一、研究的背景与问题

钢铁工业是典型的高排放和高能耗工业，我国钢铁碳排放占全国总碳排放的15%，占全球钢铁工业碳排总量的60%以上，钢铁能耗占全国能源消费总量的11%[1, 2]。作为钢铁联合企业中的重要工序，烧结为高炉提供65%～80%的含铁原料；它约占钢铁总能耗的10~15%，其中75%～80%为固体化石燃料消耗；它产生烟气排放量大，占钢铁总排放量的一半以上，其中烧结烟气中含有30％以上的SO2、NOx、二噁英、重金属和其它有害物质[1, 3-5]。

钢铁企业副产品种类多、产量大、成分杂、处理难，对环境影响十分突出。返矿是钢铁工业中一种典型的副产品，是烧结作业中无法避免的产物，粒度一般在5mm以下，块矿少粉矿多。目前国内大部分钢铁企业是将返矿返回烧结配料，生产实践中有30%～45%返矿会进入烧结系统循环再烧。既浪费人力、物力，又浪费能源，返矿量过多会影响烧结过程控制，烧结矿强度差，造成烧结生产恶性循环，炼铁成本上升[6]。因此，回收和利用好烧结返矿对钢铁企业提高资源利用水平、减少矿产资源的开采、释放炼铁原料供给压力、减少污染物排放量具有极强的现实意义。

冷压球团因其制备工艺无高温处理过程、能显著减少能耗和降低污染、可吸纳部分冶金固废、充分利用二次含铁原料，同时具有流程简单和投资少等优点，成为冶金固废处理和新型炉料制备的关注热点[7]。基于此，将返矿高效利用、固废协同运用与冷压球团有效衔接，形成与高炉运用相适配的返矿冷压球团技术，发挥更大的社会和经济效益，则是推动钢铁企业降碳增效的重要路径[8]。

二、解决问题的思路与技术方案

1、技术思路

以返矿为主要原料，按比例添加铁精粉、钢渣等其它含铁原料进行配料，随后将独家粘合剂、水加入其中，混合均匀后便可压制成型，将压好的湿球送入专业烘干设备进行脱除水分处理。以上步骤获得的返矿冷压球团性能良好，它被转运至仓储车间储存、被送往高炉或是转炉冶炼。

2、固结机理

利用外力破坏模具中由烧结返矿、铁精粉等粉料颗粒之间的摩擦力和机械咬合力形成的“拱桥效应”，使原料中各颗粒向着自己有利方向移动，重新排列，充实粉料颗粒之间的孔隙致使其逐渐密实化，在特研粘合剂的作用下，大颗粒被小颗粒包裹粘结、联结从而成型成块。在200°C温度下进行干燥，过程中产生新的物相并将返矿颗粒和其它粉料颗粒粘接在一起。主要影响因素：1）物料基础特性；2）粘合剂性能；3）混碾时长；4）干燥固结方式。

3、技术路线图

如图1所示，该路线主要包括配料、混料、压球、烘干、仓储等几个环节。

 图1  返矿冷压球团技术路线

性能指标：

1）TFe≥50%；

2）热爆裂指数DI-6.3≤10%，低温还原粉化指RDI+3.15≥65%，还原膨胀指数≤20%；

3）常温下球团强度≥2500N/个，水分≤2%；

4）特研粘合剂性能稳定，产品外形规则，粒度均匀。

三、创新性新进展

1、开发了返矿冷压球团技术，不但在国内中小高炉中投入运用，而且产品在炼铁领域实现工业化应用是国内首创；

2、首次把返矿作为炼铁原料，独辟新境地综合利用返矿以及钢渣、污泥等钢铁厂固废资源；

3、研发了与返矿冷压球团相匹配的烘干设备；研制了该工艺需要的多元复合型粘合剂；

4、生产中可协同处理部分其它冶金固废，回收有价元素；

四、应用情况与效果

1、返矿冷压球团技术应用情况

返矿冷压球团技术自2018年在汉钢集团首次投入实用后，陆续在酒钢榆钢、略阳钢厂投入应用，经过4年多时间生产实践和技术发展，该技术不但十分成熟、可靠，而且效果好、安全性高。

表1  重庆臻焱烧结返矿冷压球团应用现状

表1展示了重庆臻焱在国内已经投用的3条生产线有关情况，返矿冷造球不但可以应用在大高炉（2800m3），还具有高达15%入炉炉料比例。另外，除了表1中三家单位应用之外，全国多家钢铁企业正在开展该项目。和烧结矿、球团矿相比，返矿冷压球团不需要高温烧结或焙烧，具有以下特点[9, 10]：1）成品颗粒大小均匀，不需再做整粒处理；2）适用于粉料成型，对原料的粒径范围要求很宽；3）具有增加烧结产量、提高高炉熟料率、低碳节能环保等优势。

2、高炉使用返矿冷压球团生产实践效果

从表2（2800m3高炉）运行指标上看，使用返矿冷压球团期间，随着返矿冷压球团比例增加，不但产量增加，综合焦比降低，而且铁水温度有所升高，富氧率也随着升高。此外，高炉料柱透气性有不同程度改善。

表2  2800m3高炉使用返矿冷压球团后的部分指标

3、经济社会效益

（1）降耗减排方面：2021年中钢协会员单位烧结工序能耗48.50 kgce/t [11]，相比之下，返矿冷压球可节约36kgce/t，降低能耗70％以上。

（2）经济效益方面

根据应用单位的历史数据，使用返矿冷压球团配比达到13%左右时，生铁直接成本降低12元/t，间接成本降低约36元/t。因此使用该产品不但能够有效降低生产成本，而且增加钢铁企业经济效益。

（3）综合效益方面

返矿冷压球团技术不但减少循环复烧，释放烧结能力，缓解烧结生产压力；有利于提高烧结矿质量和品位，改善烧结矿冶金性能，而且也有助于调整高炉原料架构、调节炉内碱度和稳定炉况等。

该成果拥有“冷压球团复合粘合剂及其制备方法”、“低能耗冷压球团及其制备方法”、“高强度冷压球团成球机”等近30余项专利。联合宝钢股份、上海大学、冶金规划院等单位，制定了《烧结返矿复合冷固结球团》、《冶金尘泥冷固结球团》团体标准。努力把冷压球团做成平行于烧结、球团的第三种造块技术。拥有完备的冶金固废利用核心技术体系，具备技术研发、运用和生产线设计、建设、运营全链条服务能力。该技术已经推广到除尘灰、污泥、钢渣、焦粉等其它需要粉料造块的领域。

信息来源：上海大学、重庆臻焱节能环保科技有限公司

参考文献：

[1] 王长尧. 钢铁行业节能减排与绿色发展空间巨大 [N]. 中国能源报, 2020-12-07.

[2] LI Y, CHEN H, HAMMAM A, et al. Study an organic binder of cold-bonded briquette with two different iron bearing materials [J]. materials, 2021, 14(11): 2952.

[3] WANG Y-Z, ZHANG J-L, LIU Z-J, et al. Recent Advances and Research Status in Energy Conservation of Iron Ore Sintering in China [J]. JOM, 2017, 69(11): 8.

[4] 李映, 曹懿, 聂浩, 等. 超声波法表征烧结返矿冷压块的固结程度 [J]. 中国冶金, 2022, 32(1):

[5] HAMMAM A, CAO Y, EL-GEASSY A, et al. Non-Isothermal Reduction Kinetics of Iron Ore Fines with Carbon-Bearing Materials [J]. Journal of Metals, 2021, 11(1137):

[6] 严礼祥. 烧结返矿冷压成球入炉的可行性分析 [J]. 冶金管理, 2020, 21): 9-10.

[7] OMRAN M, FABRITIUS T, YU Y, et al. Improving Zinc Recovery from Steelmaking Dust by Switching from Conventional Heating to Microwave Heating [J]. Journal of Sustainable Metallurgy, 2020, 8):

[8] 严礼祥. 钢铁厂冷压块与球团矿冶金性能对比研究 [J]. 冶金与材料, 2020, 40(6): 2.

[9] 于要伟, 严礼祥, 李映. 烧结返矿造块及应用 [C]. //2022全国炼铁生产技术会暨炼铁学术年会. 广东湛江; 中国金属学会. 2022.

[10] 严礼祥, 刘文权, 祁占林, 等. 烧结返矿冷压球团助节能减排 [N]. 中国冶金报, 2022-6-15.

[11] 王维兴. 2021年钢协会员单位能源消耗评述 [N]. 中国冶金报, 2022-03-24.