摘要：针对传统高炉冶炼中烧结矿占比过高导致的产量低、能耗大及环境污染问题，本研究提出了一种高炉高比例球团矿冶炼关键工艺技术。通过铁精矿粉复合预处理技术优化原料性能，结合圆盘造球工艺控制生球粒度，并协同调控焙烧温度、加热时间及氧化气氛等参数，实现球团矿的高质量固结。实验结果表明，当球团矿占比提升至80%时，高炉冶炼日产量达到约7000吨，燃料比稳定为532kg/t，较传统工艺显著降低了能源消耗与碳排放。该研究为高炉炼铁的低碳化生产提供了有效解决方案，具有重要的工业应用价值。

　　关键词：高炉冶炼；高比例球团矿；冶炼关键工艺；圆盘造球

　　中国钢铁工业长期以来以高炉-转炉长流程作为主要生产方式，该工艺在支撑国民经济发展的同时，也面临着严峻的节能减排挑战。传统高炉冶炼以烧结矿为主要炉料，烧结工艺不仅能耗较高，而且在生产过程中会产生大量粉尘、二氧化硫和氮氧化物等污染物，对环境造成较大负担。相比之下，球团矿作为一种优质人造块矿，具有铁品位高、粒度均匀、冶金性能稳定等显著优势，能够有效改善高炉透气性、降低渣量并提升冶炼效率。

　　近年来，随着全球绿色低碳发展的推进，高比例球团矿冶炼技术因其在节能减排方面的突出表现，逐渐成为高炉炼铁工艺升级的重要方向。部分欧美国家在该领域起步较早，技术相对成熟，部分企业已实现全球团矿冶炼，并取得了显著的节能降碳效果。国内的钢铁行业也正积极探索高比例球团矿冶炼技术，通过优化原料配比、改进焙烧工艺等手段，逐步提高球团矿在高炉炉料中的占比［1］。尽管国内外在高比例球团冶炼领域取得一定成果，但高比例球团冶炼仍面临炉料结构优化、高炉内型适配以及操作制度调整等多重技术挑战，亟需系统研究其关键工艺技术与应用规律。针对高比例球团冶炼的技术瓶颈，本研究开发适用于中国高炉条件的高比例球团冶炼关键技术，形成可复制、可推广的技术规范，以推动钢铁行业低碳转型。

　　1高炉高比例球团矿冶炼关键工艺技术

　　1.1原料选择与预处理

　　在高比例球团矿冶炼技术体系中，原料制备需以高品位铁精矿粉为核心，其关键质量指标要求：全铁（TFe）含量不低于65%，二氧化硅（SiO2）含量不高于8.35%。为优化造球性能，需将铁精矿粉细磨至粒度分布中，-200目占比达90%以上，以此提升成核效率与生球均匀性。原料预处理阶段需严格控制水分含量在6.0%~12.0%，并通过添加改性粘结剂强化生球机械性能。针对不同pH值的高硅铁精粉，采用镁质添加剂进行碱度调节，使球团矿碱度（CaO/SiO2）与高炉渣相成分形成匹配关系，进而改善熔渣流动性与脱硫效率［2］。混合工艺采用三级均质化控制：首先按设计配比将细磨铁精矿、膨润土及镁质添加剂在配料皮带上进行初步混匀，随后通过圆筒混合机进行二次加水润湿，最终形成水分波动≤0.5%、粒度组成稳定的混合料。通过强化原料表面改性与颗粒级配优化，为后续造球工序提供均匀性指数（UI）≥0.8的优质原料基体。

　　1.2打磨球形混合料

　　为了使上述混合料变为球团状矿料，应用造球工艺打磨混合料。在造球前，要先对混合料进行干燥处理，然后采用圆盘造球机，通过控制造球机的倾角、线速度及加水方式，让造球机做旋转运动，使物料滚动成球。该工艺可实现生球的分阶段成型，生球成型过程为：在造球机的成球区滴加水分，利用表面张力使颗粒黏结形成母球。然后在长大区喷洒雾水，通过毛细作用吸附更多颗粒，从而控制母球长大。在此过程中采用滴状加水方式，通过表面张力驱动颗粒聚结，母球直径增长满足式（1）：

　　式中：k为球团的核形成系数，用于修正颗粒形状与接触角的影响；Q为加水流量；t为成核时间；ρ为水的密度；σ为水的表面张力。在压紧区停止加水，通过机械压力提升生球密度，由此完成生球成型。在此过程中，造球工艺的控制要点如下：需控制圆盘造球机的转速在8~10rpm，确保物料被带至一定高度后下落，避免物料随圆盘旋转而不成球。圆盘倾角控制在45。～50。避免因倾角不当影响物料滚动轨迹和成球效率，同时，在盘内粘料过多位置设置刮板，确保生球的均匀性。成型的生球粒度应在规定范围内，经大小辊筛筛选检测后，粒度控制在6~18mm范围内，小于6mm或大于18mm的球团需返回重新造球。

　　1.3高温焙烧球团矿

　　在球团矿生产过程中，需将满足粒度标准的生球团置于1200~1350℃高温环境下进行高炉焙烧固结。本研究选用链算机-回转窑或带式焙烧机作为焙烧设备，通过三段式温度梯度控制实现球团矿的固结强化：预热阶段（800~1100℃)主要完成残余水分的蒸发与结晶水的分解，为后续高温反应创造条件；焙烧阶段（1200~1300℃)是固结反应的核心环节，在此温度区间内，球团矿内部的Fe2O3通过再结晶与晶粒生长形成致密的晶粒骨架结构，Fe2O3的再结晶的晶粒尺寸与保温时间满足Arrhenius型方程，如式（2）：

　　式中：D为Fe2O3晶粒尺寸；S为结晶速率常数；n为Avrami指数；可以反映生长维度与形核机制；e为欧拉数；E为Fe2O3再结晶特征参数；R为气体常数；T为绝对温度，即焙烧温度+273.15℃。该阶段的工艺参数直接决定成品球的机械强度与冶金性能。为确保FeO充分氧化及再结晶反应完全，需在1200℃下保温10min，或于1300℃下缩短保温时间至5min。在加热速率控制方面，若升温过快易导致球团矿内外温差过大，引发热应力裂纹，因此，需采用梯度升温策略以平衡生产效率与产品质量。同时，焙烧过程需维持强氧化性气氛（O2浓度≥10%），促进Fe2+向Fe3+的转化，从而提升球团矿的还原性指标。通过上述工艺参数的协同调控，实现球团矿强度与冶金性能的优化匹配，为高炉炼铁提供优质炉料。

　　1.4冷却筛分成品矿

　　在球团矿生产流程中，冷却与筛分作为终末工序。其核心目标在于：通过强制冷却将球团温度降至150℃以下，满足安全储运条件，同时促进残余FeO的深度氧化及Fe2O3晶粒的致密化，强化球团机械性能。筛分环节则通过粒度分级实现产品分流—合格成品直接供高炉使用，不合格品返矿经破碎后重新参与原料配比与造球工序，形成闭环生产体系［3］。冷却再筛分过程中采用带式冷却机或环式冷却机，通过逆流热交换原理实现高效降温。高温球团与冷却风进行对流换热，表面温度快速下降形成致密氧化层，有效抑制氧化铁再结晶导致的脆性劣化。环式冷却机处理周期为30~40min，带式冷却机为25~35min，具体时长根据球团产量动态调节，确保终冷温度稳定达标。对冷却后的球形矿料进行筛分，筛分系统配置双层振动筛实施粒度分级，具体筛分过程如图1所示。

　　双层振动筛的上层筛网（50mm孔径）分离超规格大块，下层筛网（5mm孔径）去除细粉，最终获得粒度范围10~40mm的合格成品。该过程同步实现余热回收利用，冷却废气经除尘后可用于原料干燥或预热，垫底料（5~10mm）作为设备保护层循环使用，返矿（<5mm）经磨细后返回混料工序。

　　2高比例球团矿冶炼技术应用实验分析

　　2.1多元原料配比

　　本研究设计三元原料配比优化方案，重点探究球团矿配比10%梯度提升至80%时，对高炉的产量及冶炼所需能源的影响。原料配比设计遵循以下原则：碱性球团（MgO含量≥1.5%）与酸性球团（SiO2含量≥8%）按质量比3:2混合，通过碱度调节实现炉渣碱度平衡，优化球团矿配置。针对高球团配比工况，补充钙质添加剂（石灰石粉）或白云石粉。确保炉渣MgO/Al2O3比值≥0.5，以改善炉渣黏度-温度特性。

　　同时，设置三组对比实验，通过梯度调整烧结矿与块矿用量维持炉料透气性。第一组（高球团组）：球团矿占比80%（碱性:酸性=6:4），烧结矿降至20%，配加10%天然块矿（粒度8~25mm）；第二组（基准组）：维持传统配比，烧结矿75%，块矿15%，球团矿仅10%（全酸性球团）；第三组（过渡组）：球团矿占比20%（碱性:酸性=1:1），烧结矿70%，块矿10%。

　　针对上述高球团配比导致的料柱软熔带下移问题，可通过动态调控工艺参数进行改善。调控提高风温至1250~1300℃,强化热储备区反应；富氧率由3.5%提升至5.0%，补偿球团矿还原性较弱导致的间接还原度下降；喷吹煤粉比例根据炉料还原性动态调整（球团占比每增加10%，煤比降低2~3kg/t）措施，优化操作制度。

　　2.2冶炼技术效果检验

　　对上述三组不同球团矿比例进行冶炼，实验测定工艺所需燃料比。该燃料比是高炉冶炼每吨生铁所消耗的燃料总量，是评价高炉操作水平的关键指标，三组冶炼过程所需燃料比，如图2所示。

　　由图2可知，本研究所设计的高比例球团矿冶炼技术的燃料比呈现“先升后稳”趋势，优化后燃料比稳定532kg/t。这是由于高温焙烧阶段需提前预热，而后期筛选过程中可以回收余热，重新干燥或预热原料。因此高炉冶炼每吨生铁所消耗的燃料总量减少，冶炼技术能源消耗较低。3种不同球团矿比例的矿料冶炼的日产量，如图3所示。

　　如图3所示，第一组高比例球团矿冶炼的日产量约为7000吨，远高于第二组和第三组日产量。在加热焙烧过程中采用较慢的加热速度，保持强氧化性气氛，提升球团还原性，平衡质量与产量。因此第一组冶炼日产量高。高比例球团矿冶炼工艺关键指标对比结果如表1所示。

　　第一组采用80%球团矿配比，日产量达到7050t，显著高于第二组的5850t和第三组的6150t，表明高球团配比在优化炉料结构与提升冶炼效率方面具有明显优势。燃料比方面，第一组为532kg/t，低于第二组的565kg/t和第三组的548kg/t，这得益于球团矿铁品位高、粒度均匀，改善了高炉透气性与间接还原效率，从而降低了单位生铁的燃料消耗。在操作参数上，第一组富氧率提升至5.0%，风温提高至1280℃,有效补偿了球团矿还原性较弱的问题，增强了热储备区反应，进一步支撑了高产量与低燃料比。渣铁比从第二组的320kg/t降至第一组的285kg/t，说明球团矿的使用减少了渣量，改善了熔渣流动性，有利于高炉顺行与脱硫。碳排放强度也由第二组的1.52tCO2/t降至第一组的1.38tCO2/t，这充分证明了本研究在提升产量、降低能耗与减少排放方面的创新性与可行性，为高炉炼铁的绿色转型提供了可靠的技术支撑。

　　3结束语

　　本研究围绕高炉高比例球团矿冶炼的关键工艺技术展开系统研究，通过原料选择与预处理、造球工艺优化、高温焙烧固结及冷却筛分等环节的协同调控，成功实现了球团矿占比提升至80%的工业化应用。实验结果表明，该技术显著提高了高炉冶炼效率，日产量达到约7000t，同时燃料比稳定为532kg/t，有效降低了能源消耗与碳排放，为钢铁行业的绿色低碳转型提供了切实可行的技术路径。未来，随着“双碳”目标的持续推进，高比例球团矿冶炼技术将在优化炉料结构、提升能源利用效率及智能化控制等方面迎来更深入的发展。本研究将进一步探索原料适应性扩展、工艺参数精细化调控以及余热高效回收等方向，推动技术升级与规模化应用，助力钢铁工业向高效、节能、环保的可持续发展方向迈进。

参考文献

　　［1］杨雪婷，张笛，李宗旭，等.包钢1#高炉大比例球团矿冶炼节能降碳分析［J］.包钢科技，2025，51（1）：33-35.

　　［2］董相娟，滕召杰，武建龙，等.基于交互反应优化高球比炉料结构的研究及应用［J］.炼铁，2024，43（1）：59-62.

　　［3］张福明，徐文轩，程相锋，等.高炉高比例球团矿冶炼关键工艺技术分析［J］.钢铁，2024，59（3）：32-45.