炼铁新技术及基础理论研究进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 炼铁新技术及基础理论研究进展 张建良刘征建焦克新徐润生李克江王振阳王翠王耀祖张磊 Progress of new technologies and fundamental theory about ironmaking ZHANG Jian-liang.LIU Zheng-jian,JIAO Ke-xin,XU Run-sheng.LI Ke-jiang.WANG Zhen-yang.WANG Cui,WANG Yao-zu,ZHANG Lei 引用本文： 张建良，刘征建，焦克新，徐润生，李克江，王振阳，王翠，王耀祖，张磊.炼铁新技术及基础理论研究进展工程科学学报， 2021.43(12:1630-1646.doi:10.13374/1.issn2095-9389.2021.09.24.007 ZHANG Jian-liang,LIU Zheng-jian,JIAO Ke-xin,XU Run-sheng,LI Ke-jiang,WANG Zhen-yang.WANG Cui,WANG Yao-zu, ZHANG Lei.Progress of new technologies and fundamental theory about ironmaking[J].Chinese Journal of Engineering,2021, 43(12:1630-1646.doi:10.133745.issn2095-9389.2021.09.24.007 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2021.09.24.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 稀土金属脱除氧杂质的新技术及驱动机制研究进展 Research progress on novel technology and mechanisms for the removal of oxygen impurities in rare-earth metals 工程科学学报.2018,40(11)：1300htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.11.003 中国致密油藏开发理论研究进展 Research progress on tight oil exploration in China 工程科学学报.2019,41(9y:1103 https:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.09.001 中国页岩气开发理论与技术研究进展 Research progress in theories and technologies of shale gas development in China 工程科学学报.2021,43(10：1397htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.11.10.003 脉动热管的理论研究与应用新进展 New progress in the theoretical research and application of pulsating heat pipe 工程科学学报.2019,41(9：外1115 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.09.002 锌的生物浸出技术现状及研究进展 Technology status and research progress of zinc bioleaching 工程科学学报.2020,42(6：693 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.09.24.001 炼钢连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 Research progress on three kinds of classic process interface technologies in steelmaking-continuous casting section 工程科学学报.2020,42(12：1542 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.05.08.001

炼铁新技术及基础理论研究进展 张建良 刘征建 焦克新 徐润生 李克江 王振阳 王翠 王耀祖 张磊 Progress of new technologies and fundamental theory about ironmaking ZHANG Jian-liang, LIU Zheng-jian, JIAO Ke-xin, XU Run-sheng, LI Ke-jiang, WANG Zhen-yang, WANG Cui, WANG Yao-zu, ZHANG Lei 引用本文: 张建良, 刘征建, 焦克新, 徐润生, 李克江, 王振阳, 王翠, 王耀祖, 张磊. 炼铁新技术及基础理论研究进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(12): 1630-1646. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.24.007 ZHANG Jian-liang, LIU Zheng-jian, JIAO Ke-xin, XU Run-sheng, LI Ke-jiang, WANG Zhen-yang, WANG Cui, WANG Yao-zu, ZHANG Lei. Progress of new technologies and fundamental theory about ironmaking[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(12): 1630-1646. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.24.007 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.24.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 稀土金属脱除氧杂质的新技术及驱动机制研究进展 Research progress on novel technology and mechanisms for the removal of oxygen impurities in rare-earth metals 工程科学学报. 2018, 40(11): 1300 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.003 中国致密油藏开发理论研究进展 Research progress on tight oil exploration in China 工程科学学报. 2019, 41(9): 1103 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.001 中国页岩气开发理论与技术研究进展 Research progress in theories and technologies of shale gas development in China 工程科学学报. 2021, 43(10): 1397 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.10.003 脉动热管的理论研究与应用新进展 New progress in the theoretical research and application of pulsating heat pipe 工程科学学报. 2019, 41(9): 1115 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.002 锌的生物浸出技术现状及研究进展 Technology status and research progress of zinc bioleaching 工程科学学报. 2020, 42(6): 693 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.24.001 炼钢连铸区段3种典型工序界面技术研究进展 Research progress on three kinds of classic process interface technologies in steelmaking-continuous casting section 工程科学学报. 2020, 42(12): 1542 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.08.001

工程科学学报.第43卷.第12期：1630-1646.2021年12月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.12:1630-1646,December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.24.007;http://cje.ustb.edu.cn 炼铁新技术及基础理论研究进展 张建良2)，刘征建”，焦克新，3)，徐润生)，李克江)，王振阳，王翠)， 王耀祖，张磊3) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京1000833)北京科技大学大 安全科学研究院，北京1000834)北京科技大学人工智能研究院，北京100083 通信作者，E-mail:jl.zhang@ustb.edu.cn 摘要从炼铁新技术及基础理论研究方面介绍了烧结球团提质降耗新技术、焦炭在高炉内行为解析研究、高炉喷吹清洁 燃料技术、高炉长寿技术、高炉炼铁数据建模技术以及治金尘泥再处理技术，从基础研究出发，提出了目前最具有潜力的炼 铁新技术：然后在国家碳中和战略的大背景下，综述了目前国际上的非高炉炼铁技术研究进展，为我国低碳炼铁发展提供依 据：最后从最新微观研究手段出发，介绍了目前炼铁研究领域在微观尺度的研究进展，多尺度综合调控研究高炉炼铁过程机 理，为未来低碳炼铁发展方向提供思路 关键词炼铁新技术：低碳炼铁：非高炉炼铁：模拟仿真：节能降耗 分类号TG142.71 Progress of new technologies and fundamental theory about ironmaking ZHANG Jian-liang2,LIU Zheng-jian,JIAO Ke-xin),XU Run-sheng?,LI Ke-jiang,WANG Zhen-yang WANG CuP,WANG Yao-u,ZHANG Lep) 1)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)Research Institute of Macro-Safety Science,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 4)Institute of Artificial Intelligence,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jl.zhang @ustb.edu.cn ABSTRACT The Chinese government made a statement at the 75th United Nations General Assembly in 2020 to increase the country's nationally determined contributions,adopt more effective policies and measures,strive to reach the peak of carbon dioxide emissions by 2030 and achieve carbon neutrality by 2060.In recent years,with the rapid development of the iron and steel industry,the iron and steel industry has been promoted by various measures such as large-scale equipment,high-efficiency energy utilization,and reduction of pollutant emissions.Moreover,this industry has gradually made efforts to achieve low-carbon emissions.However,due to the particularity of the steel industry's process system,the steel industry is still the main battlefield in China's carbon emission reduction. The ironmaking process accounts for the largest proportion of energy consumption and emissions in the entire process of iron and steel smelting.Annual CO2 emissions of the iron and steel industry account for 6.7%of total global emissions,of which the energy consumption and emissions of the ironmaking system account for the total energy consumption of the entire iron and steel process, facing the important challenge of saving energy and emission reduction.To adapt to the trend and realize the transformation and upgrading of the ironmaking industry,various processes of the ironmaking industry have made great efforts in reform and innovation in 收稿日期：2021-09-24 基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1260202.41603007.51774032,51804025,51974019)

炼铁新技术及基础理论研究进展 张建良1,2) 苣，刘征建1)，焦克新1,3)，徐润生2)，李克江1)，王振阳1)，王    翠2)， 王耀祖4)，张    磊3) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083    3) 北京科技大学大 安全科学研究院，北京 100083    4) 北京科技大学人工智能研究院，北京 100083 苣通信作者， E-mail: jl.zhang@ustb.edu.cn 摘    要    从炼铁新技术及基础理论研究方面介绍了烧结球团提质降耗新技术、焦炭在高炉内行为解析研究、高炉喷吹清洁 燃料技术、高炉长寿技术、高炉炼铁数据建模技术以及冶金尘泥再处理技术. 从基础研究出发，提出了目前最具有潜力的炼 铁新技术；然后在国家碳中和战略的大背景下，综述了目前国际上的非高炉炼铁技术研究进展，为我国低碳炼铁发展提供依 据；最后从最新微观研究手段出发，介绍了目前炼铁研究领域在微观尺度的研究进展，多尺度综合调控研究高炉炼铁过程机 理，为未来低碳炼铁发展方向提供思路. 关键词    炼铁新技术；低碳炼铁；非高炉炼铁；模拟仿真；节能降耗 分类号    TG142.71 Progress of new technologies and fundamental theory about ironmaking ZHANG Jian-liang1,2) 苣 ，LIU Zheng-jian1) ，JIAO Ke-xin1,3) ，XU Run-sheng2) ，LI Ke-jiang1) ，WANG Zhen-yang1) ， WANG Cui2) ，WANG Yao-zu4) ，ZHANG Lei3) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 3) Research Institute of Macro-Safety Science, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 4) Institute of Artificial Intelligence, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: jl.zhang@ustb.edu.cn ABSTRACT    The Chinese government made a statement at the 75th United Nations General Assembly in 2020 to increase the country’s nationally determined contributions, adopt more effective policies and measures, strive to reach the peak of carbon dioxide emissions by 2030 and achieve carbon neutrality by 2060. In recent years, with the rapid development of the iron and steel industry, the iron and steel industry  has  been  promoted  by  various  measures  such  as  large-scale  equipment,  high-efficiency  energy  utilization,  and  reduction  of pollutant  emissions.  Moreover,  this  industry  has  gradually  made  efforts  to  achieve  low-carbon  emissions.  However,  due  to  the particularity of the steel industry’s process system, the steel industry is still the main battlefield in China’s carbon emission reduction. The ironmaking process accounts for the largest proportion of energy consumption and emissions in the entire process of iron and steel smelting.  Annual  CO2 emissions  of  the  iron  and  steel  industry  account  for  6.7% of  total  global  emissions,  of  which  the  energy consumption  and  emissions  of  the  ironmaking  system  account  for  the  total  energy  consumption  of  the  entire  iron  and  steel  process, facing  the  important  challenge  of  saving  energy  and  emission  reduction.  To  adapt  to  the  trend  and  realize  the  transformation  and upgrading of the ironmaking industry, various processes of the ironmaking industry have made great efforts in reform and innovation in 收稿日期: 2021−09−24 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（U1260202，41603007，51774032，51804025，51974019） 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期：1630−1646，2021 年 12 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 12: 1630−1646, December 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.09.24.007; http://cje.ustb.edu.cn

张建良等：炼铁新技术及基础理论研究进展 ·1631 recent years.This article introduces the new technology of sintering pellet quality improvement and consumption reduction from the aspects of new ironmaking technology and basic theoretical research,analysis of coke behavior in the blast furnace,blast furnace clean fuel injection technology,blast furnace longevity technology,blast furnace ironmaking data modeling technology,and metallurgical dust and mud reprocessing technology.Starting from basic research,the new ironmaking technology with the most potential is proposed. Then,under the general background of the current national carbon neutral strategy,the current international non-blast furnace ironmaking technology research progress is reviewed to provide a basis for the development of low-carbon ironmaking in China.Finally, starting from the latest micro-research methods,it introduces the current research progress in the field of ironmaking in the micro-scale, multi-scale comprehensive regulation and control of the mechanism of the blast furnace ironmaking process,and provides ideas for the future development of low-carbon ironmaking. KEY WORDS new ironmaking technology;low-carbon ironmaking;non-blast furnace ironmaking;simulation;energy-saving and cost-reducing 在十四五规划的元年，“双碳”目标、环保问 我国钢铁工业节能减排的有力措施.当前，国内外 题、科技创新将在各行各业逐步落地并由政策付 烧结机的料层厚度普遍处于700~900mm水平， 诸于实际行动.钢铁行业作为高能耗、高排放的 少数企业实现900m料层生产，但始终未能突破 重工业，仍然是蓝天保卫战的主战场.现如今资源 1000mm超厚料层烧结的瓶颈.经分析，超厚料层 紧张，环境污染日益严重，工艺技术创新进展艰 烧结的限制性因素主要有两点：一是料层厚度持 难，钢铁产业发展面临着重要变革，各类问题将倒 续升高后的高负荷对料层透气性的限制倒：二是久 逼钢铁企业发展低碳技术，未来钢铁工业可以通 高不下的漏风率对料层风量的限制 过潜在的低碳等多种工艺技术来降低CO2排放或 基于此，北京科技大学炼铁新技术梯队从烧 者解决当前发展存在的问题.在全球“脱碳”以及 结理论层面出发，着眼于工艺全流程，以天钢联合 工艺技术创新大潮的背景下，以降低碳排放和致 特钢的两台230m烧结机为实践样本展开了 力工艺创新为中心的传统钢铁怡金工艺技术变 1000mm超厚料层烧结技术的研发.针对透气性， 革，已成为钢铁行业绿色发展的新趋势.我国实现 提出从新型强化制粒、抑制过湿层、促进燃料燃 钢铁工艺的进步，归根结底需要依靠科技进步.传 烧三个层面进行工艺技术设计与开发：针对漏风 统高炉炼铁工艺和非高炉炼铁工艺正在高速发展 率，设计了滑道密封、栏板加固和细节治理等工艺 中，传统高炉炼铁从原燃料和高炉设备出发，历经 及手段.同时，基于提出的料层热量峰、火焰峰和 还原过程，最后处理炼铁副产物，这中间环节均可 液相冷凝峰的“三同步”理论，确立了活性生石灰 进行相应的技术创新，进而实现高炉炼铁的工艺 为超厚料层技术开发的核心载体最终，形成了 创新：非高炉炼铁工艺主要是熔融还原工艺和直 如图1(a)所示的综合性的超厚料层烧结技术体系 接还原工艺，两种工艺都旨在减少焦炭的使用，长 和针对性的全活性石灰强化烧结技术阿在230m2 远计划实现“双碳”目标.需要强调的是，无论是传 烧结机上实现了长期高效、稳定、低耗的烧结生 统高炉炼铁工艺还是非高炉炼铁工艺，其本质的 产.烧结机利用系数达到1.87tm2h,固体燃耗 还原反应是相同的，因此，其中涉及的科学问题是 仅为41.85kgt,烧结电耗降至27kWht,漏风 相同的，立足科学问题的解释和解决，可极大的为 率降至34%，各项指标均位于行业前沿.在此基础 工艺生产提供思路.科学问题与工程问题的结合， 上，1000mm的厚料层下维持了烧结矿纵向上的 将为炼铁工艺提供良好的发展方向 性能和成分的质量均衡，烧结矿微观矿物相以铁 酸钙黏结相与铁氧化物晶粒的交织形式为主，烧 1烧结球团技术提质降耗技术 结矿各项质量指标（如图I(b)所示）满足高炉高效 1.1高效低耗1000mm超厚料层烧结技术 冶炼需求，其中包括还原粉化指数(Reduction 在我国，长流程的钢铁生产仍然占据主导地 degradation index,RDI),RDL6.3为还原后大于6.5mm 位，2020年铁钢比仍然维持在80%以上，铁矿石 的物料比例，RDL+3.1s为还原后大于3.15mm的物 烧结生产仍然主要负担着高炉含铁炉料供给川.烧 料比例，RDL-o.5为还原后小于0.5mm的物料比例. 结生产是钢铁流程中能耗最高、污染物排放量最 此外，固体燃耗与电耗的降低带来实质性的CO2、 多的工序之一回，因而发展厚料层烧结技术是实现 NOx、SO2的减排，在碳中和背景下意义卓著

recent years. This article introduces the new technology of sintering pellet quality improvement and consumption reduction from the aspects of new ironmaking technology and basic theoretical research, analysis of coke behavior in the blast furnace, blast furnace clean fuel injection technology, blast furnace longevity technology, blast furnace ironmaking data modeling technology, and metallurgical dust and  mud  reprocessing  technology.  Starting  from  basic  research,  the  new  ironmaking  technology  with  the  most  potential  is  proposed. Then,  under  the  general  background  of  the  current  national  carbon  neutral  strategy,  the  current  international  non-blast  furnace ironmaking technology research progress is reviewed to provide a basis for the development of low-carbon ironmaking in China. Finally, starting from the latest micro-research methods, it introduces the current research progress in the field of ironmaking in the micro-scale, multi-scale comprehensive regulation and control of the mechanism of the blast furnace ironmaking process, and provides ideas for the future development of low-carbon ironmaking. KEY  WORDS    new  ironmaking  technology； low-carbon  ironmaking； non-blast  furnace  ironmaking； simulation； energy-saving  and cost-reducing 在十四五规划的元年，“双碳”目标、环保问 题、科技创新将在各行各业逐步落地并由政策付 诸于实际行动. 钢铁行业作为高能耗、高排放的 重工业，仍然是蓝天保卫战的主战场. 现如今资源 紧张，环境污染日益严重，工艺技术创新进展艰 难，钢铁产业发展面临着重要变革，各类问题将倒 逼钢铁企业发展低碳技术. 未来钢铁工业可以通 过潜在的低碳等多种工艺技术来降低 CO2 排放或 者解决当前发展存在的问题. 在全球“脱碳”以及 工艺技术创新大潮的背景下，以降低碳排放和致 力工艺创新为中心的传统钢铁冶金工艺技术变 革，已成为钢铁行业绿色发展的新趋势. 我国实现 钢铁工艺的进步，归根结底需要依靠科技进步. 传 统高炉炼铁工艺和非高炉炼铁工艺正在高速发展 中，传统高炉炼铁从原燃料和高炉设备出发，历经 还原过程，最后处理炼铁副产物，这中间环节均可 进行相应的技术创新，进而实现高炉炼铁的工艺 创新；非高炉炼铁工艺主要是熔融还原工艺和直 接还原工艺，两种工艺都旨在减少焦炭的使用，长 远计划实现“双碳”目标. 需要强调的是，无论是传 统高炉炼铁工艺还是非高炉炼铁工艺，其本质的 还原反应是相同的，因此，其中涉及的科学问题是 相同的，立足科学问题的解释和解决，可极大的为 工艺生产提供思路. 科学问题与工程问题的结合， 将为炼铁工艺提供良好的发展方向. 1    烧结球团技术提质降耗技术 1.1    高效低耗 1000 mm 超厚料层烧结技术 在我国，长流程的钢铁生产仍然占据主导地 位 ，2020 年铁钢比仍然维持在 80% 以上，铁矿石 烧结生产仍然主要负担着高炉含铁炉料供给[1] . 烧 结生产是钢铁流程中能耗最高、污染物排放量最 多的工序之一[2] ，因而发展厚料层烧结技术是实现 我国钢铁工业节能减排的有力措施. 当前，国内外 烧结机的料层厚度普遍处于 700～900 mm 水平， 少数企业实现 900 mm 料层生产，但始终未能突破 1000 mm 超厚料层烧结的瓶颈. 经分析，超厚料层 烧结的限制性因素主要有两点：一是料层厚度持 续升高后的高负荷对料层透气性的限制[3] ；二是久 高不下的漏风率对料层风量的限制. 基于此，北京科技大学炼铁新技术梯队从烧 结理论层面出发，着眼于工艺全流程，以天钢联合 特钢的两 台 230  m2 烧结机为实践样本展开了 1000 mm 超厚料层烧结技术的研发. 针对透气性， 提出从新型强化制粒、抑制过湿层、促进燃料燃 烧三个层面进行工艺技术设计与开发；针对漏风 率，设计了滑道密封、栏板加固和细节治理等工艺 及手段. 同时，基于提出的料层热量峰、火焰峰和 液相冷凝峰的“三同步”理论，确立了活性生石灰 为超厚料层技术开发的核心载体[4] . 最终，形成了 如图 1（a）所示的综合性的超厚料层烧结技术体系 和针对性的全活性石灰强化烧结技术[5] . 在 230 m2 烧结机上实现了长期高效、稳定、低耗的烧结生 产. 烧结机利用系数达到 1.87 t·m−2·h−1，固体燃耗 仅为 41.85 kg·t−1，烧结电耗降至 27 kW·h·t−1，漏风 率降至 34%，各项指标均位于行业前沿. 在此基础 上 ，1000 mm 的厚料层下维持了烧结矿纵向上的 性能和成分的质量均衡，烧结矿微观矿物相以铁 酸钙黏结相与铁氧化物晶粒的交织形式为主，烧 结矿各项质量指标（如图 1（b）所示）满足高炉高效 冶炼需求 ，其中包括还原粉化指数 （ Reduction degradation index，RDI），RDI+6.3 为还原后大于6.5 mm 的物料比例，RDI+3.15 为还原后大于 3.15 mm 的物 料比例，RDI−0.5 为还原后小于 0.5 mm 的物料比例. 此外，固体燃耗与电耗的降低带来实质性的 CO2、 NOx、SO2 的减排，在碳中和背景下意义卓著. 张建良等： 炼铁新技术及基础理论研究进展 · 1631 ·

1632 工程科学学报.第43卷，第12期 (a) Particle size control of iron ore Reduce air leakage rate Improve air permeability Enhanced mixing Equipment improvements Triple sync theory Full active quicklime flux Side-sealed middle-passable High moisture content Efficient digestion of quicklime High material-temperature Full Active Lime Intensified Sintering (b) Strip calcium ferrite Kirschsteinite Strip calcium ferrite Magnetite 100 80 74.2 87.17 70 78.24 50 49.1 60 40 0 2 20 7.5 01 RDI.63 RDL1s Tumbler index Reduction index Group Group 图1.(a)超厚料层烧结综合技术体系：(b)1000mm超厚料层条件下烧结矿的成分及冶金性能 Fig.1 (a)Comprehensive technology system for ultra-thick layer sintering;(b)composition and metallurgical performance of the sinter under a 1000 mm ultra-thick layer 1.2高品质功能性球团制备关键技术及脉石元素 基于此，炼铁新技术科研团队针对镁质球团、碱性 迁移评价体系 球团制备工艺进行了优化，通过解析多元矿物和 近几年随着国家钢铁行业低碳绿色发展的逐 熔剂条件下，球团内部“固相一液相-孔隙”的形成 步推进，高炉炉料结构中球团比例的不断升高，镁 演变机制，构建了“固相-液相-孔隙”多相协同作 质球团、碱性球团和含钛球团的成功应用，进一步 用下脉石元素迁移评价体系，为高品质功能性球 丰富完善球团制备基础理论6)，开发不同类别的 团的制备和应用奠定理论基础 高品质功能性球团，及构建脉石元素迁移评价体 采用分子动力学方法首次探究了赤铁矿在高 系成为当前炼铁原料工艺技术发展的新技术.在 温焙烧过程连晶的形成及演化机制，从分子角度 球团矿升温氧化焙烧过程，伴随着脉石矿物间或 揭示了连晶生长过程原子的运动迁移特征、晶型 脉石与铁氧化物间的复杂固相反应，碱性球团内 转变、连晶长大机制，.为进一步解释脉石元素的 部甚至存在低熔点液相与铁氧化物相间的固一液 运动迁移特征，应用镁质熔剂与铁矿粉制备扩散 相反应，对于Mg0、SiO2、AlO3、CaO、TiO2等脉 偶，将制备好的扩散偶在卧式管式炉中进行焙烧， 石氧化物对球团氧化及焙烧固结的影响机制，之 使用SEM对反应后试样微观形貌进行观察，构建 前的研究8-多从宏观性能角度或矿物角度进行 脉石元素迁移扩散评价体系山在氧化焙烧过程

Reduce air leakage rate Particle size control of iron ore Improve air permeability Enhanced mixing Full active quicklime flux Efficient digestion of quicklime Full Active Lime Intensified Sintering Triple sync theory High moisture content High material-temperature Equipment improvements Side-sealed middle-passable (a) (b) Strip calcium ferrite Strip calcium ferrite Kirschsteinite Magnetite 80 60 40 20 100 0 78.24 87.17 Group Tumbler index Reduction index 80 70 60 50 40 30 20 10 0 RDI+6.3 RDI/ % Percentage/ % RDI+3.15 49.1 74.2 7.5 Group RDI−0.5 图 1    （a）超厚料层烧结综合技术体系；（b）1000 mm 超厚料层条件下烧结矿的成分及冶金性能 Fig.1    (a) Comprehensive technology system for ultra-thick layer sintering; (b) composition and metallurgical performance of the sinter under a 1000 mm ultra-thick layer 1.2    高品质功能性球团制备关键技术及脉石元素 迁移评价体系 近几年随着国家钢铁行业低碳绿色发展的逐 步推进，高炉炉料结构中球团比例的不断升高，镁 质球团、碱性球团和含钛球团的成功应用，进一步 丰富完善球团制备基础理论[6−7] ，开发不同类别的 高品质功能性球团，及构建脉石元素迁移评价体 系成为当前炼铁原料工艺技术发展的新技术. 在 球团矿升温氧化焙烧过程，伴随着脉石矿物间或 脉石与铁氧化物间的复杂固相反应，碱性球团内 部甚至存在低熔点液相与铁氧化物相间的固−液 相反应，对于 MgO、SiO2、Al2O3、CaO、TiO2 等脉 石氧化物对球团氧化及焙烧固结的影响机制，之 前的研究[8−9] 多从宏观性能角度或矿物角度进行. 基于此，炼铁新技术科研团队针对镁质球团、碱性 球团制备工艺进行了优化，通过解析多元矿物和 熔剂条件下，球团内部“固相−液相−孔隙”的形成 演变机制，构建了“固相−液相−孔隙”多相协同作 用下脉石元素迁移评价体系，为高品质功能性球 团的制备和应用奠定理论基础. 采用分子动力学方法首次探究了赤铁矿在高 温焙烧过程连晶的形成及演化机制，从分子角度 揭示了连晶生长过程原子的运动迁移特征、晶型 转变、连晶长大机制[10] . 为进一步解释脉石元素的 运动迁移特征，应用镁质熔剂与铁矿粉制备扩散 偶，将制备好的扩散偶在卧式管式炉中进行焙烧， 使用 SEM 对反应后试样微观形貌进行观察，构建 脉石元素迁移扩散评价体系[11] . 在氧化焙烧过程 · 1632 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期

张建良等：炼铁新技术及基础理论研究进展 ·1633 中，氧化镁粉可以与铁矿粉发生反应，生成镁铁尖 持2倍以上的时间.新技术在FE钢铁公司的 晶石.并且，在添加有钙质熔剂下，界面间产生的 2台烧结机上得到应用，大大改善了高品质烧结矿 铁酸钙液相有助于Mg和Fe元素的扩散，提升其 的生产率 迁移能力，进而促进镁质添加剂的矿化) 2高炉内部焦炭多相反应行为解析 13富氢烧结研究进展 烧结与高炉工序的CO2排放量约占工业排放 碱金属碳酸盐对焦炭气化反应均有着催化作 总量的60%)]，为大幅度减少烧结矿生产过程中 用，且催化效应对气化过程有一个极限，由于焦炭 CO2的排放量，JFE钢铁公司开发出向烧结机喷吹 中碳为非均匀乱序结构以及内生矿物的催化作 氢系气体燃料的超级烧结技术“Super-Sinter”,并 用，导致碱金属碳酸盐的催化极限较低.动力学研 成功的应用于生产4-例如，该技术已于2009年 究表明石墨碳和焦炭的气化反应均存在动力学补 1月在京滨第一烧结厂投入商业运行，并持续稳定 偿效应6被钾蒸气碱化后的焦炭组织受到严重 运行至今.结果，烧结过程的能源效率大大提高， 破坏，伴随着有碎屑和焦粉的产生，这表明钾蒸气 而且在京滨第一烧结厂已实现二氧化碳排放量最 对焦炭有很强的直接破坏作用，这种现象被称为 多减少约60000ta.2014年7月17日，JFE钢铁 “剥落效应”，而钠蒸气不具有这种直接破坏作用 公司宣布，在世界上首次成功开发出在烧结矿生 (如图2(a)所示).碱化产生的新生矿物相分别为 产过程中可根本性改善生产率的向烧结机复合喷 六方钾霞石或者钾铝硅酸盐(KA1SiO,)、钠铝硅酸 吹氧和氢系气体的超级烧结技术，并获得实用化. 盐(Na6AlSi,O7)1刃，并且钾钠均可以与碳基体产 在此次新技术的开发中，组合了向烧结机喷吹氧 生层间化合物导致碳基体体积膨胀.含钾矿物 的高氧富化作业和“Super-Sinter'”技术，可大幅度 和含钠矿物对焦炭气化反应的催化程度相近.由 改善焦粉和氢系气体的燃烧性，并通过控制燃烧 于钾蒸气的直接破坏作用比钠蒸气强很多，因此 位置，可比“Super--Sinter”技术在最佳烧结温度保 钾蒸气在高炉内对焦炭性能的破坏能力更大 B2 B3 22 B4 Sla fron 20 6 4 1 Original inte Original inte C-C B6 Slag flow from 6 4 2 1.02.03.04.05.06.07.0 riginal inter Original inte Mass ratio of potassium vapor to coke/% B6 I mm (a) (b) (c) 图2(a)碱化前(A1)后(A2)的焦炭样品及剥落的焦炭碎屑质量随着K含量的变化：(b)表征炉渣流过炉缸的焦炭内部气孔管道的SEM图：(c) 不同碳质基质溶解后的形貌 Fig.2 (a)Expansion behavior of minerals in the coke before(A1)and after(A2)being potash alkalization,(b)SEM image of the pore pipe inside the coke that characterizes the flow of slag through the hearth;(c)morphology of different carbonaceous substrates after dissolution 通过对风口焦炭和炉缸焦炭的分析，发现焦 织产生破坏.所有的炉缸焦炭样品，无论尺寸大 炭内的灰分在风口位置的高温区将会熔融并迁移 小，均已经被严重的石墨化.焦炭尺寸越小，其石 到焦炭表面，熔融灰分包裹焦炭表面会阻碍焦炭 墨化程度越高，这表明了焦炭在高温区的石墨化 与其他物相（气、固、液）的反应（如图2所示） 从表层开始，且石墨化的过程伴随焦粉的产生2o 炉腹渣中的FO的还原在焦-渣界面发生，反应生 产生的焦粉很容易与渣铁形成复杂混合物，这会 成的液态先在焦炭表面形成一个铁液层.焦一渣之 影响到高炉高温区的透气透液性.炉缸的多孔焦 间的反应将通过侵蚀反应作用对焦炭的结构和组 炭内部被发现充满了炉渣，而焦炭内部原始的灰

中，氧化镁粉可以与铁矿粉发生反应，生成镁铁尖 晶石. 并且，在添加有钙质熔剂下，界面间产生的 铁酸钙液相有助于 Mg 和 Fe 元素的扩散，提升其 迁移能力，进而促进镁质添加剂的矿化[12] . 1.3    富氢烧结研究进展 烧结与高炉工序的 CO2 排放量约占工业排放 总量的 60% [13] ，为大幅度减少烧结矿生产过程中 CO2 的排放量，JFE 钢铁公司开发出向烧结机喷吹 氢系气体燃料的超级烧结技术“Super-Sinter”，并 成功的应用于生产[14−15] . 例如，该技术已于 2009 年 1 月在京滨第一烧结厂投入商业运行，并持续稳定 运行至今. 结果，烧结过程的能源效率大大提高， 而且在京滨第一烧结厂已实现二氧化碳排放量最 多减少约 60000 t·a−1 . 2014 年 7 月 17 日，JFE 钢铁 公司宣布，在世界上首次成功开发出在烧结矿生 产过程中可根本性改善生产率的向烧结机复合喷 吹氧和氢系气体的超级烧结技术，并获得实用化. 在此次新技术的开发中，组合了向烧结机喷吹氧 的高氧富化作业和“Super-Sinter”技术，可大幅度 改善焦粉和氢系气体的燃烧性，并通过控制燃烧 位置，可比“Super-Sinter”技术在最佳烧结温度保 持 2 倍以上的时间. 新技术在 JFE 钢铁公司的 2 台烧结机上得到应用，大大改善了高品质烧结矿 的生产率. 2    高炉内部焦炭多相反应行为解析 碱金属碳酸盐对焦炭气化反应均有着催化作 用，且催化效应对气化过程有一个极限，由于焦炭 中碳为非均匀乱序结构以及内生矿物的催化作 用，导致碱金属碳酸盐的催化极限较低. 动力学研 究表明石墨碳和焦炭的气化反应均存在动力学补 偿效应[16] . 被钾蒸气碱化后的焦炭组织受到严重 破坏，伴随着有碎屑和焦粉的产生，这表明钾蒸气 对焦炭有很强的直接破坏作用，这种现象被称为 “剥落效应”，而钠蒸气不具有这种直接破坏作用 （如图 2(a) 所示）. 碱化产生的新生矿物相分别为 六方钾霞石或者钾铝硅酸盐（KAlSiO4）、钠铝硅酸 盐（Na6Al4Si4O17） [17] ，并且钾钠均可以与碳基体产 生层间化合物导致碳基体体积膨胀[18] . 含钾矿物 和含钠矿物对焦炭气化反应的催化程度相近. 由 于钾蒸气的直接破坏作用比钠蒸气强很多，因此 钾蒸气在高炉内对焦炭性能的破坏能力更大. 20 22 18 16 14 12 10 8 6 4 2 1.0 2.0 3.0 4.0 Mass ratio of potassium vapor to coke/% Mass fracton of peeling fragments/ % 5.0 6.0 7.0 A1 A2 B2 C1 C1 C2 C3 C4 C1 C2 Original interface Original interface Original interface Original interface C3 C4 Fe-C C C Resin Resin Resin Resin New interface New interface New interface New interface C C Fe-C Fe-C Fe-C C4 B2 B3 B3 B4 B4 B5 B6 B6 (a) (b) (c) B1 A3 500 μm 25 cm 25 cm 200 μm 200 μm 200 μm 20 μm 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm 20 μm 50 μm 50 μm Slag particles Spinel crystals Slag flow from another coke pore Slag flow from another coke pore 图 2    （a）碱化前（A1）后（A2）的焦炭样品及剥落的焦炭碎屑质量随着 K 含量的变化；（b）表征炉渣流过炉缸的焦炭内部气孔管道的 SEM 图；（c） 不同碳质基质溶解后的形貌 Fig.2    (a) Expansion behavior of minerals in the coke before (A1) and after (A2) being potash alkalization; (b) SEM image of the pore pipe inside the coke that characterizes the flow of slag through the hearth; (c) morphology of different carbonaceous substrates after dissolution 通过对风口焦炭和炉缸焦炭的分析，发现焦 炭内的灰分在风口位置的高温区将会熔融并迁移 到焦炭表面，熔融灰分包裹焦炭表面会阻碍焦炭 与其他物相（气、固、液）的反应 (如图 2 所示) [19] . 炉腹渣中的 FeO 的还原在焦−渣界面发生，反应生 成的液态先在焦炭表面形成一个铁液层. 焦−渣之 间的反应将通过侵蚀反应作用对焦炭的结构和组 织产生破坏. 所有的炉缸焦炭样品，无论尺寸大 小，均已经被严重的石墨化. 焦炭尺寸越小，其石 墨化程度越高，这表明了焦炭在高温区的石墨化 从表层开始，且石墨化的过程伴随焦粉的产生[20] . 产生的焦粉很容易与渣铁形成复杂混合物，这会 影响到高炉高温区的透气透液性. 炉缸的多孔焦 炭内部被发现充满了炉渣，而焦炭内部原始的灰 张建良等： 炼铁新技术及基础理论研究进展 · 1633 ·