北和西北区域储量丰富、性价比较高的磁铁块矿资源，提供了重要的技术支撑。基于磁铁块矿物化特性与冶金性能进行粒度调控和配矿优化，通过选矿-烧结-高炉多工序使用技术的研究，实现了100%磁粉烧结，全部取消港口外矿资源。磁铁精粉与磁铁粗粉以4.5:1的比例烧结，料层厚度≥800mm，烧结矿还原性75%；高炉炉料结构中磁铁块矿比例保持6%的较高水平。

2.研究突破了磁铁粗粉在烧结中高比例使用的技术难题。提出了烧结过程适当延缓Fe₃O₄放热与固体燃料燃烧匹配的理念，通过调控磁铁块矿破碎粒级，解决了传统磁铁粉在粘附粉中过厚带来的对制粒效果影响的问题，明确了烧结矿质量最佳的磁铁块矿粒度组成范围（-0.5mm含量<20%、3-5mm含量介于20%-30%）；通过烧结生产工艺过程控制，在磁铁粗粉比例≥15%情况下，烧结矿质量和烧结生产技术经济指标良好，攻克了磁铁块矿在铁前工序难以高比例使用的难题。

3.在行业首次开展了高比例氧化铁皮集中烧结—高炉冶炼的研究和实践，形成了使用高合金氧化铁皮生产富合金铁水的冶炼技术；通过粒级控制与配矿优化，控制烧结液相流动性，建立了氧化铁皮配比与烧结燃料配比的关系。集中烧结的氧化铁皮的比例超过30%，实现了铁水中Ni、Mo等合金元素的富集，增加了炼钢利用高合金氧化铁皮的能力，解决了锻造等企业氧化铁皮回收利用的难题，并实现铁钢工序联合降本。

四、应用情况与效果

本技术成果于2023年开始在建龙北满特殊钢有限公司应用，目前已经推广到西林钢铁、阿钢建龙以及马来东钢等企业。

本技术取得了显著经济与社会效益，建龙北满高炉直接应用磁铁块矿比例稳定达成6%，烧结应用破碎后的磁铁粗粉比例15%，氧化铁皮集中烧结比例30%。项目开展以来磁铁块矿使用82.16万吨，氧化铁皮使用3.15万吨，合计创效22447万元。

信息来源：建龙北满特殊钢有限责任公司