一、研究的背景与问题
“双碳”背景下，钢铁行业面临着巨大的碳减排和超低排放压力。目前，我国的钢铁工业仍以长流程为主，如何实现高炉炼铁污染物和CO2的超低排放对于钢铁企业的高质量发展至关重要。欧美大部分高炉采用高比例低硅熔剂性球团、镁质酸性球团冶炼，并取得了一流的经济技术指标。国内高炉长期采用以高比例烧结矿为主、以普通酸性球团和块矿为辅的炉料结构，熔剂性球团、镁质酸性球团的工业化生产及高炉应用研究直到近十年才逐步得到重视和发展。与烧结生产相比，球团在能耗、污染物排放等方面具有明显的优势。因此，从原料制备的源头环节开始，研发适用于大比例球团冶炼的优质熔剂性球团以及高炉高比例球团冶炼技术是我国钢铁工业低碳冶炼的重要技术途径。
链箅机-回转窑和带式焙烧机是球团生产的两种主要技术和装备，当前，我国已掌握了链箅机-回转窑的工艺装备和技术。然而，相较于链箅机-回转窑，带式焙烧机具有更好的原料适应性、更高的生产效率，以及规模大型化的能力，在生产熔剂性球团和镁质球团的应用上更具优势。带式焙烧机工艺是球团清洁生产的主要方法，其核心技术和装备长期以来一直被国外公司垄断，严重制约了我国带式焙烧机技术的发展。发展带式焙烧机球团生产工艺、生产优质熔剂性球团矿满足大型高炉生产的需求，球团原料条件要求较为苛刻。我国铁矿资源丰富，且粒度较细，适合用于生产球团，但SiO2含量普遍较高。国外优质低硅铁精粉价格昂贵，且基本垄断在少数几家矿山企业。当前，熔剂性球团在我国尚未能达到大规模取代烧结矿的程度，优质熔剂性球团的工业化生产及使用还未取得大范围的推广，主要面临以下行业难题：
1、带式焙烧机核心技术和装备长期以来一直被国外公司垄断，严重制约了我国优质球团矿的生产。开发具有自主知识产权的大型带式焙烧机关键设备和智能化控制系统迫在眉睫。
2、优质球团精粉资源短缺，价格昂贵，且对外依赖性强，扩大球团精粉来源、降低球团生产成本是解决熔剂性球团技术可持续发展的重要难题。
3、熔剂性球团合理的焙烧温度区间较窄，热工制度控制难度大，如何提高自产铁精粉比例以及控制生球爆裂和熔剂性球团液相生成量一直是行业的难点问题。
4、高炉高比例球团冶炼是高炉操作过程中面临的技术性难题，熔剂性球团化学成分、冶金性能的控制和高炉操作制度的匹配是行业共性问题。
二、解决问题的思路与技术方案
本项目针对大型带式焙烧机自主创新、优质熔剂性球团制备和高炉高比例球团冶炼等行业难题，开发了国产化大型带式焙烧机生产优质熔剂性球团及高炉高比例球团冶炼技术。主要包括：（1）开发国产化大型带式焙烧机工艺装备及核心技术，推动钢铁行业节能减排降碳、绿色化、智能化生产；（2）拓展球团精粉资源，创新配矿结构，建立基于铁精粉基础特性的熔剂性球团用矿优选方案，开发粗颗粒低成本自产铁精粉高效处理技术，提高熔剂性球团自产铁精粉使用比例；（3）系统研究与熔剂性球团原料条件相适应的带式焙烧机热工参数关键控制技术；（4）开发冶金性能全面优化的熔剂性球团生产关键技术，实现熔剂性球团在国产化大型带式焙烧机的工业化生产及3000 m3级高炉高比例球团冶炼。项目技术方案见图1。
图1 项目总体技术方案
三、主要创新性成果
1、开发了国产化大型带式焙烧机工艺装备及核心技术，在唐钢新区成功建成并投产国内最大的球团带式焙烧机，实现了大型带式焙烧机的国产化自主设计。
通过利用数值模拟、仿真技术以及试验研究等手段进行单元和整套设备的优化设计与研制，开发了具有自主知识产权的带式焙烧机关键设备和智能化控制系统，打破国外公司在该领域的长期技术垄断，突破技术封锁，在唐钢新区成功建成并投产国内最大的球团带式焙烧机。通过三维BIM设计，同步进行设备及建筑结构强度有限元分析、风温流场仿真模拟分析，通过有限元分析及流场模拟指导、优化设计方案，实现方案的最优化，实现烟气余热最有效的循环利用，节能减排降碳。开发出设备故障诊断预判系统，改变生产组织、设备检修模式，提高系统作业效率。开发了台车智能管理系统，实现了不停产在线检修更换。结合人工智能形成了智能造球系统，代替人力实时分析原料条件变化，精准做出操作调整，在进一步稳定生球产量的同时使生球合格率提升3%以上。建立了回热风管路优化模型，保证热风系统温度场、压力场和流速场的均匀，实现烟气热能的最大限度循环利用，进而降低燃料消耗，降低碳排放。采用多喷嘴均匀燃烧技术和自适应温控调整技术，确保实现整个系统的温升曲线均匀、平滑、顺畅，避免异常温变及局部高温，降低氮氧化物产生率。
2、建立了基于铁精粉基础特性的熔剂性球团用矿优选方案，实现了不同资源条件下熔剂性球团配矿结构的优化，开发了粗颗粒低成本自产铁精粉高效处理技术，实现了熔剂性球团自产铁精粉比例由20%提高至40%。
开发了配矿结构-化学成分-工艺参数耦合调控技术，明确了自产铁精粉对熔剂性球团冶金性能和微观结构的影响规律，确定了配加自产铁精粉条件下熔剂性球团最佳碱度控制范围1.1~1.2，镁硅比0.4~0.5，开发了基于控制生球爆裂和球团液相生成量的带式焙烧机热工参数关键控制技术，形成了熔剂性球团配加自产铁精粉关键控制技术。
3、行业内首次阐明了熔剂性球团低温还原粉化的产生机理，确定了影响熔剂性球团低温还原粉化性能的关键因素，提出了配矿结构优化、化学成分控制、渣相控制等低温还原粉化关键控制技术。
开发了RDI+6.3稳定在90%以上、还原性稳定在80%以上、还原膨胀指数稳定在13%以下的高还原性低膨胀优质熔剂性球团，通过熔剂性球团SiO2、MgO含量及MgO/SiO2、碱度以及球团粒度的精准调控，形成了熔剂性球团高温软熔滴落性能的优化控制技术。形成了基于冶金性能全面优化的熔剂性球团生产关键技术，成功实现了优质熔剂性球团在国产化大型带式焙烧机的工业化生产。
4、研发与应用了高炉高比例球团冶炼的合理炉料结构、上下部操作协同匹配等系列炉况稳定性提升技术，通过工艺和装备的全面剖析改进，形成了3000 m3级高炉球团矿配比长期稳定在40%以上高效冶炼技术，实际应用效果良好。
四、应用情况与效果
1、熔剂性球团冶金性能显著提升。通过本项目研究，唐钢新区熔剂性球团不仅低温还原粉化指标得到大幅提升，其他冶金性能也全面得到改善，而且指标的稳定性也大大提高。改善前后熔剂性球团冶金性能对比见表1，可以看出，在保持抗压强度、还原性和还原膨胀指数优良的基础上，熔剂性球团RDI+6.3由62%提高至90%以上，RDI+3.15由75%提高至95%以上，RDI-0.5由16.7%降至2.8%。熔滴性能方面，T10由1129℃提高至1171℃，S值由658.3 KPa·℃降低至164.8 KPa·℃。
表1 改善前后熔剂性球团冶金性能对比
2、高炉技术经济指标改善。在熔剂性球团冶金性能改善的基础上，带式焙烧机实现了熔剂性球团的满负荷生产。在频繁限产、限电导致烧结产能严重不足的情况下，有效缓解了高炉用料不足的被动局面，确保了高炉正常生产。根据烧结产能、高炉对高球比的适应能力及炉料结构的经济性，经综合平衡，逐步将50%烧结矿+40%球团+10%块矿的炉料结构作为稳定的炉料结构固定下来。在此炉料结构下，三座高炉炉况及技术指标得到了明显改善，基准期时，高炉的日产量8500 t/d以上，燃料比512 kg/t，焦比390 kg/t，煤比122 kg/t；球团入炉比例提高至40%时，高炉技术经济指标达到：日产量8500 t/d以上，燃料比为512 kg/t，焦比365 kg/t，煤比147 kg/t，焦比降低了25 kg/t，煤比提高了25 kg/t，在当前钢铁行业普遍低迷的情况下，为高炉实现降本增效提供了有效的支撑。
本项目实施后，2021~2022年炼铁系统实现了CO2排放量减少约49万吨，降低3.5%，NOx排放量减少约161万吨，降低11.5%，SOx排放量减少约53.2万吨，降低3.8%，颗粒物排放量减少约67.2万吨，降低约4.8%。为高炉低碳冶炼、节能减排以及减少污染物排放做出了贡献。申请专利16项，授权8项，发表论文16篇。项目总体技术达到行业领先水平。
