王藝帆¹ ，張淑會¹ ，么洪勇² ，紀 恒² ，靳亞濤³ ，呂 慶¹

( 1. 華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210;

2. 河鋼材料技術研究院，河北 石家莊 050023;

3. 河鋼股份有限公司 承德分公司，河北 承德 067002)

摘  要: 燒結生產具有能耗高、污染物排放量大的特點，是鋼鐵工業節能減排的重點工序。在國家“雙碳”背景下，文章在綜述現代燒結企業影響返礦率的主要因素的基礎上，重點分析了降低返礦率的技術措施，并對有效降低返礦率的新技術進行了展望。經分析指出: 原料條件和化學成分、工藝參數、設備和管理水平等是現階段影響返礦率的主要因素; 目前降低返礦率的技術措施主要包括優化鐵礦石原料條件及配礦結構，開發智能配礦技術，優化燃料條件，提高料層厚度、優化工藝參數，以及強化設備管理、降低漏風率等; 同時指出加快燒結料面富氫、富氧噴吹技術的研發和推廣，進一步開發有效的返礦直接入爐冶煉技術，可以為降低返礦率提供新思路。

關鍵詞: 燒結; 返礦率; 節能減排; 降碳措施

鋼鐵行業是國民經濟的支柱產業，但其能耗高、污染物排放量大，一直是國家節能減排的重點。特別是燒結工序能源消耗高、污染嚴重，是節能減排的重要環節。燒結工藝中，鐵礦粉在燒結后存在強度較差或未完全燒好的燒結礦，此部分燒結礦多數會成為熱破碎、冷卻和整粒后的篩下物，被稱作燒結返礦( 一次返礦) 。為了保證高爐順行，成品燒結礦在入高爐前需要再次篩分出粒度小于 5 mm 的部分，被稱作高爐槽下返礦( 二次返礦) 。返礦的多少，即返礦率是表征燒結礦質量好壞的重要依據，返礦率越高說明燒結產能越低、固體燃料消耗越高。而目前多數企業燒結總返礦率偏高，大量返礦不得不進行循環利用，進而使燒結生產固體燃料消耗增加、CO₂ 排放量提高且成本升高。因此，降低返礦率可以實現燒結工序主動降碳，是節能減排的有效途徑。基于上述背景，本文在調查不同企業的燒結返礦率和高爐槽下返礦率情況下，系統闡述了降低返礦率的技術措施，并結合低碳目標對具有降低返礦率潛力的新技術進行了展望。

1 不同企業燒結返礦率現狀及影響因素

1. 1 返礦率現狀

經現場調研，得到近 3 年國內不同企業返礦率數據如表 1 所示。由表 1 可知，各企業的燒結返礦率約為 18. 4% ～ 27. 0% ，高爐槽下返礦率為6. 4%～ 16. 8% ，且不同企業返礦率數據差別較大。其中承鋼和攀鋼燒結返礦率較高，分別為 27% 和23% ，這是因為兩企業主要以釩鈦磁鐵礦粉為燒結原料，該礦粉鈦元素質量分數高，導致其燒結性能偏差，返礦率較高^［1］。包鋼的槽下返礦率比較低，約為 6. 4% ，其他企業的返礦率均較高。而寶鋼 2014 年燒結返礦率就達到了 8. 2% 的水平^［2］。

由此可見，返礦率偏高是多數企業燒結生產面臨的問題，同時降低返礦率也有很大的空間。但返礦率的高低受到多種因素的影響，各因素之間還存在交互作用，這給降低返礦率的技術攻關帶來一定的困難。

1. 2 返礦率的影響因素

1. 2. 1 原料條件和燒結礦化學成分

燒結生產涉及的原料種類繁多，其中鐵礦粉的物理化學性能差別很大。原料顆粒形貌、粒度組成以及燒結礦化學成分的控制等都會影響返礦率。例如原料粒度組成不合理，使用的鐵礦粉品質和數量不穩定，SiO₂ 質量分數過低等均會降低燒結礦質量，使返礦率增加。特別是在 “高鐵低硅”生產模式下，如何降低返礦率是企業面臨的難題。例如，唐山德龍鋼鐵 230 m² 燒結機為提高產能，長期采用 “高鐵低硅”生產模式，燒結返礦率處于較高水平^［3］。2019 年該單位通過優化原料結構，將燒結礦 SiO₂ 從 4. 8% 增加到 5. 0% ，同時結合設備漏風治理、細化操作過程、穩定水碳等其它穩定生產的措施，使 2019 年 1—6 月燒結返礦率平均值在 12. 3% ，比去年同期平均值降低了 2% ，燒結返礦率明顯降低。

1. 2. 2 工藝參數

影響返礦率的工藝參數很多，凡是影響燒結礦質量的工藝參數都會對其返礦率產生影響。其中典型的影響因素包括含水量、配碳量、料層厚度、點火參數、燒結終點的控制等。

燒結過程水和碳的控制是保證燒結礦質量的關鍵工藝因素。保持燒結混合料適宜的含水量有利于混勻、制粒和改善換熱條件。配碳量直接影響著燒結過程中的氣氛還原、熱量及溫度分布。實際生產過程中，上述工藝參數需要和原料條件相匹配。當其中某項參數不合適時，就會使生產的燒結礦強度差、返礦率大。因此，結合原料條件優化工藝參數一直是燒結生產的重點任務。

1. 2. 3 設備和管理水平

燒結生產過程中設備的運行狀況及維護等都會對燒結礦的質量產生影響。能夠引起返礦率升高的設備因素包括漏風率高，布料器布料效果差，點火器與臺車距離不合理，箅條、隔熱墊和臺車本體間隙不合理，燒結冷礦篩和高爐槽下篩的磨損嚴重等。

生產實踐表明，燒結生產的操作和管理水平也是影響返礦率的重要因素。例如，如果配料操作不當，燒結工藝參數控制不精準，可能會導致水分含量、配碳量、堿度波動，影響燒結成礦過程，從而影響返礦率。同時，燒結企業整體管理水平的提高，是達到生產穩定高效的前提。

2 降低返礦率技術措施

2. 1 優化原料條件及配礦結構

2. 1. 1 鐵礦粉基礎性能和優化配礦試驗相結合

目前用于燒結的鐵礦粉種類復雜、來源廣泛。為了改善燒結礦質量，降低返礦率，人們圍繞鐵礦粉的選擇和配礦結構的調整做了大量的研究和實踐工作。其中，鐵礦粉的燒結基礎性能是指導礦粉選擇和配礦的重要依據，國內主要不同類型鐵礦粉的燒結基礎性能見表 2 ^［4］。

研究表明鐵礦粉的同化性溫度在 1 275 ～1 315 ℃范圍內較為適宜^［5］。由表 2 可知，國內司家營和研山礦的同化性溫度相差不大，較為適宜; 進口礦的同化性溫度普遍較低，其中楊迪礦、紐曼礦、羅 布 河 礦、火箭粉的同化性溫度均低 于1 200 ℃，其它進口礦的同化性溫度 為 1 200 ～1 270 ℃。不同礦種的黏結相強度差異較大。在進口礦中，南非礦的黏結相強度最大，達到 2 570 N;火箭粉的黏結相強度最低，為 640 N。司家營和研山礦的黏結相強度亦不高。不同礦種的液相流動性指數和連晶強度數值差異也比較大。進口礦多以褐鐵礦和赤鐵礦為主，其鐵酸鈣生成能力較強，而國內礦多以磁鐵礦為主，鐵酸鈣生成能力較弱。上述數據表明，不同礦種的燒結基礎性能差別較大。鐵礦粉的燒結基礎性能雖然能夠反映鐵礦粉的燒結特征，但是很難找到其與燒結礦的產量和質量間的定量關系。而且，燒結生產過程中不同鐵礦粉的高溫行為存在交互作用^［6］。因此，現場多采用互補配礦原則，以鐵礦粉燒結基礎性能為基礎，通過優化配礦試驗確定配礦方案，以達到提高燒結礦質量，降低返礦率的目的。

2. 1. 2 加快智能配礦技術的開發

鐵礦粉基礎性能、化學成分等和燒結礦質量之間缺乏定量關系，要得到更加合理的配礦方案，就需要進行大量的燒結杯實驗。近年來燒結使用的鐵礦粉種類不斷增加，這增加了配礦實驗的復雜性和不確定性。為此人們將計算機技術應用于優化配礦，開發了配礦專家系統、以及基于人工智能的燒結配礦技術等。

智能配礦技術綜合考慮原料、配比、成本等多項因素，基于智能算法和計算機技術對燒結礦的性能進行預測，可以更加精準地實現燒結配礦的優化，是提高燒結礦質量，降低返礦率的有效途徑^{［7 － 8］}。例如，武曉婧^［7］結合配料成本、燒結礦質量、環保成本等目標，開發了一種基于MOEA/D 的多目標粒子群燒結配礦優化算法。天鋼與北京科技大學共同合作研發^［8］，將鐵礦粉燒結基礎性能和數據挖掘技術相結合，開發了適合天鋼燒結原料的優化配礦系統，在降低返礦率的同時，燒結礦 5 ～ 10 mm 粒級質量分數也降低到30% 以下。在低碳冶煉的背景下，加快智能配礦技術的研發，將工業大數據和優化配礦試驗相結合，可以充分發揮智能配礦技術的高效指導作用。

2. 1. 3 優化燃料條件

燒結使用的燃料以焦粉為主，其燃燒為燒結成礦過程提供了所需的熱量和氣氛條件。焦粉的配比和粒度是影響燒結礦質量的重要因素。焦粉粒度過大，料層的透氣性變差; 焦粉粒度過細，使燃燒帶變窄、高溫保持時間縮短，從而產生的液相量生成不足，返礦率升高等現象。劉桐等^［9］ 采用燃料預篩分措施，把焦末中＞ 5 mm粒級控制在 5% 以內， ＞ 3 mm 粒級控制在10% 以內， 使燒結礦小于 10 mm 占比下降1. 52% 。劉佳等^［10］ 針對燒結燃料粒度較大的問題，從燃料加工和設備維護兩方面著手，通過隨時監測燃料破碎粒度，嚴格執行四輥破碎機的操作規程，加強設備維護等措施，保障了燃料破碎的合理粒度，降低了布料時的燃料偏析。

近年來，各燒結廠用煤粉代替部分焦粉進行燒結以達到更高的經濟效益。對于特定的含鐵物料條件，優化燃料條件和配比是改善燒結礦質量的關鍵環節。易正明等^［11］進行了燃料結構對燒結料層溫度分布和燒結礦成品率的影響，研究表明隨著煤粉配比升高，燒結礦冷強度先升高后降低。

當煤粉配比超過 25% 時，混合燃料提供的熱量減 少，導致燒結礦質量變差。

2. 2 強化料層厚度，優化工藝參數

厚料層燒結技術是目前各企業提高燒結礦質量、降低燃料消耗努力的方向，也是降低返礦率的關鍵技術。該技術可以充分發揮燒結過程的自動蓄熱作用，具有能耗低、燒結礦強度好、成品率高、返礦率低、冶金性能好等優點。據統計，2005 年前后國內大中型燒結機料層厚度已達 600 ～800 mm; 2020 年，鞍鋼、天鋼聯合特鋼、馬鋼等 企業料層厚度均超過了 900 mm^［12］。

近年來，為了提高燒結礦質量，并降低返礦率，科技人員圍繞厚料層燒結進行了較深入的研究，并取得了較大的進步。表 3 是部分企業燒結料層提高前后燒結返礦率和固體燃料消耗指標對比^{［13 － 14］}。

由表 3 可知，隨著料層厚度的提高，燒結返礦率降低，固體燃料消耗減少。但現場實際生產表明，隨著料層厚度增加，堿度、配碳量、混合料粒度的偏析加重，這會影響料層的熱量分布和透氣性，進而影響燒結礦質量。為了改善料層中的上述偏析問題，鞍鋼燒結廠采用調整礦槽給料間距、減低料門、增加預篩分工藝、控制混合料水分、平料和邊緣壓料相結合等措施^［15］，使厚料層燒結生產順利進行，燒結礦成品率提高了3. 4% ，高爐返礦率降低了 0. 7% 。

上述文獻表明，料層厚度增加后，適宜的水分、配碳量、堿度等工藝參數均會發生變化，因此料層厚度必須和工藝參數協同控制，才能提高燒結礦質量，降低返礦率。

2. 3 強化設備管理，降低漏風率

因燒結工藝和設備固有特點，燒結機漏風率偏高一直是各大企業亟待解決的問題。燒結漏風偏高，導致通過料層的有效風量減少，料層熱量不足，燒結礦強度降低，返礦率增加。燒結設備中影響漏風率的因素較多，需要結合具體設備情況進行維修或整改。表 4 總結了幾家燒結企業為降低漏風率進行的設備改造以及其實施效果^{［16 － 17］}。由表 4 可知，維護好燒結設備是降低漏風率的關鍵環節，對提高燒結礦質量、降低返礦率具有顯著影響。燒結生產環節較多，除和燒結漏風的相關設備外，布料裝置、點火器、燒結礦皮帶倒運安裝是否合理等都會影響燒結返礦率，所以燒結生產需要強化各生產環節的設備管理和維護。張 惠等^［18］圍繞萊鋼 265 m² 燒結機布料存在料面凹凸不平、拉鉤多、燒結礦燒成率低等問題，采取了加壓輥和平料器等措施，使返礦率大大降低。燒結冷礦篩的篩分效率也直接影響返礦率，故在日常生產中要關注冷礦篩的磨損情況。同時還應關注高爐槽下礦篩的磨損程度，加大高爐返礦中大于5 mm 粒級的檢測，以減小并穩定返礦率。

2. 4 燒結料面氣體噴吹技術

為了提高燒結礦質量并實現節能減排，在燒結料表面噴吹富氫或富氧類可燃性氣體技術逐漸受到了人們的關注。其技術原理是向燒結料面噴吹可燃氣體，為上部料層提供熱量，優化燒結料層溫度分布，使熱量分布趨于均勻。

日本和韓國對燒結料層表面氣體噴吹技術研究的比較早。其中 JFE 公司京賓 1 號燒結機曾進行了燒結料面噴吹液化天然氣的試驗研究，使燒結礦成品率提高了 3. 8 個百分點，焦粉用量減少約 8%^［19］。韓國浦項公司開發的富氧噴吹燒結技術，通過在合適位置向燒結料表層噴吹適量的氧氣，解決了表層燒結礦強度差的問題，使返礦率顯著降低^［20］。

在“碳中和”的戰略下，燒結料面噴吹富氫/富氧氣體燃料技術也受到了國內燒結工作者的青睞。梅鋼對焦爐煤氣強化燒結技術的研究表明，抽入到燒結礦層的焦爐煤氣發生燃燒反應，可以延緩燒結礦的冷卻速率、降低固體燃料配比、提高燒結礦質量^［21］。其中焦爐煤氣噴吹 15 min 時，不同噴吹量( 按噴吹焦爐煤氣產生提供的熱量統計) 對燒結指標的影響如圖 1 所示。

由圖 1 可知，當焦爐煤氣補充的熱量占比為25. 0%時，燒結礦轉鼓強度比未噴吹時提高 2. 7%，成品率提高 2. 4%，固體燃料消耗降低約 8 kg /t。

2015 年，首鋼京唐公司燒結料面噴吹蒸汽的工業實踐表明噴吹蒸汽后燒結返礦率下降約0. 3%^［22］，5 ～ 10 mm 占比降低 0. 8% 。葉恒棣等^［23］提出了分層供熱富氫燒結模式，其可以實現低碳下的 “均熱燒結”，使燒結礦整體質量提高。

上述研究表明，向燒結料面噴吹可燃性氣體燃料，尤其是富氫氣體，對于改善燒結礦質量，降低固體燃料消耗具有重要意義。結合富氫氣體噴吹的特點，范曉慧等^［24］提出了富氫燃氣梯級噴吹技術，并將該技術應用于韶鋼400 m² 燒結機。運行結果顯示，每噴吹1 m³ 富氫氣體，燒結礦成品率可提高 0. 2%～0. 3%，焦粉用量減少 1. 4 ～1. 7 kg /t。

2. 5 加強返礦直接入爐技術研發，降低高爐槽下返礦率

在目前工藝條件下，返礦的循環利用使燒結生產率降低、能耗增加、煙氣和污染物排放總量增加，最終導致煉鐵成本上升。據估算，全國因燒結返礦的循環使用引起的生鐵成本增加值約為380 億/年^［25］。返礦直接入爐的技術構想是解決上述問題最有效的辦法。特別是在目前雙碳政策的大背景下，該技術對于降低返礦率，特別是高爐槽下返礦率具有重要意義。

圍繞返礦直接入爐這一思想，沙永志等^［25］曾提出無返礦煉鐵工藝的構想，即對返礦進行篩分，篩出的粉末經高爐風口噴入或經冷壓造塊后由爐頂進入高爐，其它顆粒狀返礦均實行分級入爐。

該技術構想需要對燒結流程和工藝設備進行調整，同時也受到高爐接受顆粒礦能力的限制，具體的實施過程還有待于深入研究。YASUSHI ^［26］對返礦造塊工藝進行了研究，結果表明將鐵精粉、水泥和返礦混合后可以制備出冶金性能良好的返礦球團，其具有低溫還原粉化率低，還原性高的特點，這為高爐提供了一種高效利用返礦的方法。

多年來，國內高爐對小粒度燒結礦入爐一直保持謹慎的態度，這是因為高爐使用小粒度燒結礦后，容易使塊狀帶壓差增加，不利于強化冶煉。某些鋼鐵企業也曾進行了將高爐槽下小顆粒燒結礦直接入爐的嘗試。例如，林顯剛等^［27］進行了燒結礦礦丁( 經 4 mm 篩分后的返礦) 入爐的實踐，通過調整裝料順序和調整操作參數等措施，使礦丁入爐量達到了噸鐵 110 kg。鞏黎偉等^［28］將太鋼5 號高爐通過調整槽下裝料順序，采用 4 ～ 6 mm粒度的燒結礦以小礦批的方式入爐，槽下返礦的利用率高達 60% ～ 80% ，使燒結工序能源消耗和生鐵成本顯著降低。

上述生產實踐表明，返礦直接入爐確實能夠帶來顯著的經濟效益，但因高爐順行和對強化冶煉的要求等原因，目前返礦直接入高爐冶煉技術尚沒有得到廣泛認可和推廣，因此應該加強該項技術的研發和實施。

3 結論與展望

燒結生產過程返礦率偏高是制約燒結工序提高產、質量與降低成本的關鍵。返礦率的影響因素包括原料條件和化學成分、工藝參數、設備和管理水平等，而且這些因素會對返礦率產生交織影響。現階段不同企業主要圍繞優化原料條件和配礦結構，發展厚料層燒結和優化工藝參數，降低漏風率、強化設備管理等方面開展相關技術研究以降低返礦率。

燒結料面富氫富氧噴吹技術是可以實現低碳燒結的新型技術，其具有優化燒結料層溫度分布、均勻熱量的作用，可以降低固體燃料消耗并顯著降低返礦率。該技術目前還處于研發階段，建議生產現場加快燒結料面富氫富氧噴吹技術的實踐以進一步評估其降低返礦率以及提質的潛力; “雙碳”背景下，降低高爐入爐粒度的下限，開發返礦顆粒的分級入爐冶煉技術和返礦粉末造塊技術，可以實現返礦直接入爐的高效利用，這對降低返礦率，實現燒結乃至煉鐵工序主動節能減排具有顯著的推動作用。

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