一、研究的背景与问题
进入新世纪以来，我国钢铁工业面临优质铁矿资源匮乏与产能增长的结构性矛盾，铁矿石对外依存度长期高于80%。伴随全球富矿资源的深度开发，铁矿石呈现明显的“贫化”与“高铝化”不可逆趋势，导致高炉炉料及炉渣铝负荷持续爬升。
长期炼铁实践表明，铝负荷富集对“烧结-高炉”工艺流程构成了严峻挑战。在烧结端，Al2O3作为难熔组分，会增大液相粘度，阻碍同化扩散，导致转鼓强度下降、低温还原粉化恶化及燃耗升高；在高炉端，高铝炉渣表现出高粘度、高熔化温度特征，不仅恶化软熔带及炉缸透气透液性，且削弱炉渣脱硫能力。面对上述严峻挑战，国内炼铁界长期沿用的传统“刚性控铝”路线（即一般将烧结矿Al2O3控制在<2.2%，高炉渣Al2O3限制在12%-15%）已难以适应当前资源现状，严重限制了高铝铁矿的资源化利用效益。
提升高铝矿资源的经济高效利用水平，是构建矿产资源安全保障体系、炼铁炉料低碳化转型的关键环节，也是企业实现配矿降本增效的核心课题，亟需技术创新的关键突破。
二、解决问题的思路与技术方案
项目基于对“高铝炼铁炉料制备及其对大型高炉冶炼过程稳定性影响机制”的科学问题研究，结合长期生产实践中积累的配矿与高炉操作经验，深度融合源头矿物相设计、过程能量利用、末端渣系组分精准调控，形成了一套从原料源头到末端铁水的系统性调控关键技术。
图1 高铝烧结与超高铝炉渣绿色高效冶炼技术路线图
在烧结环节，科学高铝配矿，着力促进高铝SFCA（复合铁酸钙）粘结相的生成与发育；通过等效液相生成热与CO过程放热，克服高铝烧结热缺口。在高炉炼铁环节，建立了从以低镁铝比（<0.5）为核心特征的超高Al2O3（≥17%）四元（CaO-SiO2-Al2O3-MgO）造渣体系。最终，将源头控制与过程调控的技术成果集成为整体的生产效能，成功驾驭高铝炉料，打通“低品位、高铝、低镁”的劣质资源消纳路径，实现特大型高炉“超高铝、低镁铝比”炉渣冶炼的长期稳定顺行，为行业高效利用经济矿资源提供了切实可行的技术路径。
三、主要创新性成果
本项目在微观成矿机理、低碳烧结工艺及高炉造渣理论三个维度取得了系统性原创成果，深入探索特大型高炉低镁铝比（＜0.5）条件下超高Al2O3（≥17%）炉渣冶炼“禁区”，开拓了稳产、高产、低耗的新局面，主要创新成果如下：
1、面对高铝铁矿烧结中氧化铝难熔、液相粘度大、成矿强度低的行业共性难题，本项目从矿物晶体化学角度出发，首次发现并确立了可固溶过量Al2O3（＞6%）的新型高性能高铝SFCA粘结相，具有熔点低、粘度小、润湿性好及自身强度高的特性。提出“预制高性能SFCA替代Al2O3”的相调控技术，有效抑制高熔点脆性相生成，以解决高铝烧结矿强度与还原性难以兼得的矛盾。结合高铝配矿优化，工业常态生产冶金性能优良的高铝(Al2O3≥2.2%)烧结矿，实现基于炉料自然镁铝的高炉渣镁铝精确调控。
图2 高铝SFCA烧结矿抗压强度、热重与还原度、矿相结构
2、针对高铝烧结高热需求，项目提出含铝固废预制高铝SFCA，其液相生成可等效替代30%以上固体燃耗，构建了“固废资源化—材料功能化—烧结低碳化”三位一体的工业化应用体系。在大型烧结机生产实践中，通过返矿预润湿、燃料粒度优化、漏风治理、烟气循环优化、料面蒸汽组成优化等工艺过程控制手段，强化料层内CO氧化自补热，在保障高铝烧结产质量的同时精准填补高铝烧结热缺口，烟气CO含量（氧16%下）由6000 mg/m3以上稳定降至4000 mg/m3以下，吨烧结矿料层内回收反应热约为34.77 MJ，实现了节能减碳协同增效。
图3 改造后风箱烟气CO排放规律及改造前后大烟道CO排放水平(@16%O2)
3、本项目基于四元渣系（CaO-SiO2-Al2O3-MgO）相图与高温流变学实验，精确找到了渣系黏度突变的临界点。根据炉渣Al2O3含量科学划分管控区间：炉渣Al2O3含量在15%-17%时，适宜镁铝比应控制在0.40-0.50；当Al2O3≥17%时，宜控制在0.45-0.55。配套建立标准化操作体系，实现炉料镁铝自然调控炉渣镁铝，成功护航了4000 m3级高炉在极窄操作窗口内的稳定运行，在行业特大型高炉中首先实现超高Al2O3含量（16.50%~17.10%）炉渣在低镁铝比(0.47~0.51)条件下的长期强化冶炼，验证了“最佳镁铝比”理论在超高铝炉渣冶炼中的有效性，彻底终结了“未知适宜镁铝比而盲目加镁”的历史。
图4 炉渣碱度1.10与1.20固定镁铝比的粘度—温度图
四、应用情况与效果
本项目自2014年起即开展炉渣低镁铝比分段管控的工业化实践，目前已在河南钢铁集团旗下安阳钢铁、周口钢铁两大基地的千万吨级生产线上推广应用多年。通过全国4000 m3以上高炉大数据的横向对标显示，在全行业烧结矿Al2O3含量普遍向高位震荡漂移的背景下，安钢3#高炉呈现出显著的、在行业内少见的 “超高Al2O3及低镁铝比炉渣”特征，打破了“高铝必高镁”的传统情况。其入炉烧结矿Al2O3自2022年以来长期保持在2.2%~2.4%（行业前列）；高炉渣Al2O3常年属行业极值（断崖式领头地位），处于行业95.3%分位点以上，长期处于全国仅5%以下高炉偶尔承受的“极限高铝渣”工况；在此极端高铝负荷下，渣中镁铝比仍成功锁定在0.49（处于行业后37.8%水平）。这种“负重前行、吃粗粮干重活”的运行模式，证明其在处理贫杂矿种及降低熔剂成本方面具备极强的技术韧性与适应能力。
图5 全国同类型高炉渣中Al2O3统计图（左散点图、右箱线图）
图6 全国同类型高炉渣中镁铝比统计图（左散点图、右箱线图）
图7 软熔滴落试验焦仓层实物对比（烧结矿Al2O3含量左2.69%、右2.12%）
还原软熔滴落试验表明，所用高铝烧结矿（Al2O3=2.69%）相比传统烧结矿（Al2O3=2.12%）具有较低的软化区间、适宜的滴落温度和较窄的熔化区间，总特性值更低，且滴落量显著更多，软熔滴落通畅，渣铁分离效果良好，与工业运行实绩吻合。优良高温性能的高铝烧结矿为高炉在更高铝负荷下实现稳定顺行提供有效支撑。
高铝烧结与超高铝炉渣绿色高效冶炼关键技术的成功应用，使企业能够长期稳定、低碳化地“吃进”较高比例的高铝经济矿。这种“高炉吃粗粮、配矿降成本”的工序耦合模式，本质上是将高炉操作的技术溢价转化为了一次原料采购的巨大成本优势。仅在2023至2024两年间，因放宽铝限、使用高铝矿带来的铝调折价，即为安阳钢铁实现增收节支2.31亿元。同时，减少了大量镁质熔剂入炉，高炉渣比由约328 kg/t显著降低至约313 kg/t。
本项目不仅帮助内陆钢企充分挖掘了低价贫杂矿的利用价值，突破远离港口的区位劣势，更为行业内大量使用高铝铁矿的企业提供了完整、可复制的高铝矿资源低成本绿色高效利用技术方案，对突破资源约束、制备绿色低碳冶金炉料、推动钢铁行业绿色低碳转型具有重要示范意义和推广价值。
信息来源：河南钢铁集团有限公司
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