梯队负责人: 吴胜利 教授

梯队成员:   吴胜利, 张宗旺, 冯根生, 张丽华

梯队简介:

随着世界、特别是我国钢铁工业规模的迅速扩大，金属矿产资源的短缺问题日趋凸现，全球优质的金属矿产资源日渐匮乏，急需开发金属矿产资源高效及循环利用技术。本学术梯队以优化配矿技术和优化工艺参数技术为突破点，进行了基于各炼铁工艺过程的铁矿石自身特性评价及优化配矿技术，烧结、球团、高炉炼铁、熔融还原炼铁等工艺过程及操作参数优化技术的理论研究、实验研究以及应用研究，并取得了重大突破性成果，引起国内外同行的高度关注。本学术梯队首次提出了铁矿石的烧结基础特性、含铁炉料高温反应性、铁矿石的粘结性能等新概念，并利用其开发烧结、高炉和COREX优化配矿新技术，此外，进行了低硅烧结、低FeO烧结、厚料层烧结、高褐铁矿烧结、烧结熔剂结构优化、烧结混合料制粒性优化、烧结矿中MgO作用机理、烧结均匀布料及稳定终点操作指导系统、高产率低燃料比高炉炼铁技术、高炉上下部调剂技术、高炉理论燃烧温度、高炉煤气流优化配置、高炉降低熟料比、COREX3000竖炉条件下铁矿石粉化行为、COREX3000竖炉内炉料粘结机理及抑制技术、COREX3000含铁炉料的预还原行为等工艺参数优化技术的研究。为最大限度地确保资源安全性，提高企业综合效益，高效及循环利用金属矿产资源提供理论基础和技术依据。

代表性研究内容与成果简介：

1)“铁矿石的烧结基础特性”新概念

铁矿石的烧结过程是在高温状态下完成的，然而人们对烧结用铁矿石的高温特性却知之甚少。为此，针对这些未知特性进行了深入研究，结合烧结工艺理论，先后提取出同化性、液相流动性、粘结相强度、铁酸钙生成性以及连晶强度等五项铁矿石的高温物理化学特性。由于这些特性属于铁矿粉烧结范畴，故统称为“铁矿石的烧结基础特性”。

通过深入研究，给出了这一新概念的深刻内涵。即：所谓铁矿石的烧结基础特性，就是指铁矿石在烧结过程中呈现出的高温物理化学性质，它反映了铁矿石的烧结行为和作用，亦是评价铁矿石对烧结过程以及烧结矿产质量所做贡献的基本指标。

同化性是指铁矿石在烧结过程中与CaO的反应能力，它表征铁矿石在烧结过程中生成液相的难易程度；液相流动性是指在烧结过程中铁矿石与CaO生成的液相的流动能力，它表征的是粘结相的“有效粘结范围”；粘结相强度是指铁矿石在烧结过程中形成的液相对其周围的核矿石进行固结的能力，它表征的是铁矿石的液相固结能力；铁酸钙生成性是指铁矿石在烧结过程中生成复合铁酸钙的能力，它表征的是粘结相的质量；连晶强度是指铁矿石在高温下产生连晶的能力，它表征铁矿石的固相固结能力。

研究结果表明：不同铁矿石的同化性、液相流动性、粘结相强度、铁酸钙生成性以及连晶强度不同，而以往的研究方法并不能反映这些高温物理化学性能的不同，故铁矿石的烧结基础特性能够更贴切、更真实地反映铁矿石在烧结过程中的行为和作用，是对铁矿石造块理论的有益补充。

图1  若干种烧结用铁矿石的烧结基础特性

2) 基于铁矿石烧结基础特性的优化配矿新技术

传统的烧结配矿研究方法，主要是依靠烧结杯实验，通过变动各种铁矿石的配比，根据烧结矿的产质量指标的变化，寻求相对合理的配矿方案。一方面，这种烧结配矿研究方法存在实践上的盲目性和目标上的非优化性等问题，从而消耗大量的人力、物力和财力；另一方面，无法从机理上掌握优化配矿技术的关键。

造成上述状况的根本原因，归根结底是长期以来对烧结用铁矿石的自身特性缺乏全面的了解，没有对其在烧结过程中呈现的高温物理化学特性具备必要的理论认知，从而无法充分和正确把握铁矿石种类与烧结效果之间的内在联系。

本学术梯队首次获得的“铁矿石烧结基础特性”的研究成果，解决了必须重视烧结用铁矿石的高温物理化学特性，以及正确提取能反映其在烧结过程中的行为和作用之特性等理论认知问题。在此基础上，如何解明铁矿石烧结基础特性对烧结矿产质量指标的影响规律，使得铁矿石种类和烧结效果之间的“黑箱”清晰化，就成为确立烧结优化配矿新理论必须解决的关键问题。

研究结果表明：在烧结工艺参数一定的情况下，所用铁矿石的种类、配比以及搭配模式，是决定烧结矿产质量指标的关键因素，而这些配矿因素所起作用的根源正是铁矿石的烧结基础特性。例如，在烧结温度和速度一定的情况下，所用铁矿石的综合同化性指数就成为影响烧结矿产质量指标的重要因素，过低的同化性将导致烧结液相生成能力的不足而影响固结成矿，过高的同化性又会造成料层透气性下降而影响烧结矿产质量，可见适宜的铁矿石综合同化性是一个技术进步的烧结过程所要求的。

事实上，不同铁矿石由于其自身性质的差别，在烧结过程中必然表现出不同的高温行为和作用。在烧结生产进行配矿时，应重视烧结基础特性不同的铁矿粉搭配使用以互补或改善，如同化性高的铁矿粉搭配同化性低的铁矿粉，使烧结过程中铁矿粉与CaO的反应能力适宜，以获得综合同化性合适的铁矿石。

本学术梯队在理论和实验研究的重大突破性成果的基础上，开发了基于铁矿石烧结基础特性的优化配矿新技术，其要点是：根据铁矿石的同化性、液相流动性、粘结相强度、铁酸钙生成性、连晶强度及其相互之间的配合性等，并结合铁矿石烧结基础特性与烧结矿产质量指标之间的内在因果关系，设计烧结配矿方案，再通过少量的烧结杯验证试验，即可进入工业试验或工业应用。这一应用性研究成果已在生产实际中得以验证，取得了显著的效果，相关企业因此获得了技术进步和丰厚的经济效益。

本学术梯队开发的基于铁矿石烧结基础特性的优化配矿新技术，不仅改变了长期以来传统配矿的落后性，而且为烧结过程的整体优化提供了有力的技术支持。例如，这一研究结果有助于改变传统上以“变动工艺参数”去迎合“烧结原料”的被动、落后状态，通过应用铁矿石的烧结基础特性和优化配矿新技术，用“优化的原料”去适应“先进的烧结工艺”，从而有利于实现烧结过程的整体优化。事实上，已相继衍生开发出如下相关的烧结整体优化方面的新技术：

（1）高铁份、低SiO2型烧结矿的生产新技术；

（2）大量使用褐铁矿的低成本烧结新技术；

（3）高还原性烧结矿的生产新技术；

（4）综合考虑铁矿石自身特性的烧结燃料分加技术；

（5）超高料层烧结矿的生产新技术。

图2  若干种烧结用铁矿石的配合性

3) “含铁炉料高温反应性”新概念

块矿、球团矿入炉后在逐渐被加热、还原过程中会与周围共存的烧结矿发生化学反应，特别是进入软化熔融状态后，块矿、球团矿与烧结矿之间的交互作用将会非常明显，其重要的结果就是改变块矿、球团矿与烧结矿各自原有的软熔特征。在此，我们把这一现象称为块矿、球团矿与烧结矿的交互反应。

由于烧结矿的性质相对固定，主要考察的是各种块矿、球团矿与烧结矿的交互反应情况，它又主要受块矿、球团矿自身性质的影响而存在差异，而这一差异可以归结为块矿、球团矿与烧结矿反应能力的不同，因此我们把这种块矿、球团矿与烧结矿在高温下能够发生交互反应的能力称为块矿、球团矿的高温反应性。

通过对各种块矿、球团矿与烧结矿混合后软熔特征变化的研究，评价和把握各种块矿、球团矿与高碱度烧结矿的熔态反应程度。以此分析不同种类块矿、球团矿，在高炉条件下对综合炉料软熔性能的影响情况，为选择合适的块矿、球团矿种类提供新的理论和技术依据。

把在1200℃条件下，天然块矿、球团矿与给定烧结矿各按50%比例混合后，其体积收缩率的增量率，即因化学反应而产生的体积收缩率与物理混合所对应的体积收缩率的比值，定义为该种天然块矿、球团矿的高温反应性指数。

HRI =（MSR－PSR）／ PSR

式中：HRI——块矿、球团矿高温反应性指数

     MSR——混合矿实际体积收缩率

     PSR——物理混合所对应的体积收缩率

一般而言，块矿、球团矿与烧结矿的高温反应性越强，则克服自身软熔性能差的能力就越大，同时改变烧结矿软熔特性的趋势也会越大。

研究结果表明：块矿、球团矿的高温反应性对其综合炉料软熔性能的改善有着重要的影响和作用，不同块矿、球团矿的高温反应性不同，对其综合炉料软熔性能的改善幅度有所不同，这一特性能够很好地反映含铁炉料在高炉内的软熔特征，为高炉炉料结构的优化提供了理论基础。

图3 块矿、球团矿与烧结矿组成的混合矿的高温体积收缩率曲线

图4 不同块矿、球团矿的高温反应性指数比较

4) 基于含铁炉料反应性的高炉优化配矿新技术

各种块矿、球团矿与烧结矿组成的混合矿的高温体积收缩率曲线的曲率大小有别，也就是与物理混合所对应的体积收缩率的偏离程度不同。这一结果揭示了在高温下块矿、球团矿与高碱度烧结矿之间发生交互反应的能力是不同的，这种差别可以概括为块矿高温反应性的差异。

图5 不同高温反应性下综合炉料的软熔滴落性能

研究结果表明：块矿、球团矿的高温反应性与综合炉料的软化开始温度呈正相关趋势，即：反应性越强的块矿、球团矿，使用它们组成的综合炉料的软化开始温度越高，反之亦然；块矿、球团矿的高温反应性与综合炉料的软化温度区间、滴落温度区间、熔滴性能总特征值有负相关趋势，即：反应性越强的块矿、球团矿，使用它们组成的综合炉料的软化温度区间、滴落温度区间越窄，熔滴性能总特征值越小，反之亦然。因此，块矿、球团矿的高温反应性是影响综合炉料软熔特性的重要因素，块矿、球团矿高温反应性的高低直接关系着综合炉料的软熔特性的优劣。因此在选择和使用块矿、球团矿时要充分考虑其高温反应性对综合炉料的影响。

块矿、球团矿与烧结矿在高炉高温区发生的交互反应能够明显改善其自身软熔性能差的缺点，利用这一反应性可以优化铁矿石的搭配模式和调整铁矿石间的使用比例，从而达到高炉优化配矿和合理使用铁矿石的目的。本学术梯队利用含铁炉料的高温反应性进行了高炉增加块矿使用比例的研究，在适宜的块矿搭配模式和块矿间使用比例下，天然块矿使用比例提高到23％甚至27％时，综合炉料仍有较好的软化熔滴性能，能够满足高炉冶炼的要求。

5) 新型的高炉炼铁全流程优化配矿专家系统

目前国内外已有的“优化配矿”计算模型软件，仅仅依据的是铁矿石的化学成分等理化性能，在此基础上进行配矿成本优化。并不清楚铁矿石的高温行为和作用，所以这些所谓的“优化配矿”模型，充其量是应用了计算机手段的配矿计算方法，而不能根据含铁炉料性能的要求进行配矿设计，更无法预测经该软件计算获得的配矿方案能否满足实际生产，大大影响了优化配矿技术的发展。

   本学术梯队在理论研究方面，提出了铁矿石烧结基础特性、含铁炉料高温反应性等新概念，明确了其内涵，创立了基于铁矿石自身特性的优化配矿研究方法。运用这些突破性研究成果，并结合炼铁理论、物理化学原理、模糊数学方法、人工智能技术等手段，并将烧结、炼铁两种工艺结合在一起，初步建立了新型的高炉炼铁全流程优化配矿专家系统。

图6  新型的炼铁全流程优化配矿专家系统界面

综上所述，本学术梯队在铁矿石自身特性评价及优化配矿技术方面取得了上述几项独创性重要成果。这些研究成果是对现有理论的有益补充，在为高效利用铁矿石资源、实现高炉炼铁全流程优化配矿等方面提供理论基础和依据。

特色仪器设备简介：

为了适应理论研究上的突破，传统的实验研究装置已不符合要求，需要研制和开发新型的铁矿石烧结基础特性和含铁炉料高温反应性研究装置。本学术梯队通过精心研制和不断完善，建成了在国际上处于领先水平的铁矿石烧结基础特性、含铁炉料高温反应性的研究装置。该研究装置采用红外线辐射和金面多点反射聚焦的加热方式，最高温度可达1400℃；升温速度快，最高可达160℃/sec；无耐火材料，降温速度快，实验效率高；体积小、重量轻，环保条件好。

图7  红外线高温炉和温度控制仪表

图8  研究装置的主体设备部分