肖祖斌¹  滕宇¹  张海岩¹   魏青阳¹

（建龙西林钢铁有限公司）

摘要：为实现低碳炼铁和降低铁前成本，建龙西林钢铁有限公司联合北京科技大学，开展了高硅碱性球团制备及高炉高球比冶炼技术的系统研究。针对高硅碱性球团固结机理不明确、球团粘结与还原膨胀、高炉碱负荷锌负荷偏高以及高球比冶炼操作难度大等技术难点，通过成分设计优化、带式焙烧机工艺参数调控、富氧烧结改造和高炉操作制度创新，实现了SiO₂含量5.5%~6.0%、碱度1.05~1.15条件下碱性球团的稳定工业生产，高炉球团入炉比例达到55%，同步配加5%俄罗斯磁铁块矿，形成了"1台504 m²带式焙烧机+1台300 m²烧结机+3座高炉"的铁前工艺布局。生产实践表明，高炉炉况稳定顺行，燃料比显著降低，吨铁成本有效下降，为同类型钢铁企业提供了有益参考。

关键词：高硅碱性球团；高炉高球比；带式焙烧机；炉料结构；低碳冶炼

1  引言

球团矿相较于烧结矿具有显著的低碳优势：球团工序能耗仅为烧结工序的40%~50%，吨球团CO₂排放量约为烧结矿的37%。提高高炉入炉球团矿比例（简称"高球比"），不仅能够直接降低炼铁工序的碳排放，还可以减少烧结机产能需求，进一步降低污染物排放。因此，高炉高比例球团矿冶炼技术已成为当前中国钢铁工业绿色低碳发展的重要技术方向。

建龙西林钢铁有限公司（以下简称"建龙西钢"）地处黑龙江省伊春市，距港口较远，长运距港口粉矿价格劣势明显。为降低原料成本、提升近域资源占比，建龙西钢于2024年联合北京科技大学共同研发高硅碱性球团矿制备及高炉大比例使用技术。经过两年的技术攻关与生产实践，成功实现了SiO₂含量4.5%~6.0%、碱度1.05~1.15条件下碱性球团性能的多目标优化控制，高炉球团比例提至55%，同步配加5%俄罗斯磁铁块矿，有效降低了高炉吨铁成本及能耗，实现了炼铁生产低耗低成本冶炼。

本文系统总结了建龙西钢在高硅碱性球团制备及高炉高球比冶炼方面的技术研究和生产实践，涵盖高硅碱性球团成分选定与生产参数优化、高精粉配比烧结矿生产实践以及高炉高球比冶炼操作技术等方面，旨在为同类型钢铁企业提供技术参考。

2  高硅碱性球团生产实践

建龙西钢有一台504 m²带式焙烧机，设计年产球团矿400万吨。为适应高炉高球比冶炼的需求，开展了高硅碱性球团的系统研究，包括成分选定、化学控制标准制定和生产参数优化

2.1  硅碱性球团成分选定

球团化学成分是决定其冶金性能的关键因素。建龙西钢联合北京科技大学，系统研究了SiO₂含量（4.5%~6.0%）和碱度（R=0.8~1.4）对球团还原性能的影响规律，并研究了MgO、Al₂O₃、K₂、Na₂O和TiO₂等次要成分的作用机制

2.1.1 SiO₂含量和碱度的影响

研究表明，不同SiO₂含量条件下，球团还原度随碱度升高呈先升高后下降的趋势，碱度R=1.2时达到最优，还原度可达80%以上。当SiO₂含量从4.5%升至5.0%时，提升碱度可改善球团还原性和还原速率指数，但对还原膨胀率的影响不大。当SiO₂含量达到5.5%时，全部碱度梯度下的球团还原膨胀指数均低于20%，满足高炉冶炼要求。当SiO₂含量进一步升至6.0%时，球团还原性能随碱度升高仍呈现先升后降的趋势，R=1.2为最优碱度。总体来看，高硅球团随SiO₂含量提升，还原性呈变差趋势，SiO₂超过4.5%后还原性下降幅度增大。综合考虑还原性和强度指标，建龙西钢将碱性球团的SiO₂控制范围选定为5.5%~6.0%，碱度控制为1.05~1.15。

2.1.2 MgO的影响

MgO对熔剂性球团的冶金性能具有重要影响。研究结果表明，固溶在赤铁矿晶格内的镁离子能够提升赤铁矿的结构稳定性，减慢还原过程中Fe₂O₃向Fe₃O₄转变的速度，从而降低球团的内应力，有效抑制还原膨胀。同时，适量的MgO有助于改善球团的高温软熔性能，使软化区间变窄。综合考虑，建龙西钢将MgO含量控制在1.2%~1.8%范围内。

2.1.3 Al₂O₃的影响

Al₂O₃对碱性球团还原行为的影响机制较为复杂。研究表明，高铝系SFC液相能够加速还原反应，使球团表面快速生成金属铁壳。但Al₂O₃含量的增加也会导致球团还原膨胀率升高，这是因为Al³⁺取代Fe³⁺进入赤铁矿晶格，引起晶格畸变，增加了还原过程中的内应力。建龙西钢通过控制原料中铝含量，将球团Al₂O₃含量控制在2.0%以下。

2.1.4 碱金属（K₂O、Na₂O）的影响

K⁺离子半径大于Fe³⁺，还原过程中碱金属会侵入铁氧化物晶格，引起晶格膨胀，导致球团还原膨胀率显著升高。与酸性球团不同的是，在碱性球团条件下，Na₂O的引入会降低液相粘度，促进液相均匀包裹颗粒，有利于球团固结，但过量Na₂O仍会导致还原膨胀加剧。建龙西钢严格管控原料中碱金属含量，要求球团K₂O+Na₂O总量不超过0.35%。

2.1.5 TiO₂的影响

建龙西钢使用的矿粉中含有一定量的TiO₂。研究显示，当球团碱度达到1.1且球团中有足够的自由CaO时，TiO₂能够与CaO反应生成钙钛矿（CaTiO₃），有利于改善球团强度。但过高的TiO₂含量会增加渣量，影响高炉冶炼经济性。建龙西钢将TiO₂含量控制在0.5%以下。

2.2 碱性球团化学成分控制标准

基于上述研究，建龙西钢制定了高硅碱性球团的化学成分控制标准。核心控制思路为：CaO-SiO₂决定液相基础，MgO-Al₂O₃调节液相稳定性，碱金属和锌等有害元素严格上限控制。具体控制指标为：TFe≥58.0%，SiO₂ 5.5%~6.0%，R（CaO/SiO₂）1.05~1.15，MgO 1.2%~1.8%，Al₂O₃≤2.0%，K₂O+Na₂O≤0.35%，Zn≤0.05%。

2.3 高硅碱性球团生产参数

结合石灰石粉的特性，建龙西钢制定了配加石灰石粉生产低碱度球团方案。热工制度方面，确定了适宜的预热温度（1050~1100°C）和焙烧温度（1250~1280°C），通过控制焙烧时间在15~20 min，确保球团充分固结。造球参数方面，控制水分7.5%~8.5%，造球时间12~15 min，生球落下强度≥8次/0.5m，生球抗压强度≥13N/个。

2.4 高硅碱性球团生产实践效果

2026年高炉提高球团配比后，原料结构以俄境精粉、建龙矿业精粉为主，搭配部分港口粉。2026年4至6月，球团碱度按1.1±0.05控制，抗压强度达到2897.46 N/个，超过行业标准。冶金性能检测结果表明：球团高温熔滴性能软化区间较窄，软化过程平稳；还原膨胀指数控制在15%以下，低温还原粉化指数（RDI+6.3mm）≥75%，综合冶金性能满足高炉高比例使用要求。

球团成分

球团冶金性能

3 高精粉配比烧结矿生产实践

随着高炉球团比例提高至55%，烧结矿入炉比例相应降至40%。为适应球团比例大幅提升后的炉料结构变化，建龙西钢对烧结工序进行了配套改造和工艺优化，重点开展了富氧烧结技术应用和经济铁料特性研究。

3.1 富氧烧结技术应用

为弥补烧结矿比例下降带来的产量缺口，建龙西钢在300 m²烧结机上实施了富氧烧结改造。氧气接管对接厂区中压氧气管道，按照DN65氧气接管→流量计→调节阀→快速切断阀→金属软管的流程配置，在烧结机料面喷吹氧气。300 m²富氧烧结持续稳定运行，通过对烧结料面喷吹氧气，加快了烧结料层中碳的燃烧速度，提高了燃烧带温度，从而提高了烧结矿产量和强度，同时降低了固体燃耗。

3.2 经济铁料特性研究与使用

为降低原料成本，建龙西钢联合东北大学实验室，同步测定了烧结、球团用经济铁料的基础特性、成矿行为和使用性能。研究对象包括魏桥粉、塞粉、镍矿、印度粉等高铝经济料，以及硼精粉等特殊矿种。通过实验室烧结杯试验和工业验证，掌握了各类经济铁料的适宜配比范围和对烧结矿质量的影响规律。

3.3 高精粉烧结生产实践

随着港口富矿粉比例逐步降低，分别经历了33%、15%和0%三个阶段。烧结矿性能指标显示：随着富矿粉比例从33%逐步降低至15%再到0%，烧结矿转鼓强度略有下降但仍保持在78%以上，固体燃耗上升约2~3 kg/t，但综合原料成本显著降低。通过优化配矿结构和调整烧结工艺参数，在全部使用精粉条件下实现了烧结矿的稳定生产。

4 高炉高球比冶炼生产实践

建龙西钢现有3座高炉（2×1260 m³+1×1080 m³），年铁水产能约400万吨。在高球比冶炼实践中，重点解决了碱锌负荷控制、炉料结构优化和冶炼操作技术三个方面的难题。

4.1 高球比生产面临的问题

建龙西钢主流低硅矿粉碱金属和锌含量较高，导致高炉入炉碱负荷和锌负荷偏，高碱负荷＞5kg/t，锌负荷＞0.5kg/t。碱金属在高温还原条件下会反复循环富集，侵蚀炉衬、破坏焦炭强度，导致高炉透气性恶化。同时，随着入炉球团矿比例的提高高炉块状带炉料粒度差值变大，块状带炉料空隙度呈下降趋势，由于球团矿堆积角较烧结小6-7°，布料过程中更容易向料流两侧滚动，导致高炉中心以及边缘煤气流减弱；为解决高球比冶炼炉内煤气流的平衡，通过料制调整疏导两道气流、提升鼓风动能等手段，保证高炉的稳定顺行。

4.2 综合炉料结构优化

炉料结构优化是实现高球比稳定冶炼的基础。随着碱性球团矿入炉比例的提高，软化开始温度有所升高，软熔带位置上移。建龙西钢经过多次工业试验，确定了"55%碱性球团+40%烧结矿+5%俄罗斯磁铁块矿"的炉料结构。该结构下综合炉料的高温软熔性能参数得到优化，软熔带区域的阻力损失下降。通过搭配使用俄罗斯磁铁块矿，有效降低了烧结产量压力，并改善了高炉透气性。

4.3 碱锌负荷控制与应对

入炉负荷管控：结合矿粉有害元素综合测算有害元素负荷，炼钢细灰及高炉重力灰择机配入，含锌高的箱体灰外销阿钢，碱金属高德烧结电场灰外卖。完善高炉排锌、排碱管理制度，对不同炉料结构炉渣特性进行研究，确定不同球比及物料条件，炉渣适宜镁铝比与碱度操作区间，通过“降碱”提高日常排锌、碱率及异常情况排碱操作应急处置方案，稳定炉况顺行

渣中Al₂O₃<15%、焦炭质量稍差，碱负荷较高时：兼顾排碱放硫提硅，R=1.15±0.02，M/A=0.62±0.02，物理热：>1480℃

当渣中Al₂O₃<15%，焦炭质量好，碱负荷低时：炉渣R=1.22±0.02， M/A=0.55±0.02，物理热>1480℃

渣中Al₂O₃>15%，焦炭质量稍差，碱负荷较高时：兼顾排碱放硫提硅，炉渣成分控制R=1.12±0.02，M/A>0.67 ，物理热>1510℃

渣中Al₂O₃>15%、焦炭质量好、碱负荷低时：炉渣成分控制R=1.20 ，M/A>0.60物理热：>1510℃

4.4 高球比冶炼操作技术

装料制度：结合北科大布料模型预测，制定混装排料（大粒烧结单排放在料序头尾），保证球团在整个料段的20%--70%之间。针对气流情况，开放中心兼顾边缘。

 送风制度：西钢高炉与外厂同级别高炉相比风口数量少，操作上坚持大风量的使用，通过加长风口及提高风量5%，保证足够的鼓风动能，配合装料制度调整，稳定煤气流分布和活跃炉缸工作状态。

热制度：严格控制炉温在（4#高炉：0.35%-0.45%，5#、6#高炉：0.3%-0.4%）的方针范围内，保证铁水物理温度在（4#高炉：1470℃-1490℃，5#、6#高炉：1480℃-1500℃）的方针范围内，在此热制度下， 渣铁流动性、炉缸工作状态及铁水质量可满足高炉冶炼要求。

4.5 高球比冶炼效果

通过上述技术措施的实施，建龙西钢三座高炉成功实现了55%球比+5%块矿的炉料结构，充分发挥了带式焙烧机的产能和工艺优势。形成了"1台504 m²带式焙烧机+1台300 m²烧结机+3座高炉"的"1+1+3"铁前工艺布局。烧结矿比例从70%以上降至40%，球团矿比例从25%左右提升至55%，有效降低了港口富矿配比。高炉各项技术指标稳步提高，燃料比显著降低，吨铁成本有效下降，实现了铁前成本最优的生产组织模式。

5 结论

（1）建龙西钢通过系统研究SiO₂含量、碱度、MgO、Al₂O₃、碱金属和TiO₂等因素对高硅碱性球团冶金性能的影响，确定了最优成分控制范围：SiO₂ 5.5%~6.0%，碱度1.05~1.15，MgO 1.2%~1.8%。在带式焙烧机上实现了高硅碱性球团的稳定工业生产，球团抗压强度达到2897.46 N/个，还原膨胀指数控制在15%以下，冶金性能满足高炉使用要求。

（2）通过富氧烧结技术改造和经济铁料特性研究，在300 m²烧结机上实现了高精粉配比条件下的稳定烧结生产，为高炉高球比冶炼提供了优质的烧结矿保障。

（3）建龙西钢成功将高炉球团入炉比例提升至55%，同步配加5%俄罗斯磁铁块矿，形成了"55%碱性球团+40%烧结矿+5%块矿"的炉料结构。通过建立碱锌负荷管控体系、优化装料制度和送风制度，实现了高炉的稳定顺行。

（4）铁前系统形成了"1台504 m²带式焙烧机+1台300 m²烧结机+3座高炉"的"1+1+3"工艺布局，实现了铁前成本最优的生产组织模式，有效降低了吨铁成本和碳排放，为同类型钢铁企业提供了有益参考。

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