摘要：提高高爐球團比例正成為我國高爐煉鐵發展新動向。國外大量的成功生產實踐證明了高比例球團高爐冶煉的技術可行性。不同種類的球團應滿足基本的質量要求標準，其中球團膨脹性能應是關注的重點。在高爐生產中， 需在爐料結構、高爐爐料分布、爐熱控制等方面進行優化和改進。提高球團比例的最大挑戰是煉鐵成本的控制。鐵精礦和球團的資源供應，球團生產和使用的節能減排效果，精礦和球團的溢價水平等，都是限制球團比例升高的關鍵因素。
關鍵詞： 煉鐵；高爐；球團
1 引言
2018 年，全球高爐煉鐵產量達到 12.39 億噸，其中我國高爐生產生鐵 7.71 億噸，佔 62.2%。高爐煉鐵工藝在我國將長期保持其壟斷地位。與此同時，我國的高爐煉鐵也正面臨著越來越嚴格的節能和環保壓力， 新的排放標準已嚴於國外水平。尤其是作為主要造塊工藝的燒結工序，成為環保部門重點監督和控制對象。特殊時段的燒結限產似乎正成為某種常態。在鋼鐵企業的各種應對措施中，減少高爐燒結礦入爐比例、增加入爐球團礦比例，被認為是有效的方法，並在個別企業實施。本文通過對國外狀況的分析，探討高爐高比例球團生產的技術特點和經濟性，以期為企業和行業提供參考。
2 國外高比例球團高爐生產的現狀
與燒結礦生產相比，球團生產一直被認為是更節能，排放更低。並且球團礦被認為品位高、粒度均勻、強度好、冶金性能佳、適合遠距離運輸等。根據資源和生產條件的不同，在不同的國家和地區，球團在高爐中的比例有很大不同。高爐使用高比例球團主要集中在北美和歐洲等一些企業。
2.1 北美地區
長期以來，由於鐵礦資源的稟賦，北美地區（美國、加拿大、墨西哥）的高爐均採用高比例球團生產。2017 年，全部25座高爐的球團在傳統鐵料（燒結礦、球團礦、塊礦，不包括廢鋼/直接還原鐵，以及冷壓塊）中的比例為 93%，有13座高爐使用100%球團礦，其餘高爐的球團比例從 51%到 99%不等。高爐平均燃料比為 504kg/t[1]。
2.2 歐洲
在近三十年的發展中，在環保和資源的雙驅動下，歐洲高爐在數量大幅減少的同時，爐料結構也從主要以燒結礦為主，向增加球團礦比例的方向發展，見圖 1[2]。其中瑞典 SSAB 長的高爐，長期使用 100%高質量球團，曾實現了超低渣量（155kg/t）和低燃料比(450~470kg/t)。荷蘭艾默伊登廠的兩座高爐，爐料中球團配比為 60%，高爐長期高富氧（Max20%）、高產（3.0t/m3wvd）、高煤比（Max 250kg/t）。
圖 1 1990~2013 歐盟 15 國高爐爐料結構變化
2.3 其他
日本大多數高爐採取以燒結礦為主的爐料結構，但仍有三座高爐使用較高比例的球團礦（+塊礦）：某年其中一座使用70%球團+30%塊礦，另外兩座使用27%球團+23%塊礦（燒結礦 50%）。
俄羅斯的下塔吉爾鋼鐵廠高爐入爐球團比例為53% （2015 年），高爐燃料比為492.5kg/t, 其中：焦比361.9kg/t, 煤比 53.7kg/t, 天然氣 76.9kg/t。
巴西某廠2 座3284m3 高爐的爐料結構為：48%燒結礦, 12%塊礦, 40%球團，實現高爐煤比：~180 kg/t。
我國河鋼收購的塞爾維亞鋼廠高爐，曾長期使用高達 75%球團的爐料結構，在2016 年1月，曾進行了短期 100%球團的高爐試驗，獲得成功。
總之，當今全球的實踐表明，高爐可以在各種不同的爐料結構，包括高達100%（90%）球團的條件下，都能成功高效運行。
3 球團礦種類及質量評價
3.1 球團礦種類
高爐使用的球團種類主要有三種：
（1）酸性球團：以鐵精礦的自然鹼度為基礎生產的球團，鹼度(CaO/SiO2)≤0.5。
（2）鹼性（熔劑性）球團: 在鐵精礦中添加石灰石（生石灰）或白雲石生產的球團。球團鹼度提高至0.7~1.3。
（3）氧化鎂（橄欖石）球團：在鐵精礦中添加橄欖石或白雲石生產的球團。球團 MgO 含量約 1.5%，鹼度≤0.5。
還有其他一些種類的球團，因在鐵精礦中添加了不同的物料，分別被稱之為含碳球團、含鈦球團、高鎂球團等。
3.2 球團礦質量
球團礦的品位是最重要的質量指標。球團礦的品位取決於所使用精粉的品位，高品位的球團需要用高品位的精粉生產。確切地說，高品位球團需要只有用低雜質含量的精粉才能獲得。在使用相同品位的精礦粉條件下，受添加劑成分的影響，酸性球團的品位最高、橄欖石球團次之，鹼性球團最低。
對於球團的抗壓強度指標，酸性球團最高、另兩者偏低。該規律並非絕對，主要取決於球團焙燒的工藝參數。
在冶金性能方面，一般情況下，酸性球團相對還原性指標差、鹼性球團和橄欖石球團稍好；酸性球團的軟熔性能差，鹼性球團稍好。
球團的膨脹被認為是最需關注的指標。酸性球團在膨脹指數上有好有差。鹼性球團和橄欖石球團的膨脹性能一般較好。研究發現球團的膨脹受球團鹼度影響，存在發生異常膨脹的鹼度區域，見圖2[3]。
上述性能的區別並非絕對的。通過球團生產工藝參數的調整和嚴格控制，都能夠生產出滿足高爐要求的球團質量。如，鹼性球團因在配料中加入石灰石或白雲石，其焙燒固結的能量需求要適當增加，焙燒溫度和時間也要做相應調整。
對球團質量的基本要求和相關標準見表 1[3]。
表 1 球團質量的要求
4 高爐高比例球團生產
在提高高爐使用球團的比例時，首先需要對若干技術方面進行分析評估，做出正確選擇，以達到預期的目的。
4.1 爐料結構
當高爐使用球團比例較低時，基本使用的是酸性球團加塊礦，與高鹼度燒結礦搭配。隨著球團比例升高成為主要的鐵料時，則會出現多種爐料結構供選擇，主要有：
（1）鹼性球團+ 燒結礦；
（2）鹼性球團+ 酸性球團；
（3）酸性球團 + 超高鹼度燒結礦。
以北美 2017 年的實際情況為例，在 25 座高爐中，有 16 座以鹼性球為主，配加酸性球/燒結礦，佔 64%。有 8 座高爐以酸性球團為主，配加燒結礦/鹼性球團，佔 32%。有 1 座高爐則是 50%鹼性球團+50%燒結礦。
荷蘭艾默伊登廠當前的爐料結構是 60%酸性球團+40%超高鹼度燒結礦的爐料結構。
歐洲某著名企業的同一個廠區內的三座高爐中，採取了不同的爐料結構。如 2013 年，A 高爐的爐料結構是：34%酸性球團+5%鹼性球團+45%燒結礦+15%塊礦，B 高爐和C高爐的爐料結構則是：37%~39%酸性球團+26%鹼性球團+21%~23%燒結礦+11%塊礦+3%廢鋼。
我國企業基本是以燒結礦為主，配加酸性球團和塊礦。球團比例大都在 20%以下。如將球團比例提高到 40%以上，可選擇的技術路線可以是多樣的。各廠可根據球團比例的高低、鐵礦資源情況、球團生產及燒結生產設備狀況、球團及燒結礦生產轉變的難易程度，對球團還原性和高溫性能的要求等多方面，進行綜合技術分析，最終確定最經濟的爐料結構。
4.2 高爐操作
當改變了爐料結構後，高爐操作也應進行相應的調整，以保證爐料在爐內的合理分布，實現高爐順行和高效低耗。
4.2.1 料序調整
球團與燒結礦不僅在粒度組成上差別很大，在冶金性能上也區別明顯。研究和實踐表明：將不同種類的爐料進行混合，不僅能實現料層徑向孔隙度一致，還有助於改善鐵料的綜合冶金性能。例如：塊礦的軟熔溫度低，燒結礦的軟熔溫度高，塊礦與燒結礦混合後，綜合的軟熔性能更接近燒結礦。因此，當使用高比例球團時，應研究綜合爐料的粒度分布和性能，確定最佳的料序。
4.2.2 布料方式
國外高比例球團高爐操作實踐證明，採用中心焦+水平料面的「理想料面分布」（見圖 3），能夠獲得高爐穩定順行和良好指標。該種料面分布能有效消除不同爐料和焦炭因安息角的不同帶來的分布偏析現象。同時，該方式在保持中心氣流通暢的前提下，實現徑向煤氣流分布的一致，保證鐵料的徑向還原均勻性。
在該布料原則中，強調將焦丁布在邊緣，以保護邊緣大塊焦的消耗、降低邊緣冷卻熱損失、以及改善邊緣透氣性的目的。此外，布料的檔位和圈數、以及批重等參數，也存在進行優化的必要性，以實現最佳的運行效果。這不僅針對高球比操作，對常規爐料結構操作也是一項持續改進的工作。
4.2.3 爐熱控制
高爐爐缸熱狀態的穩定是高爐適應爐料結構變化、接受高球比的基礎。我國高爐在爐熱控制上尚存在需要改進的方面。如對於普遍以噴煤調爐溫的習慣操作方法，應運用先進的爐熱監測系統，提前判斷爐缸熱狀態的走勢，並採用勤調微調的方式、以及綜合使用如溼分和富氧等其它鼓風參數，消除噴煤調節的反向滯後副作用、提高爐熱控制的準確性和有效性。
圖 3 理想布料模型及實際料面形狀[3]
5 高爐使用高比例球團生產的經濟性分析
相對於技術上的可行性，我國高爐使用高比例球團在經濟上則存在若干不確定因素，高比例球團使用面臨諸多挑戰。
5.1 鐵礦資源
提高高爐球團比例，需要增加球團礦和或用於生產球團的鐵精礦供應量。按我國目前的生鐵生產規模來估計，如果爐料結構中提高 10%的球團比例，需要增加球團和或精礦約 1.4 億噸以上。
當前，我國國產鐵精礦僅為 1.5 億噸左右，大多數已用於球團生產。未來我國自產精礦的增長空間非常有限。因此，靠增加國內精礦產量來提高球團供應量是非常困難的。目前，我國球團產能利用率僅 50%左右。其主要原因是精礦短缺，尤其是高質量磁鐵礦精礦短缺。
如果寄希望於增加進口球團和精礦量，現在看來，也是不現實的。這是因為，在每年進口的 10 億多噸鐵礦中，粉礦和塊礦合計佔 90%，精礦約 8%，球團約 2% （2018 年，共進口鐵口 10.65 億噸，其中粉礦7.72億噸，佔72.5%，塊礦1.86 億噸，佔17.5%，精礦8745 萬噸，佔8.2%，球團 1869.7萬噸，佔1.8%）。並且，在進口的精粉中，大多數是赤鐵礦精粉和燒結用精粉，並不適合在豎爐和鏈篦機迴轉窯中大量使用。
現有的球團和鐵精礦供應無法滿足大幅度提高球團比例的需要。如果全國高爐大幅度提高球團比例，會造成短期球團和鐵精礦價格上漲。長遠看，增加鐵精礦供應量則需要巨大的投資，並且由於運營成本高，沒有競爭力，投資者很難決策。
5.2 節能環保及生產成本
高爐使用高比例球團被普遍認為具有節能減排效果，從而利於企業可持續發展。對此尚需進行客觀細緻分析，以避免產生誤區。
5.2.1 球團生產使用的原料
球團使用的鐵精礦是經過細磨和選礦後獲得的。國內外的原生貧礦和一些特殊礦甚至經過了超細磨礦和或複雜選礦（包括複選），才能獲得高質量的精礦。該過程消耗的能量和產生的尾礦及廢水等均是巨大的。相對僅進行簡單破碎和水洗就可獲得的粉礦來說，鐵精礦生產在節能和環保上處於嚴重劣勢。這也是為何長期以來，進口精礦價格明顯高於進口粉礦的根本原因。
此外，球團使用的皂土以及鹼性球添加的熔劑，以及鏈篦機-迴轉窯的噴吹煤粉，均是經過細磨處理的， 甚至是焙燒或烘乾預處理。這些均是需要付出額外的能耗和環保代價。
5.2.2 球團生產工藝
球團生產的燃耗和能耗明顯低於燒結礦，而過程排放的有害物質總量（尤其是二惡英的排放）也低於燒結工藝，這是需要肯定的。從定量分析看，工序能耗相對降低約 30kg/tce。但把使用精礦和其它物料的細磨加工能耗考慮在內時，單位球團的總能耗比對等燒結礦能耗的優勢將縮小，甚至可能逆轉。二者的能耗差距縮小。
球團工藝比燒結工藝的廢氣排放大幅減少，優勢突出。但同樣，當考慮生產精粉的汙染排放，以及球團也要採取末端嚴格治理後，二者的最終汙染物總排放量差距將會縮小，由此帶來的末端處理費用差距會進一步縮小。
如果把球團與塊礦相比，則上述的球團生產能耗和汙染排放均成為突出的缺陷，相對付出的成本代價將是非常突出的。
5.2.3 高爐冶煉
提高球團比例具有提高高爐產量和降低燃料比的效果。然而，需要注意的是，該效果主要是高爐使用高品位低雜質的球團（例如>65%），從而使高爐入爐品位提高，高爐渣量降低所帶來的。球團的冶金性能特點所帶來的高爐運行變化尚未得到明確證實。當球團的品位不高、而綜合冶金性能不佳時，使用高比例球團礦很可能會造成高爐指標變差。因此，具體條件下，需要對擬增加球團的質量進行嚴格評估，以保證預期的高爐增產和燃料比降低目標的實現。
增加球團比例時，會出現高爐煤氣利用率提高，但燃料比不降低的現象。其原因是球團比燒結礦的氧含量高，故增加了煤氣中 CO2 含量。
球團的還原性，尤其是酸性球團，往往低於燒結礦。由此會產生增加球團比例帶來燃料比升高的擔憂。
目前尚未找出鐵料的還原指標與高爐燃料比之間的定量關係。但初步研究表明，現有的還原度檢測方法與高爐實際情況偏差較大，是造成不同鐵料之間還原度指標差別大的主要原因。
5.3 球團和精礦的溢價
球團和精礦的生產工藝決定了其成本明顯高於塊礦和粉礦，由此造成了國際市場上球團對塊礦，精粉對粉礦有較高的溢價。國外直接還原發展對高品質球團和精礦的需求也加劇了球團和精礦價格的升高。因此， 通過外購球團或外購精礦生產球團來提高高爐的球團比例，將付出較高的額外原料成本。而該成本將難以通過高爐產量升高或燃料比降低得到有效補償。
因此，除非是企業自有鐵礦資源，或因環保限產等因素，我國高爐提高球團比例將難以避免付出鐵水成本上升的代價。
在世界範圍內，使用高比例燒結礦的高爐，如在日本，韓國，中國，及中國臺灣的高爐，與在美歐等國家使用高比例球團的高爐相比，鐵水的成本仍然具有明顯優勢，並且這種優勢還會繼續。
6 結語
高爐使用高比例球團煉鐵在技術上是可行的，但在經濟上存在若干不確定因素。企業需針對自身條件、鐵礦資源、球團工藝節能減排效果等多方面，綜合考慮爐料中的球團比例調整，以確保預期的效益實現。對於我國整體煉鐵工業來說，高爐球團比例的變化將會對我國鋼鐵產品的競爭力產生直接影響，需要總體的把握、科學的管理和引導。
參 考 文 獻
[1] 2018 AIST North American Blast Furnace Roundup. Iron &Steel Technology, March, 2018: 270-271.
[2] Hans Bodo Lerngen, etc. Ironmaking in Western Europe – Status Quo and Future Trends, AISTech 2015 Proceedings: 1483.
[3] 馬丁戈德斯, 等. 現代高爐煉鐵[M]. 北京: 冶金工業出版社, 2016: 34, 95.