球团矿的发展

我国球团矿的发展及应用
2010-6-18 13:52:10 来源：中国钢铁产业网信息中心 编辑：韩静发展球团矿是高炉炼铁节能、减排最重要的技术措施，本文介绍了我国球团矿的生产发展、前景和使用的现状。论述了使用球团矿对炼铁生产节能减排的重要意义。阐述了细铁精矿的造块方法宜选用球团矿工艺，不宜选用烧结工艺的原因。分析阻碍我国球团矿发展的关键问题，提出了解决对策。同时对我国发展球团矿过程中存在的经济和技术等认识误区，如能耗、加工费、投资和大型化等问题，做出了客观的解释。


1 球团矿的生产


1.1 球团矿生产的发展


现代工业化的炼铁生产，无论是广泛采用的高炉炼铁工艺、还是直接还原炼铁工艺或熔融还原炼铁工艺，其含铁原料必须使用一定规格的块状炉料，主要包括块矿、烧结矿和球团矿。早期的炼铁炉料采用块矿，随着炼铁技术的进步和铁矿资源的制约，细颗粒铁矿资源越来越多地应用于炼铁生产，铁矿粉造块成为钢铁生产流程中的重要环节。


铁矿粉造块发展历史、理论和实践都明确地告诉我们：铁矿粉烧结和球团都是成熟的铁矿粉造块工艺，细铁精矿应采用球团工艺，而粉矿（8mm-0mm）应采用烧结工艺。


比较球团矿和烧结矿两种人造富矿可以知道，球团矿具有品位高、强度好、粒度均匀、还原性好、生产过程能耗低、环保等优势。其工艺特点要求是：原料为细铁精矿，其比表面积要大于1600mm2/g。但是如果将粉矿细磨后生产球团矿，就需要大幅度增加加工费，带来球团矿生产和炼铁成本的增加，经过长期的探讨、论证和实践，认为在一般情况下是不宜选择的，在世界生产中也极少见。


细铁精矿烧结主要来源于50年代苏联，它已是落后技术。细铁精矿用于烧结生产，给烧结带来很多不利影响。细铁精矿使得烧结料层透气性差、烧结生产效率低、烧结矿强度变差、粉末含量高、能耗高、粉尘污染严重。另外，烧结工艺比球团工艺能耗高，高浓度SO2、NOx烟气排放严重。


二十世纪五十年代美国钢铁工业大发展时期，块矿和粉矿来源越来越紧张。而铁燧岩细磨选矿技术的开发成功，出现了大量的细精矿粉，美国曾在烧结生产中采用添加细精矿的生产工艺，例如在260m2烧结机生产中，尝试在粉矿中添加细精矿的大型烧结生产实践。当细精矿配加到20%时，烧结生产严重恶化，产量下降，质量变差。从此就不再将细精矿应用于烧结，而致力于开发球团矿的生产技术，并大规模的生产球团矿。因而在美国形成了高炉炼铁炉料结构以球团矿为主的特点。


　

　二十世纪前苏联钢铁生产大发展的时期，由于铁矿资源的丰富，虽然有相当量的粉矿，但还需大量的经选矿生产的细精矿。由于球团矿生产的技术复杂性和难度，当时还未能掌握球团矿的生产技术，因而大力开展细磨精矿烧结的研究，并进行大规模使用细精矿的烧结生产。但到二十世纪七十年代带式焙烧机球团技术和生产取得成功后，大量的建设球团厂，并改造原有的烧结厂，同时引进美国的艾利斯链箅机-回转窑球团矿生产线，形成了7000万t/a的生产能力，成为当时世界球团矿产能最大的国家。


日本在上世纪七十代钢铁生产和技术大发展时期，由于其原料来源绝大部分都来自澳大利亚，而且都是富矿粉，理所当然应是采用烧结法对含铁原料进行加工。而且创造了很多烧结新技术和先进的装备技术。


新中国早期的钢铁工业是在苏联援助的基础上发展起来的。虽然我国铁矿资源多为贫矿，大多是经磨选后的细精矿，但受前苏联的影响，在二十世纪五十至八十年代初，中国钢铁生产中广泛采用细精矿烧结工艺，并一直延续至今。虽然自2000年以后球团矿的生产，特别是大中型链箅机-回转窑氧化球团生产有了较大的发展。但由于烧结生产的原理、生产技术及管理较为简单，而且烧结厂必须设在钢铁厂内，便于钢铁生产和管理，同时受日本高炉炼铁采用80%烧结矿的炉料结构模式影响，我国继续广泛采用和大规模发展细精矿烧结技术。


虽然目前我国烧结矿的生产规模最大，烧结技术水平也很高，烧结机型也达到单机世界最大的600m2。但若继续大量配加使用细铁精矿，必然对烧结矿产量、质量和环境产生影响，也不能发挥其先进性和获得更好的技术经济指标。


烧结矿生产不再是以前的处理钢铁生产废弃物和铁矿粉造块的老观念，而是现代炼铁生产的精料工厂。烧结矿的质量也已是一个全新的概念。在国外，先进的粉矿烧结生产也已达到了一个新的高度，不但实现了大型化而且生产的技术经济指标达到了一个全新的高度。


目前，球团矿的生产在世界各地有了大规模的发展，特别是南美洲，北美洲和欧洲等地区。因此，从炼铁精料原则和整个钢含铁生产的节能减排、环境保护以及大量的生产实践来看，发展细精矿生产优质球团矿工艺、技术和装备将是我国高炉炼铁节能减排最重要的技术措施。


1.2 球团矿发展前景


高炉炼铁合理的炉料结构，不是一个固定的模式。首先应看含铁原料的性质，看原料是细精矿还是粉矿，再确定合理的造块方法。


日本钢铁业和我国宝钢都采用澳大

利亚粉矿作为主要的炼铁原料，其合理的炉料结构是80%的高碱度烧结矿、酸性球团及富块矿组成。选择这一炉料结构的其他原因是当时球团矿生产技术处于自然碱度的酸性球团矿工业生产的阶段。碱性球团矿（＞0.8）生产还处于试验阶段，为了满足高炉冶炼炉渣碱度的要求和避开自熔性烧结矿（R=1.25）强度最低的不利状况而必须采用R＞1.6碱度的烧结矿。因此，要求在炉料结构中球团用量最多不超过20%。


在现代高炉炼铁中已经不存在限制球团矿使用量的种种因素。碱性球团矿的生产已经相当成功，在国外球团矿的产量中已达到很高的比例。所谓球团矿的膨胀问题已经得到了解决（生产镁球团）。球团矿在高炉装料过程中的易滚动性影响高炉上部布料的问题也得到解决。所以在炉料供应满足的条件下，大比例使用球团矿己成为当今高炉炉料结构发展的方向和需求。在欧盟，球团在高炉炉料中的比例已达到20%-100%；在巴西正在兴建的钢铁生产企业中均采用50%或100%球团矿的炉料结构模式。


随着国际上直接还原炼铁技术的发展，其规模和产量的迅速增长，都必须优先采用球团矿为入炉料。纵观世界采矿业，细精矿的产量大幅增加，富块矿和粉矿的产量相应减少。世界球团矿的产量、质量在快速提升。我国所产的炼铁原料几乎都是细精矿，用于生产烧结矿已是不合时宜的、不合理的加工方法，应将其用来生产球团矿才是一种先进的炉料加工方法。另外我国目前钢铁生产所需铁矿粉，大部分需要进口。其中巴西矿粉越来越多，其中细精矿的比例愈来愈高。这些细精矿都应采用球团法加工成入炉料，不宜采用烧结法造块。


2 对钢铁企业节能减排的重要意义


2.1 节能


钢铁生产的能耗70%左右在炼铁及铁前工序，燃耗更是如此。影响高炉能耗高低的70%的因素是在“精料”。“精料”原则中的重要一点是采用球团矿，实现合理炉料结构，这是降低炼铁能耗最重要的技术措施之一。


球团矿降低炼铁能耗的作用主要体现在以下几个方面：


·铁品位高。


球团矿铁品位高，国外球团矿的品位都在65%以上，有利于提高综合入炉品位，对减少渣量起着根本性的作用。


用于球团生产的铁料是经细磨和精选的细精矿，有害杂质含量极少，含铁品位远高于生产烧结矿的粉矿。资源条件和选矿工艺极大地影响着铁矿粉的含铁品位，球团矿生产需要的铁料必须是高品位的。


高品位入炉料有利于改善冶炼的各项技术经济指标，例如降低渣量、显著降低燃料比等，它已成为入炉料质量指标十

分强调的新概念。


根据经验：入炉料铁品位提高1%，高炉渣量减少30kg/t铁水，焦比下降0.8%-1.2%，产量增加1.2%-1.6%，增加喷煤量15kg/t铁水。这一效果对我国这个产铁大国来说是十分惊人的，对企业的经济效益也是十分可观的。


·粒度均匀、形状规则。


球团矿的，粒度一般在8mm-16mm，其中8mm-12mm的占85%以上，优于其它入炉矿。有利于改善高炉上部料层的透气性及分布的均匀和合理性，有利于发展间接还原，提高煤气利用率，降低能耗。


强度高、含粉率少。


球团矿转鼓指数要求＞94%，小于5mm的粉末比例一般不超过3%，最好达到不超过1.5%。这对获得优良的冶炼指标十分重要。


粉末是十分有害的东西，对炉、窑的冶金工艺操作，粉末量增加必然会给炉（窑）况带来不利的影响，极易诱发各种事故，对企业的设备作业率、产品的产量和质量指标造成严重、甚至是恶劣的影响，必须将其含量降到最低的程度。使用铁精矿进行烧结，高炉槽下的烧结矿中，粉末量有的高达20%以上，不但对高炉炼铁造成严重的影响，而且大量的返矿返回烧结，造成烧结生产有效产量的大幅下降和能量的极大浪费。


·球团矿含FeO低、还原性好。


铁矿物在高温氧化性气氛下，再结晶焙烧固结得到的球团矿，含铁矿物为赤铁矿，FeO的含量很低，一般可达1.0%以下，远低于精矿烧结9%-11%的水平。不仅对铁矿石在高炉内的间接还原十分有利，对降低焦比也十分有利。


·球团矿生产能耗低于烧结矿。


球团矿固结机理为固相再结晶，生产过程的能耗一般为烧结矿能耗的一半，先进的球团矿生产能耗只有烧结的三分之一。因此生产球团矿，有利于降低铁前系统能耗。


2.2 减排


在钢铁生产过程中对环境造成恶化排放的有：粉尘、固体废弃物和有害气体，主要集中在高炉炼铁及铁前原料加工系统，数量占整个钢铁生产排放量的90%以上。因此，钢铁企业气体污染物的减排，应把重点放在铁前系统。在炼铁及原料的加工工序，粉尘和有害气体对钢铁生产企业环境造成了严重的污染，生产和使用球团矿将有利于钢铁企业环境的改善和减少气体污染物的排放。其主要体现在：


·球团矿制造过程粉尘产生量少。


球团矿焙烧以制成一定形状和粒级的生球（含粉末量极少），它是在密闭的状态下进行的，而且没有破碎和筛分整粒系统，外逸的粉尘量极少；外排烟气中所含粉尘量低，即使有粉尘生成，其总量少，通过高效除尘器除尘后，很容易达到环保标准。目前已达到50mg/m3。从

生产环境上看，球团生产环境比烧结生产干净。


·废气中有害成分少。


当前烟气外排最关注的有害成分是SO2。球团矿生产也是一个氧化脱硫的过程，其脱硫率和烧结生产相近。但是用于球团矿生产的细精矿都经过细磨和精选，含硫量都较低。进口铁矿粉如巴西球团粉其含硫量也很低。通常情况下，SO2排放合格，不需要设置脱硫设施。如果必须设置，脱硫能力可以选小些的，投资省、能耗低。


·减轻钢铁生产的环保压力。


球团矿强度高，可以长途陆路、水路运输。球团矿生产线可建在矿山或矿石港口，不需要在钢铁企业内和附近建设，将大大减轻钢铁生产企业的环保压力。同时减少运输、倒运造成的物料损失，缓解运输压力。


3 球团矿的质量


炼铁和钢铁生产若要获得节能减排的效果，必须以球团矿具有高质量为基础，并非使用任何球团矿均可得到节能减排的效果。球团矿质量差，可能其效果还会适得其反，只有高质量球团矿才能起到好的效果。因而我们在提倡、确定生产及使用球团矿时，为了能够达到我们的要求和期望值，真正起到改善冶炼效果、节能、降耗、减排的目的，对球团矿质量必须要有严格的质量要求。不能简单认为只要生产或使用球团矿作为含铁炉料即可，这是一个重要的科学观念。


3.1 现状


总体上看，我国的球团矿质量不佳，和世界水平有着很大的差距。国产球团矿的质量明显落后于进口球团矿。即使是在国内生产质量领先的球团企业也存在明显的差距。过去所说“以产代进”状况没有根本改变，数量代了，但质量没能代。


3.2 问题和对策


3.2.1 问题


对照国外球团矿的先进水平，我国球团矿质量落后主要体现在以下几个方面：


·含铁品位低


国际上高炉用球团矿铁品位一般为≥65%（我国目前定为≥64%）。同时SiO2含量要在2.0%-3.0%。为达到这一质量指标必须严格控制入厂铁精矿的品位，一般应在66.5%以上。对国产铁精矿必须实行细磨精选。同时应选用优质粘结剂，严格控制膨润土的加入量。坚持实现不超过1%的目标，争取达到0.8%。国外一般为0.6%-0.8%。对膨润土的质量和配加量应是球团厂极为重视的技术条件，不能轻视和掉以轻心。同时不能单一强调价格因素，否则必然导致占小便宜而吃大亏的结果。膨润土用量增加，使球团铁品位下降所造成的损失，不但影响到球团矿的质量和价值，还会严重影响到高炉的节能和效益。


·冷态性能不佳


国际上传统的高炉用球团矿抗压强度≥2500N/P；转鼓

指数≥90%。进口的优质球团矿其含粉率一般不超过1.5%；FeO含量不超过1%；球团外形规则均匀。我国球团矿往往因为原料质量和生球质量低，焙烧热工制度未优化，造成成品球机械强度较差，含粉率高、FeO含量高、粒度的均匀差、形状不规则。竖炉球团由于设备和工艺问题，其质量的均匀性更是重要问题。


3.2.2 对策


要解决上述问题必须采取以下措施：


·造好球


造球即铁精矿成型，是球团矿生产的主要环节，也是保证球团焙烧质量的基础性条件和球团矿生产的一大核心技术。要达到造好球的目的，必须保证铁精矿的细度、粒度组成、比表面积、合适的水分、高质量的膨润土和其它添加料，以及良好的混匀效果。对于不同的矿种，其要求虽然有所不同，但一般来讲铁精矿的细度必须达到小于0.074mm占90%以上；比表面积也应在1800cm2/g以上，最好为2000m2/g-2200m2/g。同时要严格控制合适的造球水分。造球操作人员的操作水平也会起到关键性的作用。


生球质量要求：生球强度不应低于五次，最好在八次以上。生球的爆裂温度应保证在450℃以上，这和膨润土性能的好坏有关，因而一定要选用优质的膨润土，这是一个十分重要的因素。


生球质量的优劣决定着整个球团矿生产工艺过程的成败和生产技术经济指标的好坏。球团矿的质量检测有一套科学的方法、严格的装备和制度。例如采样的代表性、操作的规范性等。另外，抗压强度决不是最高和最低的平均值，同时对球团的粒度组成也有要求等等。对各种数据的测定和数据处理及计算都应严格遵循计算规则，必须改变粗放式的习惯，克服浮跨，强调实事求是的科学精神。


·先进的热工制度


先进的热工制度不但能保证合理的升温速度、气体流速和流量、焙烧气氛和较高的焙烧温度。同时可以使生球不会产生爆裂、加热和氧化均匀，最终获得最好的成品球的质量。先进的热工制度必须以性能优越的设备质量来保证，比如耐高温、低漏风、长寿命、安全可靠性等。先进的热工制度不但对产品质量有保证，而且也是球团矿生产工艺达到节能的最重要的技术。


·严格的质量检验制度和正确的各项指标测定及计算方法，实行真正的科学管理


·熔剂性球团矿和镁质球团的生产


国外为了满足高炉更多地使用球团矿和直接还原炼铁的需求，熔剂性球团矿的产量大幅增长。同时为了克服和改善某些矿种球团的膨胀性，而生产“镁质球团”。这些球团矿的生产工艺和普通酸性球团矿的生产相比有较大的技术难度和技术要求。熔

剂性球团矿和镁质球团的生产，不仅是目前国外大型球团矿企业生产主流，也是球团矿今后的发展方向。但在我国大、中型球团生产企业目前仍然是一个空白，必须引起高度重视。这与目前我国高炉炼铁炉料结构大多局限在80%烧结矿搭配20%酸性球团矿的炉料结构模式有关。我们应正确认识球团矿优越的冶金性能和为冶炼带来的良好效果，摆脱这一影响。另外，熔剂性球团矿和镁质球团生产的空白也与我国直接还原铁产量低有关。


4 球团矿生产的经济分析


4.1 能耗和生产加工费


球团矿生产能耗高低的关键是燃耗。球团矿焙烧燃耗的高低和矿石的种类有很大的关系，一般来讲，赤铁矿球团矿生产远高于磁铁矿。同时也和生球所含水量、水存在的形态（游离水还是结合水等）及产品的种类（酸性还是碱性等）有很大的关系。也和焙烧设备的性能、机型的划、散热的大小和漏风率的高低等有着密切的关系。还与生产管理、操作的水平关系密切。


国外磁铁矿球团焙烧的燃耗最先进的可达9kgce/tp，赤铁矿为21kgce/tp。我国磁铁矿球团焙烧的最先进指标为16kgce/tp，赤铁矿为45kgce/tp，远落后于国际先进水平。但是即使如此，也远低于烧结矿生产的燃耗。


球团矿生产的燃耗低主要是因为其升温焙烧和冷却过程均在密闭的容器中进行，漏风少，废气经多次循环，余热得到了充分利用，效率最好，而且也节省投资和方便管理。烧结的废气余热利用效果最好的是通过新的余热锅炉产生蒸汽和发电系统来产生电能后再返回用于原烧结系统。这一方法投资很高、效率较低。另外球团矿生产流程较短，少有干料的破碎、筛分、运输系统，所以除尘设备少。整个工序的电耗仅在28kWh/tp，远低于烧结。


目前我国高炉炼铁使用球团矿的成本费比烧结矿高的原因主要是：进口球团矿的价格高。国外使用高热值的重油或天然气作主要燃料，价格高、劳动工资高，造成进口球团矿的生产加工费很高，再加上高额利润和海运费，因而使用进口球团矿炼铁的费用远高于烧结矿。对于国产球团矿，在球团生产企业和炼铁企业之间也有一个利润和利益的问题。有的企业往往把自产球团矿的内部使用价格参照进口球团矿的价格，由于价格高，使得高炉炼铁不愿多使用球团矿。这些因素造成球团矿在高炉中的用量受到限制。


4.2 投资


综观国外和国内近十年来球团厂建设的投资情况看，单位产品的投资在国产和相同技术标准下，和烧结工艺是很接近的，并不是球团远高于烧结。产生这一误解的原因很多，主要有：先进的链

箅机-回转窑和带式焙烧生产技术，在我国还在起步阶段，相应需要一笔较大的科技开发费；焙烧设备所用耐高温材质的材料要求档次高，数量大；有些关键工艺设备还需要引进，如高压辊磨和强力混合机；控制水平高，需引进一些软件和仪表仪器等。这些可能使球团工程的投资要比烧结高些。


4.3 大型化和淘汰落后


“大型化”带来的规模效益，不但是单位产品投资的下降，例如1×500万t/a和2×250万t/a相比，单位产品投资可节约25%以上。而且能大幅降低能耗，如燃耗可下降20%以上。而且球团矿质量更好、更均匀；定员少，劳动生产几乎成倍的提高；对环境更友好。国外球团生产大型化发展十分明显，从80万t/a很快发展到单窑200万t/a-300万t/a以上。近期建设的都在500万t/a-700万t/a。这不但标志着技术的进步，而且也揭示了“大型化”仍然是目前和今后球团矿生产的发展方问。


我国目前竖炉和小型链箅机-回转窑球团厂的产量仍占总产量的50%以上。这些企业装备水平低、产品质量差、作业率低、能耗高、对环境的污染严重，在目前我国淘汰落后的大潮中将有可能被淘汰。但球团矿的需求量随着炼铁技术的发展会越来越大，因而球团的生产规模还会有较大的发展。同时也要求产品的质量要优、能耗要更低、环保措施更有力、工厂装备水平要更高、操作和管理水平更科学。因此我们必须坚持大型化、采用先进的工艺和高效的装备、实现低能耗和低排放，彻底改善我国球团矿的生产和使用面貌。


5 结语


我国球团矿开始较大规模生产的时间不长；所产球团矿仅是高炉用自然碱度的酸性球团矿；产品质量还存在很多的问题；竖炉工艺和小型工厂生产的球团数量超过一半以上。总之我国的球团矿生产仍处在低水平的发展阶段，但其发展前景十分广阔。我们不但要走“大型化”的路，还应大量生产高质量、高档次的熔剂性球团矿和镁质球团，努力赶上世界先进水平。为贯彻精料方针，不断提高球团矿在炉料结构中的比例。另外，作为高炉炼铁操作来讲，高炉炉料中增加球团矿的比例也应调整操作的工艺参数，让球团矿优越的冶金性能得到充分发挥。