李  明  曹树志  冯忠良  马瑞东

（河钢集团唐山钢铁股份有限公司）

摘要：为适应高炉高比例球团冶炼的需求，系统地研究了碱性球团的二元碱度、SiO2 含量对抗压强度以及低温还原粉化性能、中温还原性能、高温软化熔融性能的影响。研究表明 ：碱性球团二元碱度控制在 1.0 ～ 1.2，SiO2 质量分数控制在 3.5% 以下时，碱性球团各项冶金性能指标均较好。

关键词：球团矿；碱度； SiO₂；冶金性能

引言

我国高炉炉料结构以高碱度烧结矿为主，辅以酸性球团矿和块矿。然而，鉴于烧结工艺固有的高能耗和高污染物排放的特性，在当前环保形势日益严峻的背景下，烧结生产正面临越来越严格的限制 ^[1,2]。采用球团矿替代高碱度烧结矿的优势在于：球团矿的含铁品位较烧结矿高 6% ～ 8%，可提高高炉入炉矿的铁含量，有利于降低燃料比和提高产量 ；球团矿的生产过程相较于烧结矿，具有显著的节能减排效益，实践数据表明，球团矿的生产能耗可降低约 25 ～ 35 kgce/t ；此外，球团矿的生产有助于有效利用国内的贫矿资源，鉴于中国铁矿资源的贫乏、复杂及难选特性，必须经过细磨和强化选矿处理，因此国内铁矿粉的粒度大多较细，其中一半的铁矿粉适宜于球团矿的生产 ^[3]。鉴于球团矿在高炉冶炼及球团工艺中所展现的显著的节能减排效益，国内钢铁企业纷纷启动了基于高比例球团炉料结构的研究与实践项目 ^[4-10]，以减少对烧结矿的依赖，并探索可持续发展的路径。

适应高比例烧结矿炉料结构的酸性球团矿的研究已经较为成熟，而与高炉高比例球团矿配矿结构相匹配的碱性球团生产技术目前仍处于研究和摸索阶段。唐钢从 2021 年起为适应高比例球团冶炼的需求，通过控制球团矿碱度和 SiO₂ 含量，改善碱性球团冶金性能实现了高炉高比例球团炉料结构下的优质、低耗生产。

1 试验用原料

试验采用的 4 种球团精粉中，智利和秘鲁精粉为进口精粉，南非和研山为集团自产精粉，其化学成分和部分物理性能见表 1。

从表 1 可以看出，几种铁精粉均为磁铁矿，品位均在 65% 以上，其中细磨南非粉属于碱性铁精粉，除具有高铁低硅的特点外，其 MgO 含量、TiO₂ 含量均在 3% 左右，适合作为碱性球团矿的基础原料。从铁精粉的主要成球性能看，各铁精粉的比表面积都在 1 000 cm² /g 以上，除研山三系铁精粉以外，其他精粉的成球性指数均在 0.5 以上，适宜作为球团用铁精粉。

试验用辅料主要为消石灰和膨润土，其主要化学成分见表 2。消石灰主要提供 CaO，调节球团矿碱度 ；膨润土则用于改善球团矿成球性能和强度。两者配合使用，优化了球团矿的生球性能。

试验在高硅智利粉 20%、南非细磨粉 18% 及皂土 1.0% 的条件下，调整研山三系和秘鲁粉配比，使球团矿 SiO₂ 含量固定在 4.5%、TiO₂ 固定在0.58%，并通过消石灰配比调整碱度，碱度分别为0.6、0.8、1.0、1.2 和 1.4，具体见表 3。

2.2  试验结果及分析

2.2.1  碱度对碱性球团抗压强度的影响分析

随着碱度的增加，生球水分呈先增加后降低的趋势，说明提高碱度后，消石灰含量升高，因为消石灰为亲水性物质，所以生球水分含量升高，但消石灰过量，物料堆密度降低，水分迁移速度变慢，会使生球水分含量降低。

当温度固定在 1 260 ℃时，球团矿焙烧球强度呈现先增大后减小的趋势（如图 1 所示），且在碱度为 1.0 时球团矿抗压强度达到最大值。这主要是因为碱度提高，促进了铁酸钙的生成，提高了球团的抗压强度，但进一步提高碱度后，球团液相量增加，导致冷却过程中部分 CaO 与 TiO₂ 结合生成钙钛矿或钛榴石等脆性矿相，从而降低了球团矿的强度。

2.2.2  碱度对碱性球团冶金性能的影响

（1）碱度对低温还原粉化性能的影响如图 2所示。随着球团矿碱度的提高，球团固结过程生成的钙铁硅酸盐转变为铁酸钙，铁酸钙成为主要黏结相。钙铁硅酸盐与赤铁矿在还原过程中晶型转变不一致，导致还原过程应力不均，从而造成高还原膨胀率。在还原过程中其黏结相性能优良且还原性好，晶型转变相同，Fe₂O₃ → Fe₃O₄ 阶段晶型转变引起的体积膨胀降低，应力均匀，球团的表面裂纹减少，低温还原粉化性能得到改善。球团矿碱度从 0.6 提高到 1.2，低温还原粉化指数RDI+3.15 从 78% 提高到约 90% 以上，提高了约 12个百分点。

（2）碱度对中温还原性能的影响如图 3 所示。球团矿碱度小于 1.0 时，提高球团矿碱度焙烧完成后形成的赤铁矿结晶较完整，且有利于铁酸钙的生成，因此球团矿还原度从 74% 提高到 79%，球团矿还原性能改善 ；进一步提高球团矿碱度，在焙烧过程中 CaO 与 Fe₂O₃ 结合形成难还原的铁酸二钙或钙铁橄榄石，球团矿还原度从 79% 降低到71%，恶化了球团还原性。

（3）碱度对高温软化熔融性能的影响如图 4 所示。随着碱度的提高，球团矿的软化终了温度T40 先升高后降低，在碱度为 1.0 和 1.2 时，软化终了温度最高，分别为 1 245 ℃和 1 240 ℃ ；球团矿的软化开始温度T10 与软化终了温度T40 表现较为相似，也是呈先升高后降低的趋势，在碱度 1.2 时T10 最高，为1 160 ℃，这主要是因为在低碱度时，碱性球团还原性较好，使球团矿中的铁橄榄石相减少，所以荷重软化性能改善 ；但碱度进一步提高，软化开始温度T10 呈现降低的趋势，主要是大量的液相冷却过程中，产生大量的气孔，导致球团矿的软化开始温度降低。

一般要求球团矿的软化开始温度T10 和软化终了温度T40 越高越好，这样可以使高炉内软熔带尽量下移，改善炉内透气性。从这方面考虑，碱性球团矿碱度控制在 1.0 ～ 1.2 之间较为合适。

从上述结果可以看出，适当地提高碱度可以改善碱性球团的质量，但碱度过高会使球团质量恶化，不利于高炉冶炼。因此，综合考虑球团矿的抗压强度、低温还原粉化性能、中温还原性能以及高温软化熔融性能，生产中将碱性球团的碱度控制在 1.0 ～ 1.2 较为合适。

3 SiO₂ 含量对碱性球团性能影响研究

3.1  试验方案

在高硅智利 20%、南非细磨 18% 及皂土 1.0%的条件下，通过低硅三系和秘鲁粉和配比调整 SiO₂含量，将 SiO₂ 含量调整到 3.0% ～ 4.5%，通过调整消石灰配比控制碱度在 1.15，其中 TiO₂=0.58%。试验方案见表 4。

3.2  SiO₂ 含量对碱性球团抗压强度的影响

随着 SiO₂ 含量的升高，碱性球团的抗压强度逐渐升高（如图 5 所示）。这主要是因为适当增加SiO₂ 含量可以产生适宜的液相，而适宜的液相不仅可以改善碱性球团的致密性，还可作为铁原子的晶桥，促进铁原子的扩散，使 Fe₂O₃ 再结晶充分。因此，SiO₂ 含量的升高可以提高碱性球团的抗压强度。

3.3  SiO₂ 含量对碱性球团冶金性能的影响

（1）SiO₂ 含量对低温还原粉化性能的影响如图 6 所示。随着 SiO₂ 含量的提高，碱性球团RDI_+3.15 改善较显著，SiO₂ 含量从 3.0% 提高到 4.5%，RDI_+3.15 从 78% 提高到 88%，提高了 10 个百分点。分析原因 ：一方面，SiO₂ 含量的增加有利于促进碱性球团复合铁酸钙的生成，从而使低温还原粉化性能得到提高 ；另一方面，SiO₂ 含量的增加也有利于促进橄榄石等硅酸盐液相的生成，而生成的大量液相沿晶界渗透把 Fe₂O₃ 包裹起来，使得碱性球团在还原过程中膨胀率降低，从而进一步改善粉化性能。

（2）SiO₂ 含量对中温还原膨胀性能的影响如图 7 所示。随着 SiO₂ 含量的提高，碱性球团的还原膨胀性能改善，SiO₂ 含量从 3.0% 提高到 4.5%，膨胀指数 RSI 从 12.3% 降低到 5.2%，降低了约 7个百分点。其原因主要是由于 SiO₂ 含量的提高减弱了赤铁矿之间的连接，抑制 Fe₂O₃ 还原成 Fe₃O₄ 时的过度膨胀以及铁晶须的长大。因此，SiO₂ 含量的升高使碱性球团中温还原膨胀性能逐渐降低。

（3）SiO₂ 含量对中温还原性能的影响如图 8所示。随着 SiO₂ 含量的提高，碱性球团的还原性能逐渐降低，因为提高 SiO₂ 含量后，生成大量的低熔点矿相，随着温度的升高逐步熔化生成液相，而液相填充球团的孔隙，使孔隙率降低，从而使碱性球团的还原性变差。

（4）SiO₂ 含量对高温软化性能的影响如图 9所示。随着 SiO₂ 含量的提高，碱性球团的软化开始温度逐渐降低，软化区间逐渐变窄，这主要是因为提高 SiO₂ 含量后，生成了大量低熔点铁橄榄石矿相，使软化开始温度T10 降低 ；另外，提高球团矿的 SiO₂含量将使 Fe_xO更少地被还原为金属铁，使进入渣中的 Fe_xO 相应增加。因此，碱性球团的软化性能变差。

从上述结果可以看出，提高碱性球团矿的SiO₂ 含量可以改善球团矿的低温还原粉化性能，对改善高炉中部透气性较为有利。但由于提高SiO₂ 含量后球团矿的高温软化性能变差，对改善高炉下部透气性不利。综合考虑铁精粉资源、配矿成本以及各种冶金性能的影响，将碱性球团矿SiO₂ 含量控制在 3.5% ～ 4.0% 较为合适。

4 生产实践

唐钢公司自主设计建设了两条 624 m² 带式焙烧机球团生产线，涵盖预配料、干燥、辊压、配料、混合、造球、焙烧、成品处理、环境除尘、烟气处理的全工序流程。采用了先进的大型高压辊磨机、立式强力混合机，7.5 m 圆盘造球机以及成熟的大型焙烧机成套装备技术，搭配节能高效的智能化煤气燃烧系统，产品适应能力更强，可同时生产酸性、碱性球团矿产品，技术装备水平和主要技术经济指标达到国际先进水平。

2021 年 3 月 8 日，1#、2# 高炉开始配加并进行提高球团配比试验。2021 年 4 月，3# 高炉投产，三座高炉全部提高球团矿比例。2021 年 8 月，球团矿配比达到 40% 以上，碱球比例在 20% 以上，高炉燃料比实现 510 kg/t，其中，焦比 350 kg/t，煤比 160 kg/t，高炉平均利用系数在 3.0 t/（m3 ·d）以上，实现长周期稳定顺行。实际生产中唐钢公司的球团矿指标见表 5 ～表 7。

5 结论

（1）通过研究碱度对生球强度、球团矿抗压强度及冶金性能的影响得出 ：适当提高碱度可改善碱性球团的质量，但碱度过高会使球团质量恶化，不利于高炉冶炼，碱度控制在 1.0 ～ 1.2 最优。

（2）提高碱性球团矿的 SiO₂ 含量，可以改善球团矿的低温还原粉化性能，有利于提高高炉中部料柱透气性。但提高 SiO₂ 含量后球团矿的高温软化性能变差，对改善高炉下部透气性不利。因此，综合考虑铁精粉资源、配矿成本以及各种冶金性能的影响，碱性球团矿 SiO₂ 含量控制在 3.5 ～ 4.0左右较为合适。

（3）唐钢公司碱球质量不断提高，配合料制、批重的调整，在球团矿配比 40%（碱球配比 20%）时高炉燃料比可达到 510 kg/t，焦比可达 350 kg/t，煤 比可达 160 kg/t，高炉平均利用系数达到 3.0 t/（m³ ·d）以上，实现了长周期稳定顺行。

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