科技新进展：难处理铁矿制备多品种优质球团矿关键技术与应用

一、研究背景与问题

为加快实现钢铁工业“双碳”目标，大力发展铁矿氧化球团生产，推广应用大配比球团高炉冶炼技术，被公认为是我国钢铁“长流程”生产实现绿色低碳转型重要路径。然而，我国优质铁矿资源匮乏，经联合选矿工艺获得的细粒铁精矿具有表面亲水性差、粒度组成不合理、杂质组分含量高等特性，当用于球团生产时，存在生球制备难、球团强度低、冶金性能差等共性问题，导致生产过程粘结剂配比增加、生产效率降低、工序能耗提升。因此，研究如何大幅提高细粒难处理铁矿在球团生产中的使用比例，生产综合性能优良的氧化球团矿意义重大。

高炉炼铁生产实践表明，当采用大配比球团进行冶炼时，由于入炉高碱度烧结矿配比下降，为优化炉渣性能，亟需大量生产较高碱度的熔剂性球团或碱性球团。然而，当前国内球团产品绝大部分为酸性球团（占比＞95%），缺乏难处理铁矿生产熔剂性球团和碱性球团相关技术。传统铁矿球团固结理论认为，氧化球团以赤铁矿再结晶固结为主，焙烧过程形成的少量液相对固相固结起促进作用，过多液相会导致球团矿产质量指标下降。近年来，随着球团生产快速发展，国内外学者开始关注不同品种球团内液相生成行为及其对球团质量的影响，但大部分研究仅定性考虑了液相生成量对球团固结强度的影响，并没有系统考虑液相对球团还原性能的影响。实际上，当采用难处理铁矿生产熔剂性球团或碱性球团时，球团内液相生成量和成分必然和酸性球团有明显差异，这对球团固结强度和冶金性能势必产生重要影响。

针对上述问题，项目团队创新性提出“通过液相调控同步优化难处理铁矿球团固结强度和还原性能”技术思路，自2004年开始，在国家自然科学基金、国家科技支撑计划等项目支持下，系统开展难处理铁矿制备优质多品种球团矿的基础理论、关键技术和工业应用研究，有力支撑了包钢集团、扬州泰富公司的多品种氧化球团矿生产的提质增效，为大配比球团高炉冶炼亟需的优质球团炉料低能耗生产提供了可靠理论和技术指导。

二、解决问题的思路与技术方案

针对难处理铁矿生产多品种球团过程存在的“生球制备难、球团强度低、冶金性能差”等共性问题，项目团队历经20余年，系统开展了难处理铁矿制备优质多品种球团矿的基础理论、关键技术和工业应用研究。主要研发历程如图1所示，整体研究思路与技术路线如图2所示。

本项目在多尺度表征典型难处理铁矿物理化学属性基础上，查明液相含量及成分对多品种球团固结强度和还原性能的影响机制，开发出典型难处理铁矿生产多品种球团的关键技术，包括：1）高硫铁矿（S≥1%）链-回-环工艺稳定生产碱性球团技术；2）高硅铁矿（SiO₂≥7%）低能耗生产多品种氧化球团技术；3）难处理铁矿制备高性能中值碱度熔剂性球团技术。在此基础上，构建难处理铁矿制备多品种球团的液相调控理论与关键技术体系，并实现工业应用。

图1 项目主要研发历程

图2 项目整体研究思路与技术路线

三、主要创新性成果

1、创建了基于液相调控的难处理铁矿球团制备理论体系，为难处理铁矿制备优质多品种球团关键技术开发奠定理论基础。

针对难处理铁矿球团焙烧过程液相对球团质量影响规律不清晰等问题，查明了典型难处理铁矿球团焙烧过程液相生成行为，揭示了液相对多品种球团固结和还原性能影响机制，建立了液相成分与含量协同调控球团强度和还原性能原则方法，创建了基于液相调控的难处理铁矿球团制备理论体系，支撑难处理铁矿制备优质多品种球团关键技术的开发。

图3 基于液相调控的难处理铁矿球团制备理论体系

2、开发了高硫铁矿链-回-环工艺生产碱性球团关键技术，首次实现长周期稳定顺行。

针对高硫铁矿链-回-环工艺生产碱球存在生球制备难、产品质量指标差、回转窑易结圈等问题，依据液相调控理论，确定了碱性球团配矿优化方案和生球质量强化措施，查明了含硫组分迁移转化对球团质量影响规律，提出了基于链箅机热工优化提升预热球团质量技术方案；揭示了碱性球团生产过程回转窑结圈的根本原因，开发出基于窑内热场分布优化的回转窑结圈防治技术，国际上首次实现高硫铁矿链-回-环工艺生产碱性球团的长周期稳定顺行，为包钢实现55%大球比冶炼生产提供了优质碱性球团。

图4 高硫铁矿链-回-环生产碱性球团关键技术及其应用

整体技术自2024年1月起在包钢实现工业应用，碱性球团产质量指标改善明显（如图4），成品球团矿抗压强度由2000N增加至2450N，脱硫率由83%增加至91%以上，还原膨胀率由＞18%降低至＜15%；球团日产量提高300吨，煤耗降低2kg/t；回转窑结圈周期由15天提升至45天以上。

3、研发出高硅铁矿低能耗生产酸球/镁球/钛球系列关键技术并实现工业应用。

针对细粒高硅铁矿（SiO₂≥7.0%）生产多品种球团存在的造球返料量大、焙烧温度高、产品还原度低等问题，开发了基于配料方案和智能造球协同优化的生球制备技术，查明了添加剂和热工制度对高硅铁矿球团液相生成行为和产品质量影响规律，开发出基于液相调控的高硅铁矿制备酸球/镁球/钛球系列技术，构建了链-回-环生产系统一体化智能管控平台，在扬州泰富公司实现了大规模工业应用。

图5 高硅铁矿生产多品种球团系列技术及其应用

4、开发出高性能熔剂性（R=0.6-1.0）球团制备关键技术并实现工业应用，突破了难处理铁矿在中值碱度范围内无法生产合格球团产品的碱度禁区。

图6 高性能熔剂性（R=0.6-1.0）球团制备关键技术及其应用

针对业界普遍认为中值碱度熔剂性球团还原过程存在“恶性膨胀”的问题，探明了液相含量和碱性组分对球团还原度和还原膨胀影响规律，查明了中值碱度球团还原恶性膨胀根本原因，阐明了MgO耦合液相调控球团固结强度和还原性能作用机制，提出协同调控MgO和液相同步优化球团还原度和还原膨胀性能新策略，形成高性能中值碱度球团制备关键技术，突破了铁矿在中值碱度范围内无法生产优质熔剂性球团的碱度禁区。以高硫铁矿和高硅铁矿为原料，实现了高性能熔剂性球团的工业生产。

四、应用情况与效果

该成果建立了基于液相组分和含量协同调控的难处理铁矿多品种球团制备理论和技术体系，以干勇院士、张建良教授为主任的科技成果鉴定委员会专家一致认为：该理论为国内外首创，该项科技成果达到国际领先水平。本成果先后应用于包钢集团、扬州泰富两家公司，自2020年起，累计生产优质氧化球团超4000万吨、创造利税超29亿元。该项目突破了传统球团生产要求铁矿原料铁品位高、杂质含量低的限制，扩大了球团生产可利用铁矿资源范围，有力推动了我国铁矿球团生产技术进步。项目完成过程中，授权国家发明专利16项，发表学术论文27篇（SCI论文12篇），培养硕士、博士14人，参与制定国家标准2项，为钢铁企业培训技术骨干100余人。

1、包钢集团应用情况

自2004年起中南大学与包钢合作，系统开展了高硫含氟铁矿制备多品种球团基础研究，形成了“通过液相调控高硫铁矿球团固结行为和还原性能”理论体系，开发出多项创新技术并实现应用：①开发了基于硅基液相协同MgO调控酸性球团质量关键技术，实现了成品球团强度高于2300 N/个，还原膨胀率降低至16%以下，大幅提高白云鄂博铁矿使用比例；②开发出高硫精矿（S>1%）链-回-环工艺生产碱性球团关键技术，实现了球团强度提升至2400 N/个以上，还原膨胀率保持在16%以下，球团产量提升10%；③开发出抑制中值碱度（0.6~1.0）熔剂性球团还原恶性膨胀的关键技术，在带式焙烧机生产线完成了工业验证试验，球团产品质量优良。

2、扬州泰富特种材料有限公司应用情况

自2018年起，中南大学与扬州泰富公司合作，系统开展了高硅磁铁矿生产多品种球团关键技术与应用研究，形成了“通过调控液相同步改善高硅铁矿多品种球团强度和还原性能”核心理论和关键技术体系，并实现工业应用：①开发了基于原料配矿优化和改性粘结剂协同调控高硅铁矿生球质量技术，实现铁矿原料和膨润土成本降低的双重效益；②开发了高硅铁矿生产多品种球团系列技术，针对酸性球团，通过液相调控解决焙烧温度高、冶金性能差的难题，实现工业稳定连续生产，焙烧温度降低15℃、球团生产煤耗降低0.42 kg/t，球团强度＞2800N/个、还原度＞65%、还原膨胀＜13%；此外，镁球、钛球、中值碱度熔剂性球团均完成了工业生产，产品各项指标优良。相关成果辐射应用于攀钢西昌钢钒公司、铜陵有色铜冠冶化分公司等单位。

信息来源：中南大学、包头钢铁（集团）有限责任公司、扬州泰富特种材料有限公司