科技新进展：带式焙烧机高比例赤褐铁矿球团绿色高效集成技术与应用

一、研究的背景与问题

实现“碳达峰、碳中和”是一场广泛而深刻的经济社会系统性变革，钢铁工业的绿色转型升级是积极稳妥推进“双碳”战略的重要引擎。钢铁生产能源消耗和碳排放主要在炼铁工序，其中炼铁工序碳排放与能耗占比分别高达82.8%和69%。球团工艺较烧结节能降耗效益显著，加快发展球团技术是现阶段我国钢铁工业绿色转型升级和新质生产力内涵式发展的主要方向之一。

长期以来，我国球团生产原料以磁铁精矿为主流矿种，赤褐铁粉矿（赤铁矿以及含结晶水的褐铁矿、半褐铁矿等）通常用于烧结工序。矿产资源储量表明，赤褐铁粉矿在全球范围内分布更为广泛，价格优势突出。开辟赤褐铁粉矿在球团中的应用对拓宽球团原料来源、降低生产成本意义重大，并与钢铁行业“双碳”战略目标高度契合。然而，赤褐铁粉矿需磨矿预处理后才能用于生球制备，该过程在实际应用中仍面临若干技术难题：（1）干式磨矿效率低，设备损耗严重，且对于含有结晶水的褐铁矿，干磨时易结块，效率进一步降低；（2）湿式磨矿后易产生泥化锁水现象，脱水难度大，导致滤布堵塞；（3）焙烧温度高且适宜区间窄，赤褐铁矿原生Fe₂O₃不仅需要相对较高的再结晶温度（通常1300℃左右），且体系缺少氧化放热过程，赤褐铁矿球团往往存在着固结难、强度低、焙烧温度区间窄等系列问题。此外，赤褐铁粉矿具有亲水性强、黏性高等特点，在成球过程中可减少膨润土依赖，有利于进一步降低生产成本、提高球团品位、减少碳排放。然而，低膨润土添加量会导致造球适宜水分区间变窄、水分控制难、爆裂温度降低等不良后果。

为充分发挥赤褐铁粉矿球团化技术优势，亟需开展高比例赤褐铁粉矿球团相关基础理论、关键技术、核心装备的系统攻关，进行全面技术创新，以期实现球团原料种类拓展，大幅降低膨润土消耗和生产成本，为促进炼铁工艺的低碳绿色转型提供技术支撑。

二、解决问题的思路与技术方案

针对上述问题，中天钢铁集团（南通）有限公司联合安徽工业大学、北京科技大学和中冶长天国际工程有限责任公司，在国家自然科学基金面上项目、安徽省杰青项目以及多项校企产学研项目的持续支持下，系统解析赤褐铁粉矿球团化技术实施问题及其原因，连续开展了三大关键技术攻关：“多级湿式磨矿改性-多工序协同强化脱水的粉矿球团化生产技术与装备”、“高比例赤褐铁粉矿零膨润土成球理论与受限条件生球质量智控系统”及“高比例赤褐铁矿球团镁铝组分调控与内配碳协同强化焙烧成套技术”。

最终构建了带式焙烧机高比例赤褐铁矿球团绿色高效集成技术，技术思路如下图：

三、主要创新性成果

1、首创多级湿式磨矿改性-多工序协同强化脱水的粉矿球团化生产技术与装备

针对赤褐铁粉矿磨矿效率低、脱水难度大等问题，提出基于多级湿式磨矿的铁矿颗粒成球改性与多工序协同强化脱水新思路，开发了适应多种原料条件的球磨-塔磨双级湿式磨矿装备与工艺系统。构建了非主流铁矿石成球-沉降-压滤理化特性数据库，揭示了铁矿石颗粒在静态沉降过程的磁性团聚行为。基于矿石可磨性、沉降性、脱水性、铝硅含量等理化性能互补原则，提出了软硬质矿搭配的组合磨矿工艺。研发了基于矿粉性质差异的宽适配高效絮凝剂，揭示了关键聚合链对悬浮固体颗粒表面电荷作用机制，查明了高效絮凝剂、“软-硬”组合磨矿、铝硅组分调控协同强化脱水作用机制，形成 “双级湿式磨矿-絮凝沉降-板框压滤”的粉矿成球性能强化调控成套技术与装备，实现球团原料粗粉矿配比达到40%以上，是非主流粉矿球团化技术的原创性突破。

2、揭示高比例赤褐铁矿零膨润土成球机理并开发了受限条件生球质量智控系统

研究揭示了赤褐铁粉矿理化性能对颗粒间聚合粘结作用机制，重点解析了液桥形态对颗粒间弹塑性的影响，查明了基于液桥理论和力种耦合平衡原理的赤褐铁粉矿细化成球机理，形成了以生球质量为目标的高比例赤褐铁粉矿自磨工艺体系，实现膨润土单耗降低12.89kg/t，配比量长期低于0.5%，年化效益达到1654.56万元，特定原料条件下实现零膨润土成球的突破。

针对超低膨润土消耗导致的造球水分区间变窄、工况波动频繁等问题，开发了基于图像识别与多模型融合的智能造球与水分调控系统，创新性地应用生成对抗网络（GAN）、变分模态分解（VMD）、循环神经网络（RNN）和自注意力机制（Attention）融合算法，实现了球团成型过程多维度数据的秒级深度解析，建立了智能控水系统与整体粒径分布的精确映射，确保复杂环境与受限条件下球团尺寸和质量的稳定调节，合格生球粒级平均值达到97.5%，突破了高比例赤褐铁粉矿零膨润土成球难题。

3、发明了高比例赤褐铁矿球团镁铝组分调控与内配碳协同强化焙烧成套技术

系统研究了典型脉石组分对球团液相生成量的热力学作用规律，揭示了不同Al₂O₃含量下镁铝组分对球团液相生成量的热力学作用机制，掌握了基于液相生成量的球团抗压强度调控机制，建立了面向高铝赤褐铁矿球团的高镁铁矿资源低成本配矿体系，球团MgO含量达到1.8%，抗压强度大于2300N/Pellet。

提出了基于带式焙烧机料层特点的高比例赤褐铁矿内配碳强化焙烧制度，揭示了赤褐铁矿球团 “原生Fe₂O₃磁化还原-次生Fe₃O₄再氧化-新生Fe₂O₃再结晶” 的固结路径，创新性地配加焦化除尘灰为碳源，查明了配碳量、赤铁矿比例及焙烧温度与球团强度间的耦合作用机制，焦化除尘灰配比0.3%，实现赤褐铁矿比例最高达到82.34%，抗压强度大于2500N/Pellet，球团焙烧温度和煤气消耗分别降低26℃和8.33m³/t，年化效益达到13292.4万元。

本项目获授权专利32项，其中发明专利19项，发表学术论文26篇。

四、应用情况与效果

本项目成果自2022年7月起在中天钢铁集团（南通）有限公司300万吨带式焙烧机应用以来，生产指标实现了巨大突破，取得了显著的经济和社会效益：

球团原料结构大幅优化：赤褐铁矿比例最高达到82.34%。

膨润土消耗显著降低：球团膨润土配比控制在0.5%以下。

经济效益显著：2022年7月至2025年10月，累计实现直接经济效益50449.8万元，年均减少碳排放超过2.5万吨。

信息来源：中天钢铁集团（南通）有限公司