1前言

多年来，块矿一直作为高炉的主要含铁炉料。随着高品位、高强度矿石储量的枯竭，以及越来越多的矿粉，人们开发了造块技术（球团和烧结）。

自20世纪50年代以来，球团厂一直为高炉（BF）和直接还原（DR）生产原料。最初，在美国采用竖炉（SF）生产，目前这种技术已过时，另外两种工艺被开发出来，其具有更大的产能、更好的效率、更高质量的产品。一是带式焙烧机（TG），能够处理任何种类的铁矿石；二是链篦机（GK）-回转窑（RK），更倾向于处理磁铁矿矿石，而在处理赤铁矿和水化矿石时存在局限性。

烧结技术使用较粗的铁矿细粒（0.15-6.3mm），球团技术使用精矿和超细粉（<0.15 mm）。分析世界铁矿石储量和矿床情况，铁含量明显下降，未来需要更多的选矿步骤来满足高炉和直接还原的需要。矿石处理强度越大，超细粉产量越大。造球是能够有效地凝聚这些超细粉和精矿的唯一技术。在这种情况下，铁矿石球团的产量一直在增长，并将继续保持这一趋势。世界造球产能2000年为3.5亿吨，2020年达到6亿吨以上。

2 发展

2.1球团技术

由于地质成因的不同，铁矿石的特性差别很大。在开发一个新的球团项目时，考虑所选矿石或混合矿的冶金地质数据是很重要的。对于赤铁矿而言，表生矿具有软质、Fe2O3晶体小、微孔隙率高、污染物分散在基体中等特点；变质岩型矿具有坚硬、晶体大、致密、孔隙率低、表面结净等特点。不同的铁矿石在采矿和冶金过程中的行为是不同的。实践表明，最方便的造球是不同类型矿石的混合物，以充分利用每一种的最佳性能。在球团厂的设计中，矿石的特性会影响到工艺路线、设备尺寸和核心技术等方面。

目前，带式焙烧机和链篦机-回转窑两种技术主导着造球市场，产量占世界总产量的95%以上。竖炉是一种低产能的装置，过去被广泛使用，由于较高的运营成本，逐渐被放弃。带式焙烧机产能可达1000万吨/年，链篦机-回转窑产能可提高到600万吨/年，竖炉的产能限制在50万吨/年。带式焙烧机适用于处理任何类型的铁矿石。尽管部分链篦机-回转窑产线使用100%的赤铁矿，但其更适合于使用磁铁矿或磁铁矿与赤铁矿的混合物。

球团制备包括3个阶段。第一阶段，矿石制备：磨矿至规定的粒度；第二阶段，混合和成球：添加水分和添加剂，成球（生球）；第三阶段，点火：生球焙烧。带式焙烧机和链篦机-回转窑工艺的主要区别在于第三阶段。

第一阶段：铁矿石的制备和处理。铁矿的处理是必要的，以达到在第二阶段形成生球所需的细度。这种细度取决于矿石的特性。一般情况下，在成球段形成生球需要比表面积在1700-2200cm2/g之间，平均粒径小于0.074mm，这些条件是通过磨矿和添加剂来实现的。干磨和湿磨均可用于粉碎，这取决于矿石类型和球团厂现场条件。无论是在能源消耗还是磨损材料消耗方面，磨碎都是非常昂贵的。有些造球厂在流程中没有第一阶段，意味着工厂从供应商那里收到已经磨碎并准备成球的矿粉。

第二阶段：混合和成球。在铁矿石制备后，加入一定量的粘结剂（膨润土、水合石灰、有机化合物等）、熔剂（石灰石、白云石、橄榄石、云母石、菱镁矿等）和可能的固体燃料（无烟煤、焦炭、石油焦、木炭等），以生产规定的球团。熔剂对调整球团的碱度很重要，使它们具有适合于炼铁的化学、物理和冶金性能。最好将这些添加剂单独精选处理，并在混合机入口加到铁矿石中。然而，根据当地的条件和原材料的可用性，在某些工厂，熔剂被添加到铁矿石中并一起磨碎。

添加添加剂后，调整待成球混合物的水分含量。混合料送至成球装置后，将物料送入混合机，可采用圆盘或桶。由于圆盘的简单性，被更加常用。生球的大小可以通过控制一些工艺变量来调节。在进入焙烧之前，将生球团筛选（最好是8-18mm），除去较大和较小的球团。这些被除去的球团在混合和成球过程中再循环。

第三阶段：点火焙烧。这是所有造球技术的主要阶段，也是最大的资本费用和运营费用之一。在这一阶段，主要设备是球团焙烧炉。两种工艺的基本区别在于焙烧炉的设计和一些工艺参数。

为了生产具有合适冶金性能的球团，球团被控制在炉内不同的高温区域（1250-1350℃），在这些区域中，颗粒经历干燥、预热、焙烧、均热和冷却这几个阶段。冷热气体的流动（上升气流和下降气流）、温度、压力和每个区域的其他变量都是根据燃烧颗粒的种类来控制的。来自冷却区的热气体的再循环回收了部分热量，提高了炉子的热效率。对炉内产品进行筛分，将颗粒（<5mm）与最终产品（焙烧颗粒）分离。

带式焙烧技术由一个管状炉组成，炉内有一个移动炉排。所有的燃烧阶段都在这个单一的装置中进行，并且没有球团之间与炉排的相对运动。带式焙烧机制成的球团具有优良的冶金性能。

链篦机-回转窑由三个独立的反应器串联在一起。一个活动篦，一个旋转反应器（圆柱形，倾斜布置）和一个圆形冷却器。工业经验证明，链篦机-回转窑在处理赤铁矿和水化矿 （褐铁矿或针铁矿）制成的球团时存在一定的局限性。主要原因是在预热区后和回转窑之间的转移有大量的低强度球团散落，导致颗粒和细粒的形成。对于磁铁矿颗粒，情况就大不相同了。磁铁矿与预热区气体中的氧气发生放热反应，产生热量并在氧化的新赤铁矿之间产生牢固的桥梁。因此，当处理磁铁矿球团时，并不存在赤铁矿或水化矿制成的球团缺乏强度的情况。

链篦机-回转窑使用赤铁矿的经验表明，有必要显著提高预热区气体的温度，以增加干燥区域和预热区域的球团强度，但是这个过程意味着得到较低的热效率值。

在表1中，显示了在选择造粒技术时要考虑的要点列表。关于产能对具体资本支出的影响，年生产能力越高，特定资本支出越低，这有利于带式焙烧机机工厂。带式焙烧机和链篦机-回转窑在相同产能下的资本支出相当。

自20世纪50年代引入造球技术以来，带式焙烧机和链篦机-回转窑技术的产能急剧增加。带式焙烧机技术一直保持着相对于链篦机-回转窑技术的单体规模优势。

在进一步增加产量方面，每种技术的设计挑战各不相同。带式焙烧机工艺必须关注工程挑战，以在台车下垂问题出现之前增加单个台车的宽度。可以进一步增加生产线长度，主要设备制造商正在设计更大的装置。对于链篦机-回转窑工艺，工程上的挑战与回转窑的最大尺寸有关。LKAB 公司使用的窑炉直径接近水泥工业中使用的最大直径。链篦机-回转窑供应商必须专注于创新方法，突破工厂规模的限制，以保持与带式焙烧机的竞争力。

2.2球团增长的因素

世界铁矿石储量的数量和质量正在发生变化，据估计，世界资源超过8000亿吨的粗矿石含有超过2300亿吨的铁。随着时间的推移，高质量块状矿变得稀缺。为了提高矿中铁含量和消除有害物，需要将低品位矿进行选矿。矿石处理强度越大，产生的细粒越高（-0.15mm）。这些细粒可生产高质量的球团，由于这种趋势，球团的重要性日益增加。影响球团矿增多的因素如下：

高品位、致密矿正在减少；

缺乏高质量的块状矿；

细颗粒的产量不断增长，颗粒尺寸小于0.15mm；

对复杂选矿厂生产的昂贵精矿进行增值的必要性；

新建烧结机的环境限制。

与其他含铁材料相比，球团是一种更好的炼铁原料，因为它们具有以下优点：均匀的尺寸、直接还原的高金属化率、增加高炉的渗透性以优化燃料比、减少渣量和杂质、提高产量和降低环境排放等。

2.3球团质量演变

磁铁矿晶体氧化会产生大量的热量，在这种氧化过程中形成键桥（Fe2O3-Fe2O3），可以生产出相对较高强度的球团。当处理赤铁矿或针铁矿时，情况完全不同。在这种情况下，没有任何晶体氧化，所有所需的热量都由外部来源提供，球团强度主要由炉渣结合相提供。考虑到这些事实，长期以来开展了许多研究，以表征几种矿石，确定添加剂和制球工艺参数，以生产高质量的高炉和直接还原用球团。

20世纪50年代中期，在美国，造球开始时，对铁矿进行了选矿，生产出高硅精矿（SiO2=5%-6%）。然后，在混合料中加入膨润土并将其混合成球。高硅/酸球团作为高炉原料，与烧结矿和块状矿混合使用。

球团的质量是由一组指标来定义的，分为三大类：化学、物理和冶金参数。对于高炉和直接还原，酸性脉石（SiO2+Al2O3）、P、S和其他杂质元素必须保持较低含量，因为它们对操作和铁质量有负面影响。球团可以在广泛的化学成分范围内生产，二氧化硅通常在1%到8%之间变化，碱度在0.1到1.5之间变化。图1为高炉球团和直接还原球团铁含量与碱度的关系。

高炉球团的规格取决于它们如何在配料中使用：作为块状+烧结料混合料的补充或作为主要成分（所有球团为原料）。在第一种情况下，作为补充，最好是Fe>65%、SiO2在2%-3%范围内的球团，其中酸性或者碱性可根据情况而定。当高炉全部以球团为主时，由于化学成分不同所以球团的渣量较多，类似烧结矿。通常情况下为Fe>62%、 SiO2在4%-5%之间，且可使用酸性或碱性助熔剂的球团。在特殊情况下使用超熔剂高炉球团。

直接还原法在20世纪70年代开始使用，采用的是低硅高炉球团。当时，这项新技术的研究正在进行中，球团的质量也在不断调整中。随着时间的推移，该技术的研究证明，直接还原球团的铁含量越高，酸性脉石越少，其还原性和金属化效果越好。随着涂层技术的出现（在球团表面喷涂一层极薄的Al2O3层、CaCO3层、波特兰水泥层等），过去由于铁含量较高而出现的粘球问题得到了解决。直接还原铁（DRI）和热压块（HBI）作为金属炉料用于电弧炉炼钢。DRI/HBI的金属化程度越高，酸渣（SiO2+Al2O3）含量越低，电炉性能越好。

碱性渣CaO+MgO，有利于电炉操作，因为它中和了酸性渣，MgO减少了耐火材料的磨损。但这些碱性氧化物的加入增加了球团的碱度，降低了球团的铁含量。直接还原球团比高炉球团受限更多。一般情况下，最佳直接还原球团的规格为：最小值%Fe=67.5，最大值%（SiO2+Al2O3）=1.5。在采矿和选矿装置中，生产直接还原球团的精矿是困难和昂贵的。世界范围内能够经济地开发直接还原应用的铁矿石资源很少。考虑到高炉和直接还原技术，以及主要球团供应商的产品，表2显示了一些典型球团的化学特性。

在物理参数方面，粒度是一个重要指标，这与高炉和直接还原炉炉料的渗透性有关。基本规格是：粒度为8-18mm的占比最小90%；粒度小于5mm的占比最大为5%。

另一方面，高强度球团对于避免在处理和运输中产生细粒尤为重要。一般来说，转鼓指数＞6.3mm的占比最小为94%；球团的冷压强度最小值为2000N。

球团的冶金性能对高炉和直接还原反应器的平稳运行和更高的生产率有影响。对于直接还原，考虑到760℃下的Midrex-Linder测试，球团的主要冶金规格为：金属化程度最小为92%；粉碎为粒度小于3.36mm的球团占比最大3%。

20世纪70年代初，德国钢铁研究协会的Kortmann和Burghardt发表了一篇关于铁矿石球团基本原理的论文：探索影响铁球团质量的可能性。这是对用磁铁矿和赤铁矿生产的高炉球团质量进行长期研究的结果。作者研究了SiO2和碱度（CaO/SiO2）对球团质量的影响，重点考察了球团的冶金指标：膨胀指数、低温粉化、荷重还原性（1050℃）和还原度（dR/dt）。众所周知，高炉的运行受到球团质量的强烈影响，主要是冶金参数。一方面是过度膨胀和低温还原粉化会造成透气性减小、炉料悬料和烟尘增加。另一方面，较低的软化温度扩大了粘结区，降低其渗透率，干扰了气体流动，降低了产能。还原性也特别重要，因为这意味着从球团中脱除氧的速率，即铁的生产速率（高炉生产率）。研究人员根据SGA和ISO制定的测试方法，为高炉球团建立了以下冶金规范：

低温粉化率：粒度小于0.5 mm的球团占比最大为 20%；

膨胀指数最大为20%；

荷重还原性（1050℃）与还原度（dR/dt）之比最小为0.7；

在80%还原度的情况时，静压最大值为20mmWG。

20世纪70年代，在日本学者对高炉进行解剖后，对铁料的软熔带和高温性能进行了大量的研究。结果表明，提高软化熔融温度对保持高炉良好的透气性、降低焦炭使用率、提高生产效率具有重要意义。碱度越高，球团的高温性能越好。这也是选择熔剂或超熔剂球团作为高炉首选炉料的原因之一。助熔剂球团的另一个优点是所需的助熔剂如石灰石和白云石已经被煅烧，提高了高炉的结焦率。

3展望

在高炉原料中使用更高百分比的球团导致炼铁和炼钢过程中的重要改变。第一个影响是原材料成本的增加。但鉴于球团给炼铁和炼钢带来的其他好处，这并不一定会导致更高的钢水和轧钢成本。

作为一个总原则，增加球团的用量应该增加高炉的生产效率。生产效率和球团使用量之间的联系是很清楚的，包括炉渣体积、颗粒流体动力学和低温还原性。由于球团中脉石含量较低，减少了炉渣体积，同时由于球团的形状更规则，改善了流体动力学。由于赤铁矿粒度小，球团孔隙率高，其低温还原性也高于其他配料。熔渣体积的减小减少了熔渣所需的燃料。它还通过减少回旋区的形成来限制煤气在炉膛中心的渗透，从而在回旋区中产生适宜的条件，以提高煤粉的喷吹速度。炉膛块状带流体动力学的改善降低了该区域的压降。此外，随着炉料低温还原性的提高，天然气的使用量也会增加，从而降低了热储备区内外的碳需求。另一个有价值的点是，随着球团利用率的提高，炉子内的燃料率和硫输入减少，这也影响了这种材料的使用价值。较低的焦炭成本、较高的铁水质量和较低的脱硫费用，增加了球团的价值。特别是在炉顶煤气被用于发电时，更加强化这一基本原理。

球团中MgO含量的增加，使烧结机可以在低MgO含量的情况下运行，这将大大提高生产率，而不会损害高炉中的脱硫。虽然球团通常具有较低的软化和熔化温度，但球团和烧结矿的耦合设计将产生在软化和熔化性能方面具有最佳性能的混合料。

球团提高了透气性，从而提高了高炉的生产率。就化学成分而言，球团对炼钢产生积极影响，因为它可以生产低磷产品，而不会在脱磷装置中产生额外的成本。在高炉中使用更高球团比例时，另一种可能性是高炉可采用质量更差的其他原料，如高灰分煤和高P、Al2O3的块状矿石。

大型高炉（容积约4800m3, 喷煤率150kg/tHM）中，不同炉料混合的CFD结果和线性优化模拟结果显示，随着球团的加入，结焦率和结渣率降低，而生产率提高。在其他结果中，观察到炉顶气体中的CO/CO2比降低。同时，降低了金属硅和硫含量。随着炉料中球团占比的增加，块状带的渗透率也会增加，这允许更高的高炉体积，因此，可以看到产能有所增加。在这种情况下没有考虑的另一点是能否喷吹更多的煤粉。必须指出，所研究的结果是基于流体动力学和传热传质模拟考虑多孔介质。根据实际高炉的操作理念和其他当地因素，这些结果的定量变化可能会发生。这里的关键因素是提出技术上和质量上的一般规律，而不是考虑每个案例的经济情况。

烧结厂和造球厂之间设计差异导致两者的排放模式不同。带式焙烧机和链篦机-回转窑球团厂排放较少的二噁英和呋喃，主要是由于温度分布和气体再循环方案。SOx的排放量也较低，主要是由于更高的燃油效率以及使用天然气等低硫燃料的能力。对于传统烧结厂来说，每生产1t烧结矿平均使用50kg焦炭或无烟煤作为燃料，再加上点火器的燃料，通常每吨烧结矿使用2.5Nm3的焦炉煤气。烧结矿的高SiO2含量是达到理想力学性能所必需的，这就要求MgO和CaO的含量相匹配。通常石灰石和白云石是它们的主要来源，尽管在烧结过程中，白云石、蛇纹岩和橄榄石也是MgO的重要来源，二氧化碳强度可以忽略不计。在这些考虑下，烧结过程每吨烧结矿将排放约225kg的二氧化碳。其中，大约60kg是由于石灰石或白云石的煅烧。另一方面，对于造球厂来说，其燃料消耗会更低。在球团链篦机-回转窑厂，每生产1t球团约消耗25kg煤和10Nm3天然气。带式焙烧机厂每生产1t球团大约消耗15kg煤和15Nm3天然气。在任何一种情况下，加上石灰石和白云石的煅烧所产生的排放，总二氧化碳排放量应在75kg/t左右。对于低硅自熔球团，这将相当于生产1t球团排放21kg CO2。重要的是，必须额外添加36kg的石灰石和白云石，因此每消耗1t球团要额外排放28kg的二氧化碳。此外，生产1t球团消耗50kWh的电能，而生产1t烧结矿，电能消耗为35kWh/t。随着球团使用的增加，高炉的燃料率降低了，用球团矿代替烧结矿将带来整个生产过程的排放降低。

在2007-2017年间，世界铁矿石和球团产量大幅增加，然而，球团生产的增长率高于矿粉和块状矿石，年均增长率分别为5.6%、4.4%和2.3%。在未来几年，无论哪种工艺路线（DR-EAF或BF-BOF），球团的重要性将继续。国际上对二氧化碳排放的压力将有利于高炉使用更多的球团。

除美国外，其他国家或地区大部分采用以烧结矿为主。就欧洲而言，尽管大多数钢铁制造商都遵循烧结矿为主模式，但在某些情况下，高炉中大部分使用球团，高达100%，如瑞典的SSAB。在欧洲，环境限制对钢铁厂产生了强烈影响，并禁止了烧结厂的扩张。这一事实有助于增加球团的使用在欧洲高炉炉料方面达到30%的平均水平。

从中长期来看，无化石钢和以氢基绿钢为主的生产技术将不断发展，并在市场上发挥重要作用。因此，有必要在H2气体占上风的还原条件下开展球团还原研究。在这种环境下优化球团的性能将使直接还原反应器和高炉在炼铁中获得高性能的产品成为可能。

4结论

1）球团生产是一项成熟技术，球团单体装备产能可达1000万吨/年。当前，全球球团产能超过6亿吨，并将在未来几年继续稳步增长。

2）未来，球团可能会在高炉炼铁中变得更加重要。这不仅是因为块状矿石质量下降，主要是球团作为提高高炉生产率和气体利用率的手段。同时，高炉炉料使用更多的球团将有助于减少二氧化碳排放。

3）在欧洲，由于环境的限制，以废钢/DRI-HBI和EAF为基础的炼钢路线将占主导地位。DRI-HBI需求量的增加将带来直接还原用球团需求的增加。

4）美国页岩气的开发和南美竞争性天然气的生产，将改善在美洲安装新直接还原工厂的环境。直接还原用球团的需求将呈稳步增长的趋势。

5）随着炼铁技术发展，对氢气还原气氛下球团行为的研究和开发计划正在推进。