钢铁工业是国民经济的支柱产业，也是污染物和碳排放重点行业，根据研究报告我国钢铁行业二氧化碳排放占全国总量的16%左右。在国家“双碳”目标及十四五“更趋严格的能耗”要求下，钢铁行业低碳绿色发展越显重要。我国钢铁工艺主要以高炉+转炉长流程冶炼为主，长流程钢占比90%，而长流程的吨钢CO2排放在1.8~2.2t，二氧化硫、颗粒物、氮氧化物等污染物排放0.7kg/t以上，其中高炉炼铁系统的污染物排放占90%以上，CO2排放占85%以上，所以高炉炼铁系统的节能减排对钢铁工业低碳绿色化发展意义重大。我国高炉炼铁炉料结构主要以烧结矿为主，烧结矿平均入炉比例在70%以上，但烧结工艺普遍存在工序能耗高、烟气和污染物排放量大等问题，对炼铁系统的污染物和碳排放影响较大。球团工艺的能耗和污染物排放仅为烧结工序的50%以下，CO2排放为烧结的30%左右，所以用球团替代烧结，提高球团矿在高炉炼铁中的使用比例有利于降低炼铁系统的污染物和碳排放。
图1 球团矿产量及入炉比例；图2 烧结和球团矿工艺比较
2008年首钢京唐公司一期工程建设了2座5500m3高炉，配套建设了2台500m2烧结机和1台504m2带式焙烧机球团生产线，高炉炉料结构为67%烧结矿+28%球团矿+5%块矿。为了推进炼铁系统的低碳绿色发展，在京唐二期工程时建设了1座5500m3高炉和2台504m2带式焙烧机球团生产线。建成后球团矿比例可从28%提高到50%以上。提高球团矿在高炉炼铁中的使用比例，首先要解决炉料酸碱度平衡的问题。国内高炉主要使用高碱度烧结配酸性球团矿，如果提高球团矿比例则需要提高球团矿碱度来满足炉渣碱度需求，同时需要降低SiO2含量，否则渣量和燃料比难以降低，无法达到低碳冶炼的目的。另外球团矿的滚动、膨胀特性加重高炉内的布料偏析，引起煤气分布不均，制约球团矿在高炉中高比例使用，需要开发设计与新型炉料结构相适应的高炉工艺装备。高比例球团冶炼将大幅度降低渣量，在超低渣量条件下实现脱硫排碱、维持炉缸充足的热量是挑战，需要探索制定合理的冶炼制度。所以围绕高炉高比例球团矿低碳冶炼，开发了低硅碱性球团矿制备技术，研究了高炉适宜的炉料结构及匹配措施，设计了适合于高比例球团矿冶炼的炉型结构及布料装备，进行了高炉高比例球团矿冶炼操作制度等关键技术的攻关。经过近五年的研究和工程建设实施，2019年6月在首钢京唐公司建成了超大型高炉高比例球团矿低碳炼铁系统，3座5500m3超大型高炉球团矿比例从28%提高到55%，高炉渣量和燃料消耗大幅度降低，取得了良好的技术经济指标。1、开发了消石灰作为粘结剂生产低硅碱性球团矿的新工艺，提出了球团用消石灰质量指标及制备方法，并建立了第一条碱性球团用消石灰生产线，解决了球团含硅粘结剂用量大、碱度难提高的问题，在大型带式焙烧机采用消石灰生产出了低硅高品位碱性球团矿。传统的碱性球团矿生产使用石灰石粉，但石灰石粉的粘结性相对较低，难以降低膨润土配比，影响球团矿SiO2含量的降低。所以在实验室开发出了消石灰生产低硅碱性球团矿技术，并研究出了碱性球团矿生产用消石灰的生产方法及质量指标。消石灰具有良好的团聚作用，见图3，可改善矿粉成球性能，大幅减少膨润土用量，降低球团SiO2和K、Na等有害元素含量，可以为高炉生产出低有害、少脉石、高品位的优质球团矿。在首钢京唐公司球团生产线配套建立了2条年产25万吨的消石灰生产线，见图4。使用消石灰后，球团膨润土用量降低至5kg/t以下，在京唐公司504m2带式焙烧机生产出了品位66.0%，SiO2含量2.0%，碱度1.1~1.2的低硅高品位碱性球团矿。
2、研究了低硅球团矿冶炼过程中铁晶须的产生、形貌变化及异常生长的规律，攻克了低硅球团矿还原膨胀率高的技术难题。低硅球团矿在高炉冶炼时容易出现铁晶须，尤其是SiO2含量低于3.3%时出现异常膨胀，见图5。高炉要求球团矿还原膨胀率在20%以下，还原膨胀率超过40%将严重影响高炉运行，所以降低球团矿SiO2含量的同时控制好还原膨胀率是生产低硅球团矿的关键和难点。对此，开展了碱度、球团矿物相、焙烧温度及时间等对低硅球团矿还原膨胀率的影响，揭示了低硅球团矿冶炼过程中铁晶须的产生、形貌变化及异常生长的规律，研究了低硅碱性球团矿的液相生成温度及生成量，提出了形成合理的液相和铁酸钙等物相控制低硅球团矿还原膨胀率的技术方法，见图6和图7。在首钢京唐实现了球团矿SiO2含量从3.5%降低到2.0%的同时球团矿还原膨胀率控制在16.5%，满足大型高炉入炉要求。
图6 球团矿物相及还原后微观结构；图7 低硅球团矿液相生成温度及量3、解决了碱性球团矿生产过程熔剂分解吸热导致生球爆裂和球团矿抗压强度下降的问题。通过带式焙烧机热工制度数值模拟研究及生产参数优化，如图8，形成了消石灰生产低硅碱性球团矿适宜的干燥、预热和焙烧制度，在球团工序能耗（不包括脱硫脱硝）变化不大的同时碱性球团抗压强度达到了3200N/P以上。
图8 带式焙烧机热工制度数值模拟研究；图9 低硅碱性球团矿工序能耗及抗压强度4、建立了“3台504m2带焙机+2台500m2烧结机+3座5500m3高炉”的低碳冶炼炼铁流程结构。通过单体和综合炉料冶金性能研究及生产实践，确定了适宜球团比例及酸碱球合理匹配的炉料结构，如图10，建成了5500m3超大型高炉配套大型带式焙烧机球团工艺的低碳清洁生产炼铁工艺流程，如图11。
5、优化设计了适用于高比例球团冶炼的并罐无料钟布料装置、炉身角度及合理的高径比，有效解决了高比例球团冶炼时布料偏析、炉料膨胀等技术难题，为超大型高炉高比例球团稳定冶炼奠定了技术基础。通过数值模拟和1:1布料装置试验，研究了高比例球团炉料布料规律，如图12，设计了实现炉料精准控制的新型无料钟炉顶装料设备，解决了圆周方向边缘炉料和煤气分布不均的技术难题，并优化设计了适合于高比例球团矿冶炼的炉腰直径、炉腹角、高径比及风口数量，缓解了高比例球团矿炉料体积膨胀影响高炉稳定顺行的问题。
6、通过渣系基础研究和高比例球团矿冶炼实践，形成了超低渣量、高富氧、高顶压、高风温高效低碳冶炼技术，攻克了大型高炉高比例球团长期稳定高效运行的难题，形成了大型高炉高比例球团矿冶炼技术规范。研究了MgO/Al2O3为0.6，碱度1.15±0.02炉渣的理化特性，形成了超低渣量下提高脱硫排碱能力的新方法，如图13。制定了适用于高比例球团冶炼的风速、鼓风动能、风口回旋区长度及理论燃烧温度，建立了3个铁口轮流交替出铁制度，提高了炉缸工作周向均匀性，保证铁水[Si]＞0.3%，温度＞1500℃，实现了高炉的稳定顺行，如图14。
7、集成了烧结烟气循环、烧结料面喷洒蒸汽、超大型高炉料罐均压煤气全量回收、热风炉烟气脱硫等工艺装备技术，实现了炼铁系统的清洁生产。通过自主研发的以引射器为核心的强制回收法，实现炉顶料罐均压煤气全量回收，通过实施烧结大烟道烟气循环、烧结料面喷吹蒸汽以及末端治理，实现炼铁系统的低碳清洁生产。
2019年4月份开始，首钢京唐公司在504m2大型带式焙烧机生产低硅碱性球团矿。低硅碱性球团矿铁品位达到66.0%、SiO2含量2.0%、碱度1.15、还原膨胀率16.5%。3座5500m3超大型高炉球团矿入炉比例从28%提高到55%，高炉渣比从280kg/tHM降低至215kg/tHM，燃料比从505kg/tHM降低至480kg/tHM，高炉利用系数最高达到2.5t/m3.d。实现高比例球团冶炼后，炼铁系统污染物和CO2排放大幅度降低，年减少颗粒物、SO2、NOx排放53%，吨铁CO2排放降低10%，见图15。
首钢的生产实践表明，高炉采用大比例球团矿冶炼能够取得良好的技术经济指标和社会效益，有利于钢铁企业降低碳排放，减少大气污染。我国钢铁工业主要以长流程为主，且烧结矿比例比高，所以大比例提高球团矿比例对国内以长流程为主的钢铁企业降低碳排放的切实可行的手段，具有很好的推广应用价值。本项目2021年获得了冶金科学技术一等奖。
