魏志江

河钢宣钢

摘要：富氢竖炉直接还原技术是实现钢铁行业低碳转型的重要路径，而高品质氧化球团矿是该工艺的关键炉料。本文系统综述了富氢竖炉用氧化球团矿制备的研究进展。首先阐述了氢基竖炉对氧化球团矿的质量要求，包括化学成分、抗压强度、还原膨胀率等关键指标；其次从原料特性、粘结剂选择、造球工艺、预热焙烧制度等方面分析了制备工艺的研究现状；重点讨论了碱度调控、还原条件优化和配矿结构对球团冶金性能的影响规律；结合河钢张宣科技、宝武湛江钢铁、中冶赛迪川威等典型工业实践案例，总结了规模化应用的技术经验；最后展望了未来发展方向。研究表明，通过优化原料细度、合理配矿、精准控制焙烧制度以及调控碱度，可制备出满足氢基竖炉要求的优质氧化球团矿，但高品位铁精矿资源短缺和球团还原膨胀等问题仍需进一步攻关。

关键词：富氢竖炉；氧化球团；直接还原；制备工艺；冶金性能；工业实践

1  前言

钢铁行业是中国碳排放的主要来源之一，其CO₂排放量占全国排放总量的15%以上。在“碳达峰”和“碳中和”目标约束下，传统高炉炼铁工艺面临巨大挑战，冶金领域正由传统“碳冶金”向“氢冶金”转变。富氢竖炉直接还原工艺以氢气替代碳作为还原剂，具有高效、低能耗和低碳排放等优点，已成为钢铁行业绿色转型的重要方向。目前，全球主流的富氢气基直接还原工艺以Midrex和HYL-Ⅲ为主，其产量占总产量的80%以上。氧化球团矿是竖炉直接还原的核心炉料，其质量直接影响直接还原铁（DRI）的产质量以及竖炉的顺行。与高炉用球团相比，氢基竖炉对球团的铁品位、脉石含量、抗压强度、还原膨胀率等指标提出了更为严格的要求。2025年4月21日，团体标准《氢基竖炉用氧化球团制备工艺技术规范》（T/CAPS 014-2025）正式发布实施，为氢基竖炉用氧化球团的制备工艺和产品质量控制提供了标准依据。近年来，国内外学者围绕氢基竖炉用氧化球团的原料适配、制备工艺优化、冶金性能调控等方面开展了大量研究工作。与此同时，河钢张宣科技全球首例120万吨氢冶金示范工程、宝武湛江钢铁百万吨级氢基竖炉等一批标志性项目相继建成投产，为氧化球团制备技术的工业化应用积累了宝贵经验。本文系统梳理该领域的研究进展与工业实践，分析关键影响因素，总结技术难点，以期为氢基竖炉用氧化球团矿的制备与应用提供参考。

2  氢基竖炉对氧化球团矿的质量要求

氢基竖炉的还原条件与高炉存在显著差异，其对氧化球团矿的质量要求更为苛刻。根据《氢基竖炉用氧化球团制备工艺技术规范》（T/CAPS 014-2025）以及HYL法相关标准，氢基竖炉用氧化球团需满足多项严格指标。

表1 氢基竖炉用氧化球团矿主要质量指标

Table 1 Main quality indicators of oxidized pellets for hydrogen-based shaft furnace

(1)铁品位是首要指标。氢基竖炉直接还原工艺要求铁精矿TFe质量分数通常不低于69%，制备的氧化球团铁品位需达到67%以上。SiO₂含量需严格控制，一般建议控制在4%以内，因为SiO₂含量越高，直接还原过程中脉石量越大，不仅增加还原剂消耗，还会影响后续电炉冶炼的渣量和能耗。

(2)抗压强度是保证球团在竖炉内完整性的关键。普通成品球团抗压强度一般要求达到2500 N/P以上。研究发现，通过优化焙烧工艺，程潮高品位铁精矿制备的成品球团抗压强度可达3186.8 N/P；配加0.8%印度膨润土时，抗压强度更可提升至3458 N/P。

(3)还原膨胀是氢基竖炉面临的核心问题之一。过高的还原膨胀率会导致球团在竖炉内异常膨胀，进而引发炉料堵塞和竖炉结瘤。HYL标准要求还原膨胀率低于15%。研究指出，随着还原气中氢气比例的提高，球团还原膨胀率呈降低趋势。

3.氧化球团矿制备工艺研究

3.1原料特性与预处理

铁精矿的物理化学特性直接影响球团制备工艺和成品质量。高品质铁精矿需具备高铁品位、低杂质、适宜的粒度和比表面积等特点。

(1)研究表明，铁精矿的粒度对成球性能和焙烧行为有显著影响。通过细磨处理提高铁精矿细度，可增加颗粒比表面积，改善造球过程的成球率和生球强度。王中华等对4种不同产地的高品质铁精矿粉进行了系统研究，发现铁精矿的连晶强度、圆形度、比表面积等指标与球团性能密切相关。

(2)程潮铁矿的研究提供了典型案例。以品位66.14%的普通铁精矿和品位69.51%的高品位铁精矿为原料的对比研究表明：高品位球团生球强度优于普通球团，但普通成品球团的强度总体上优于高品位成品球团，且焙烧温度和时间更低。这表明原料品位的提高并不必然带来成品球团强度的提升，需要在原料选择与工艺参数之间寻求平衡。

3.2粘结剂的选择与优化

粘结剂是影响球团质量和成本的重要因素。传统球团生产多采用膨润土作为粘结剂，但膨润土添加量过大会降低球团铁品位。程潮铁精矿制备氧化球团的研究表明，在膨润土用量为1.1%时，高品位成品球团可达到较好的综合性能。扩试结果进一步显示，配加0.8%印度膨润土时，成品球团抗压强度达3458 N/P，铁品位为67.56%，SiO₂和Al₂O₃质量分数分别为1.82%和1.03%，还原度指数为8.44，950℃的还原膨胀指数为14.7%，>6.3 mm和<3.2 mm低温还原粉化指数分别为83.5%和9.4%，黏结指数为0，满足HYL法氢基竖炉还原用氧化球团还原性能要求。近年来，复合粘结剂和新型有机粘结剂的开发受到关注。矿冶科技集团近期申请了功能化核壳结构粘结剂专利，该粘结剂由复合功能核与化学接枝的聚合物壳构成，可显著提高产品结构的稳定性和可靠性。

3.3造球工艺参数

造球是氧化球团制备的关键工序，生球质量直接影响成品球团的性能。造球水分、造球时间、圆盘倾角和转速等参数需精确控制。程潮铁精矿的研究表明，造球水分对生球指标有显著影响，不同类型铁精矿的最佳造球水分存在差异。对于高品位铁精矿，其生球强度指标优于普通铁精矿，这与其较高的比表面积和适宜的粒度组成有关。

3.4预热与焙烧制度

预热和焙烧是决定成品球团强度的核心环节。焙烧温度、时间、气氛等参数的优化是制备高质量氧化球团的关键。

(1)钒钛磁铁矿（VTM）球团的制备研究表明，在925℃预热18 min、1200℃焙烧25 min的条件下，可获得性能优良的氧化球团，预热球团和焙烧球团的抗压强度分别为516 N/颗粒和2028 N/颗粒。该焙烧球团的还原性指数为0.0428，还原膨胀指数仅2.32%，黏结指数为2.50%，均满足氢基竖炉生产要求。

(2)程潮铁精矿的研究确定了较优的焙烧制度：预热温度975℃、预热时间9 min、焙烧温度1250℃、焙烧时间18 min。配加0.8%印度膨润土时扩试结果进一步验证了该制度的可行性。

(3)回转窑球团产线中，链篦机-回转窑-环冷机各段的温度优化控制是提高球团产质量的重要环节。通过缩短干燥段、延长预热段、改善环冷机热量流通等措施，可有效提升球团质量。

表2 预热温度与预热时间对球团抗压强度的影响（示意数据）

Table 2 Effect of preheating temperature and preheating time  on pellet compressive strength (schematic data)

说明：表中数据依据原文描述“温度升高强度持续增大，时间延长先快速上升后趋于平缓”的趋势合理插值，单位为 N/P，仅用于示意。

表3 典型矿种氧化球团制备工艺参数与关键性能对比

Table 3 Comparison of preparation process parameters  and key properties of oxidized pellets from typical ore types

说明：程潮铁精矿的还原膨胀率满足HYL标准（≤15%），但高于VTM球团。

表4 链篦机-回转窑-环冷机各段温度控制与优化措施

Table 4 Temperature control and optimization measures  for grate-rotary kiln-annular cooler sections

4.球团冶金性能的影响因素

4.1碱度对球团性能的影响

碱度（CaO/SiO₂）是影响氧化球团焙烧和还原行为的重要参数。研究表明，适当提高球团碱度可改善其焙烧性能和富氢还原行为。Shi等研究了碱度对赤铁矿球团的影响，发现随着球团碱度从0.02提高到0.40，焙烧球团获得更高的抗压强度且焙烧时间更短。在富氢还原过程中，最大还原膨胀率从23%降至17%，而抗压强度从500 N/球团提高到1070 N/球团。机理分析表明，具有合适粘度的液相不仅促进了赤铁矿球团的固结，还使还原球团内外层的体积膨胀不同步，从而提高了还原球团的抗应力能力和抗压强度。

表5 碱度对赤铁矿球团富氢还原性能的影响

Table 5 Effect of basicity on hydrogen-rich reduction performance  of hematite pellets

数据来源：文献[17]

4.2还原温度与气氛的影响

（1）还原温度和气氛是影响球团还原行为的关键外部条件。还原温度、气体流量及φ(H₂)/φ(CO)是调控还原过程的核心参数（其中φ(H₂)/φ(CO) 代表氢气与一氧化碳的体积分数之比，即：混合还原气体中H₂与CO的体积浓度比值）。郭正启等系统研究了还原温度、气体流量及φ(H₂)/φ(CO)对赤铁矿氧化球团还原行为的影响。

（2）研究表明，当还原温度从750℃升高至900℃时，金属化率由86.63%显著提高至96.66%。但温度过高也会带来问题——在900℃时，球团内部生成大量铁晶须，使球团出现异常膨胀，膨胀率超过25%。低还原气体流量（10 L/min）使球团还原速率降低且球团内部结构不均匀，粉化和膨胀均加剧；适当提高气体流量，各项指标明显改善。

（3）还原气体中氢气比例的提高可显著改善球团的还原性能。在纯氢（φ(H₂)=100%）气氛下，还原球团的金属化率和抗压强度分别高达96.83%和615 N/P，粉化率和还原膨胀率分别仅为0.11%和4.11%。XRD和SEM分析表明，纯氢气氛下还原球团的铁晶粒均匀且结晶度好，金属铁以层状析出，球团结构更加稳定。适当增加还原气体中φ(H₂)/φ(CO)有助于降低球团还原膨胀率、改善还原过程球团抗压及高温热结性能（其中XRD代表X-ray Diffraction（X射线衍射分析），主要用于物相定性与结晶度分析。SEM代表Scanning Electron Microscope（扫描电子显微镜），主要用于微观形貌与组织结构观察）。

表6 还原温度对球团金属化率的影响（示意数据）

Table 6 Effect of reduction temperature  on pellet metallization rate (schematic data)

说明：数据依据文中关键节点（750℃/86.63%，900℃/96.66%）及“900℃后增速减缓”的描述趋势构建，单位：%。

4.3配矿结构优化

面对高品位铁精矿资源紧张的现状，配矿优化成为扩大原料来源的重要途径。

(1)基于4种高品质铁精矿不同配矿结构的10种配矿系列实验表明，在氧化焙烧温度1250℃、焙烧时间30 min条件下，配矿1系列综合性能最差，氧化球团抗压强度最低、还原膨胀率最高；配矿5系列性能最优，均符合HYL标准还原膨胀率低于15%的要求。10种混合配矿方案中，配料-1系列氧化球团抗压强度最高，达到3432 N/个；配料-4系列抗压强度最低，为3208 N/个，均满足氢基竖炉用高品质氧化球团的质量要求。

(2)南非铜尾矿的利用是配矿研究的典型案例。河钢集团提出将自有铜尾矿作为氢基竖炉炉料，当铜尾矿与高品矿配合使用且配比不超过60%时，球团氢基直接还原性能满足竖炉要求。采用“40%铜尾矿+60%高品矿”的配矿结构进行工业试验，试验期比基准期（100%高品矿）DRI金属化率提高0.97个百分点，达到95.45%。

5.典型矿种氧化球团制备研究

5.1磁铁矿氧化球团

磁铁矿是我国最主要的球团原料。磁铁矿氧化球团制备工艺相对成熟，但制备氢基竖炉用高品位球团仍需严格控制原料品位和杂质含量。高品位磁铁矿精矿经细磨、造球、氧化焙烧后可获得性能优良的成品球团。

5.2赤铁矿氧化球团

赤铁矿球团在富氢还原条件下表现出良好的冶金性能。以全铁质量分数66.67%的赤铁矿为原料、碱度为0.3制备的球团，在优化还原条件下可获得96.83%的金属化率和615 N/P的抗压强度。但赤铁矿球团对还原条件更为敏感，需精确控制温度和气氛参数。

5.3钒钛磁铁矿氧化球团

钒钛磁铁矿是我国特色矿产资源。Tang等确定了钒钛磁铁矿球团的优化工艺参数：925℃预热18 min、1200℃焙烧25 min、1050℃还原。所制备球团的还原膨胀指数仅2.32%，远低于15%的标准要求。这为钒钛磁铁矿在氢基竖炉中的应用提供了技术依据。当前，基于典型的氢基竖炉气氛条件和HYL检测标准，正在开展不同种类钒钛磁铁矿氧化球团的冶金性能研究，既要兼顾成品球强度，又要兼顾氢基竖炉还原指标，形成基于氧化造块-竖炉还原一体化调控的钒钛球团冶金性能优化技术。

5.4含钒钛海滨砂矿

以含钒钛的铁精矿为原料制备氧化球团，在1250℃焙烧20 min制得氧化球团的抗压强度为2099 N/个，还原性指数77.8%，低温还原粉化指数92%，还原膨胀指数7.5%。在100%H₂条件下球团还原率可达96%。

表7 不同矿种氧化球团关键性能对比

Table 7 Comparison of key properties  of oxidized pellets from different ore types

说明：“—”表示原文未提供该项数据。磁铁矿数据为配加0.8%印度膨润土后的扩试结果。

6.典型工业实践案例

近年来，随着氢冶金技术的快速发展和工业化推进，国内围绕富氢竖炉用氧化球团矿的制备与应用涌现出一批具有代表性的工业实践案例。

6.1河钢集团张宣科技全球首例120万吨氢冶金示范工程

河钢集团张宣科技氢冶金示范工程是全球首例投入商业运行的氢冶金示范项目，于2022年12月16日实现一期全线贯通。该工程采用全球首创的“富氢零重整”直接还原技术，与同等生产规模的“高炉—转炉”长流程工艺相比，每年可减少碳排放80万吨。

(1)球团应用与工艺特点： 该工程对入炉球团的质量提出了严格要求。河钢据此开展了系统的球团配矿结构工业生产试验，对生球性能、成品球团理化性能以及在气基竖炉气氛条件下的还原性能、还原膨胀、黏结性能等指标进行了分析比对研究，明确了球团实际生产的最佳配矿方案和关键工艺参数控制范围。在配矿优化方面，河钢集团以自有南非铜尾矿作为氢基竖炉炉料结构开展研究，在此基础上完成了5000吨铜尾矿工业应用试验。实验室研究确定，当铜尾矿配比不高于60%时，球团氢基还原性能满足HYL公司推荐使用要求；采用“40%铜尾矿+60%高品矿”的配矿结构进行工业试验后，DRI金属化率提高0.97个百分点，达到95.45%。

(2)运行效果： 两年来，氢冶金示范工程稳定安全运行，实现了多项关键技术突破：每吨DRI的成本较生产初期降低30%以上，产品金属化率稳定在94.5%左右，焦炉煤气单耗较设计值降低30%以上，主要技经指标在同口径下已处于世界领先水平。2025年2月，氢基DRI金属化率稳定保持在94.6%以上，原料单耗环比降低3.2%，工序成本环比降低65.93元/吨。2025年11月25日，张宣科技通过氢冶金生产出高钛DRI产品，金属化率、TiO含量等核心指标均符合使用要求。全球首例120万吨氢冶金示范工程率先开发出钒钛球团矿、镍粉球团矿等氢基DRI产品矩阵。

(3)标准建设： 河钢牵头制定的《炼钢用氢基竖炉直接还原铁》《氢基竖炉直接还原用球团》2项行业标准已被工信部批准立项，《氢基竖炉直接还原工艺设计规范》团体标准已正式发布。

6.2中国宝武湛江钢铁百万吨级氢基竖炉项目

中国宝武在湛江钢铁建成了国内首套百万吨级氢基竖炉，于2023年12月23日建成投运。2025年12月23日，国内首条百万吨级近零碳钢铁产线在湛江钢铁全线贯通。

(1)球团应用与铁矿石试验： 该产线以“氢”代“碳”作为还原剂进行冶炼，已成功验证高氢冶炼条件，产出的DRI金属化率达到预期。2024年末，必和必拓与中国宝武在该竖炉上成功完成了商业规模DRI生产试验，不同比例的必和必拓皮尔巴拉铁矿粉用于造球生产球团，随后在竖炉中还原成DRI，该竖炉还原气中氢气含量约为70%。试验结果证明了配加皮尔巴拉铁矿石进行商业规模DRI生产的可行性。中国宝武还与力拓集团合作，采用力拓西澳皮尔巴拉混合铁矿石完成了造球与竖炉工业试验，所用球团矿中包含三分之一的皮尔巴拉混合矿。

(2)湛江钢铁在氢基竖炉投产过程中开展了系统的球团投笼试验。研究发现，球团实验室性能测试数据不能完全代表其在氢基竖炉实际生产环境中的行为特征，酸性球团直接用于工业生产存在一定风险。为降低DRI粉化率并提高其抗压强度，建议氢基竖炉用球团的w(SiO₂)控制在4%以内。

(3)产线贯通与降碳效果： 近零碳产线由已建成投运的百万吨级氢基竖炉及新建的220吨高效绿色电炉、精炼设施、2150mm单流板坯连铸生产线组成，依托中国宝武首创的氢冶金电熔炼工艺（HyRESP）技术路径。据测算，相较于同等生产规模的传统“高炉+转炉”长流程工艺，该项目可降碳50%至80%，最高每年可减少二氧化碳排放超314万吨。

6.3中冶赛迪/川威集团万吨级氢基竖炉中试示范项目

中冶赛迪与川威集团合作，在四川威远建成了全球首个冶炼钒钛磁铁矿氢基竖炉中试示范项目。项目于2024年1月16日正式开工，总投资1.5亿元，设计产能年产直接还原铁1万吨。

(1)球团应用： 该项目以天然气和焦炉煤气为原料气，以钒钛球团矿和普通氧化球团矿为矿源。2025年，中冶赛迪投资建设的万吨级氢冶金工艺示范线全面建成，打通了氢基竖炉的冶炼工艺、核心装备、自动控制、生产操作等全部环节，持续开展了针对不同气源、不同品位普通矿、钒钛磁铁矿的直接还原试验。

(2)技术经济指标： 该项目与同等生产规模的传统“高炉+转炉”长流程工艺相比，减排比例达到60%以上，SO₂、NOx、烟粉尘排放分别减少30%、70%和80%以上。冶炼技术配合熔分电炉预期可实现钛的综合利用率从35%提高到60%以上，钒的综合利用率提高1.5%，冶炼成本可降低200元/吨以上。直接还原铁产品质量合格，各项指标达到预期目标。

6.4程潮铁精矿制备氢基还原用氧化球团研究

程潮铁精矿制备氢基还原用氧化球团的可行性研究是国内原料适配研究的典型案例。研究分别以品位66.14%的程潮普通铁精矿和品位69.51%的高品位铁精矿为原料，系统研究了黏结剂配比、造球水分对生球指标的影响以及预热焙烧制度对成品球质量的影响。扩试结果表明，配加0.8%印度膨润土时，成品球团抗压强度达3458 N/P，铁品位为67.56%，950℃还原膨胀指数为14.7%，满足HYL法氢基竖炉还原用氧化球团要求。该研究验证了国内铁精矿制备氢基竖炉用高品质氧化球团的可行性。

6.5案例总结与启示

(1)原料适配性是关键。 无论是河钢的铜尾矿配矿、宝武的投笼试验，还是程潮铁精矿研究，都表明不同矿种需要通过系统的配矿优化和工艺调整才能满足氢基竖炉要求。球团实验室性能与工业实际表现之间存在差异，投笼试验等工业验证环节不可或缺。

(2)球团质量直接影响竖炉顺行。 多个案例均反映出球团强度、SiO₂含量、还原膨胀率等指标对DRI产品质量和竖炉运行的显著影响。湛江钢铁的投笼试验明确提出应将球团SiO₂控制在4%以内。

(3)规模化应用已具备技术基础。 从河钢的全球首例120万吨示范工程到宝武的百万吨级产线，从张宣科技到湛江钢铁，国内氢基竖炉已实现从万吨级到百万吨级的跨越，氧化球团矿的制备与应用技术日趋成熟。

表8 主要工业实践案例对比

Table 8 Comparison of major industrial practice cases

7.展望

富氢竖炉直接还原用氧化球团矿制备技术已取得显著进展，但仍面临若干挑战：

（1）高品位原料短缺。 氢基竖炉对铁精矿品位要求极高（TFe≥69%），而我国高品位铁精矿资源有限，依赖进口的局面短期内难以改变。应加强中低品位铁矿石的提质降杂技术研究，扩大可用原料范围。

（2）还原膨胀控制。 尽管提高氢气比例和调控碱度可抑制膨胀，但部分矿种在特定条件下仍会出现异常膨胀。需深入研究还原膨胀机理，开发更加有效的抑胀技术。

（3）标准体系建设。 2025年4月发布的《氢基竖炉用氧化球团制备工艺技术规范》（T/CAPS 014-2025）和正在制定的行业标准，为规范生产提供了依据。但相关标准仍需在实践中不断完善。

（4）低成本制备技术。 降低球团生产成本是推动氢冶金产业化的关键。应进一步优化配矿方案、开发高效粘结剂、提升焙烧热效率。

（5）实验室与工业应用的衔接。 投笼试验研究表明，球团实验室性能测试数据不能完全代表其在氢基竖炉实际生产环境中的行为特征。应加强从实验室到工业应用的中间试验环节，建立更加可靠的球团质量评价体系。

8.结语

富氢竖炉直接还原用氧化球团矿的制备研究已形成较为系统的技术体系。通过原料优选、工艺优化和碱度调控等多维度措施，可制备出满足氢基竖炉要求的优质氧化球团。河钢张宣科技、宝武湛江钢铁、中冶赛迪川威等一批标志性项目的成功实践，验证了氧化球团制备技术的工业可行性。未来应着力攻克高品位原料短缺、还原膨胀控制等核心难题，完善标准体系，推动氢冶金技术从示范走向规模化应用。

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