冶金知识

球团矿贸易与生产工艺流程

2016年11月23日14:05   来源:西本新干线
摘要:提到球团,就要涉及到钢铁冶炼行业中作为提炼铁矿石的两种常用工艺:造球工艺与烧结工艺。球团矿就是把细磨铁精矿粉或其他含铁粉料添加少量添加剂混合后,在加水润湿的条件下,通过造球机滚动成球,再经过干燥焙烧,固结成为具有一定强度和冶金性能的球型含铁原料。

提到球团,就要涉及到钢铁冶炼行业中作为提炼铁矿石的两种常用工艺:造球工艺与烧结工艺。球团矿就是把细磨铁精矿粉或其他含铁粉料添加少量添加剂混合后,在加水润湿的条件下,通过造球机滚动成球,再经过干燥焙烧,固结成为具有一定强度和冶金性能的球型含铁原料。

球团矿的用途


烧结矿、球团矿和块矿作为矿石原料混合入炉,与焦炭、石灰石混合入炉炼铁,产出的铁水输送至转炉炼钢。


以球团矿作为原料而制成的直接还原铁既可以作为电炉炼钢原料(可100%配比),也可以作为转炉炼钢的冷却剂。由于直接还原铁工艺不使用焦炭,极大减轻了对环境的污染。



造球与烧结两种生产工艺的区别

随着地球资源的不断开采,富矿短缺,必须不断扩大贫矿资源的利用,而选矿技术的进步可经济地选出高品位细磨铁精矿,其粒度从-200网目(小于0.074mm)进一步减少到-325网目(小于0.044mm)。这种过细精矿不益于烧结,透气性不好,影响烧结矿产量和质量的提高,而用球团方法处理却很适宜,因为过细精矿易于成球,粒度愈细,成球性愈好,球团强度愈高。

成品矿的形状不同:烧结矿是形状不规则的多孔质块矿,而球团矿是形状规则的10~25mm的球球团矿较烧结矿粒度均匀,微气孔多,还原性好,强度高,且易于贮存,有利于强化高炉生产。

适于球团法处理的原料已从磁铁矿扩展到赤铁矿、褐铁矿以及各种含铁粉尘,化工硫酸渣等;从产品来看,不仅能制造常规氧化球团,还可以生产还原球团、金属化球团等;同时球团方法适用于有色金属的回收,有利于开展综合利用。

固结成块的机理不同:烧结矿是靠液相固结的,为了保证烧结矿的强度,要求产生一定数量的液相,因此混合料中必须有燃料,为烧结过程提供热源。而球团矿主要是依靠矿粉颗粒的高温再结晶固结的,不需要产生液相,热量由焙烧炉内的燃料燃烧提供,混合料中不加燃料

生产工艺不同:烧结料的混合与造球是在混合机内同时进行的,成球不完全,混合料中仍然含有相当数量未成球的小颗粒。而球团矿生产工艺中必须有专门的造球工序和设备(造球盘等),将全部混合料造成10~25mm的球,小于10mm的小球要筛出重新造球。

球团矿作为良好的高炉炉料,自上世纪50年代在美国首先工业化生产以来,发展迅速。不仅具有品位高、强度好、碱度低、易还原、粒度均匀等优点,而且可使高炉利用系数提高、焦比降低。从国外使用情况看,随着高炉中球团矿使用量的增加,炼铁渣量明显下降,高炉铁水产量提高,焦比和综合燃料处于较低状态,提高高炉寿命达到13年以上。

世界球团使用比例

欧美高炉球团矿使用比例一般都比较高,个别的高炉达到100%,一般配比都可达到70%,而中国高炉,主要是以烧结矿为主,烧结矿配比高达70-80%,而球团矿在我国炉料配比一直都比较低,约占5-20%,当然这与我国长期以来的炼钢历史不可分割。

球团矿与钢厂利润


往往,在钢材利润较好的情况下,钢厂或会因为球团矿的低燃耗和高铁水出产的特性,而增加球团矿配比。因此,球团矿的使用与钢厂利润一般呈正相关。

世界球团贸易

世界球团贸易与钢铁行业的发展步调基本是一致的。2004-2015年,全球球团贸易量基本保持在1.2亿吨水平。自2004-2010年,世界钢铁需求强劲,各国都在加速扩产能,而球团作为低燃耗、高铁水产出的产品,备受亲睐,球团贸易量也逐步攀升。而自2010年后,随着世界钢铁需求的回落,钢厂利润开始收缩,部分开始亏损破产,因此,球团的需求逐步下降,其贸易量逐步由峰值的1.39亿吨降至1.2亿吨。

世界球团的供与需

2015年世界球团产量约4.47亿吨,由于钢厂利润近几年持续收缩,原料采购也尽量倾向价格低、品味稍低的品种,因此,球团矿作为高品质矿石,用量呈现缩小趋势,这使得很多球团矿企如履薄冰,出现大面积的关停,因此,2016年,球团供应相对会有所减少。根据最新数据了解,世界主要球团生产商累计生产量并没有明显增幅,部分与去年同比小幅下滑,部分保持稳定生产。瑞典球团Ferrexpo、LKAB产量小幅增长;俄罗斯Metalloinvest、Severstal生产基本保持平稳;瑞典Ferrexpo、LKAB产量小幅增长;巴西Vale、加拿大IOC和乌克兰Metinvest厂相继有不同程度的减产。早于2015年11月停产的巴西Samarco矿山整体供应量3000万吨,据悉,将于2017/18恢复生产,届时巴西整体供应量将新增约3000万吨。

巴西—大宗商品最重要的生产国与输出国


巴西,全球第一大产糖国,世界第二大大豆生产国,世界上第三大玉米生产国,世界上第一大铁矿石生产国,也是世界上第一大球团出口国,每年向世界输出近5100万吨的球团矿,其境内最大的矿山Vale,每年要向世界输出约4300-4700万吨的球团矿,输出量占巴西的90%,在铁矿石贸易中,起着至关重要的作用。巴西今年1-8月份到中国的球团量大降70%左右,而这与2015年巴西Samarco矿山(年3000万吨)的停产有直接的关系。由于进口球团矿的减少,加之国内球团设备未能及时复产,使得国内球团需求缺口非常大,国内球团价格被逐步推高,钢厂也苦于球团矿的供应短缺,纷纷开始大量外采磁铁矿自行加工或者采购些块矿进行补充。

欧洲—世界最大的球团消费市场


欧洲向来以高额的球团溢价吸引了世界大量球团供应商的目光,这主要得益于欧洲较高的球团配比,其钢厂球团配比一般保持在70%以上,部分可实现100%。

在世界球团贸易中,欧洲每年有近4700万吨的球团需求,除了高炉球团炼铁外,欧洲也大量生产直接还原铁,因此,欧洲的球团需求相对比较稳定。

中国未来球团进口需求增长有限

中国国内球团产能约3.5亿吨,目前产能利用率50%不到,未来随着清洁炼钢模式的普及、环保的严格监管,球团矿需求或将有所提升,仅就国内球团潜在供应来看,未来足以满足国内钢厂对球团矿的需求,因此,中国球团进口份额未来或呈缩小态势。

北非、中东地区未来球团需求增长比较大

首先,由于伊朗刚刚摆脱美国的经济制裁,需要大力发展国内经济,因此国家政府的投资有望拉动对钢铁的需求,进而带动球团矿的需求。据相关信息了解到,伊朗计划将其粗钢产能从当前的2500万吨扩产至5500万吨,粗钢产能的扩产需要更多铁矿石原料的供给,因此伊朗也积极扩大自身铁矿精粉和球团矿的产能,据悉,伊朗计划将铁精粉产量从2500万吨扩产至6500,球团产量从2500万吨增至8000万吨。

其次,非洲具有强大的基建需求,当地直接还原铁产能利用率不到50%


非洲是矿山资源非常丰富的一个国家,南非英美资源Kumba铁矿、山钢集团的塞拉利昂矿、毛里塔尼亚矿山、非洲彩虹矿业的Assmang等,都是非洲重要的铁矿石输出国,然而,据笔者了解,当地开发矿产资源其中最大的一个限制就是交通设施太落后,很多投资者入驻后,都要新建运输公路、铁路、港口,因前期投资较大,再加上当前的行业不景气,很多当地的矿山都大面积的亏损,著名的英美资源矿业公司在近几年频频出售其旗下的资产,其中就包含在南非的铁矿、铜矿项目等。未来当地政府或者外资加强对基建的投入,势必会拉动对钢材和铁矿石原料的需求。

北非地区经常发生动乱,整体钢铁生产不断受阻,当地直接还原铁设备产能利用率比较低,50%不到,未来,随着当地政治环境的改善,直接还原设备产能的恢复,使得球团需求逐步提高(球团是直接还原铁生产的主要原料)。

球团产能的变化

2015年,全球球团产能7.618亿吨,世界球团产量4.47亿吨,世界球团产能利用率不到58%。其中2004年-2015年间,全球球团产能新增9000万吨(除去中国和印度之外)。但是由于2015年左右钢铁行业萎靡,世界球团产能又出清约7000万吨(不包含中国、印度、非洲和中东地区)。

造球精粉是球团矿的重要原料,平均1吨造球精粉可产0.95吨球团(一般性而言)。那么未来造球精粉的供应情况将会直接影响球团矿的供给。

世界造球精粉产量情况


世界上最大的精粉生产国家依旧是巴西。年产量1.22亿吨左右,除巴西以外,主要产地还包括,独联体成员国、北美自由贸易区、欧盟、中国等。2015年世界造球精粉产量约3.88亿吨,根据某机构预测,造球精粉产量未来将保持稳步增长,至2020年,有望达到4.62亿吨。支撑造球精粉产量不断增长的重要因素在于未来世界清洁炼钢模式的普及,球团矿或者直接还原铁成为炼铁和炼钢的重要选择。

未来造球精粉供应增长主要来自巴西,其他独联体成员国与北美自由贸易区供应没有太大变动;而欧盟扩产计划延迟,可视为稳。


巴西境内英美资源旗下的Minas-rio,据统计将于2018年完全达产,实现产能2650万吨目标(实际可能低于这个数字),另一家世界第一大矿山淡水河谷Vale的南部项目有望实现进一步增产。

直接还原球团的贸易

直接还原铁(DRI-Direct Reduced Iron)是用气体或固体还原剂在低于矿石软化温度下,在反应装置内将铁矿石还原成金属铁的方法,其用料之一便是氧化球团矿,生产出来的产品我们可称之为直接还原球团。这种铁保留了失氧前的外形,因失氧形成大量微孔隙,显微镜下形似海绵结构,故又称海绵铁。其既可以作为高炉的冷却剂,又可以与废钢配比用电炉炼钢,产出的钢品种主要是特种钢、优质钢等。目前直接还原铁炼钢在欧美比较普及,中国几乎不用,因此直接还原铁的贸易主要集中在欧州。

世界直接还原球团贸易


世界直接还原球团每年贸易量约2200万吨,其中巴西依旧是世界直接还原球团的最大输出国,每年出口量约1600万吨(Samarco是巴西最重要的直接还原球团供应商之一)。

非洲和中东地区是世界上最大的直接还原铁消费国,除了消耗自身较大的产量外,还要每年额外进口1400万吨左右。

非洲和中东直接还原铁产量近十年一直保持较强劲的增长,产量从2004年的1690万吨增至自2015年3300万吨,2013年后产量逐步稳定在3300万吨左右。根据笔者上前文提到的,伊朗和北非未来直接还原铁的生产将会继续保持增长。

高炉入炉球团供需及贸易情况

球团矿,作为高炉重要的原料之一,其消耗量是随着高炉铁水产量的增长而增长,在某种程度上反映了世界钢铁的发展轨迹   。

早在2002年,钢价一直处于上升势头,行业利润前景一片光明,2003年全球各大钢铁公司的股价也上升了40%左右,至2004年,全球各国表观钢材消费量几乎都成两位数增长,世界球团消耗也步入高速发展通道,高炉球团用量自2004年的2.5亿吨增至2011年的3.88亿吨,达到世界高炉球团用量最高值。然而进入2011年后,由于发达国家钢材需求增长开始乏力而发展中国家钢材需求出现较稳步的增长,使得球团使用量能维持在较高的位置上,至2015年,世界球团用量降至五年来最低为3.41亿吨。

中国,尤其是在2008年,受政府4万亿投资的刺激,国内钢材表观消费量于2013年达到峰值7.6亿吨,于2014年粗钢产量达到历史峰值,但进入2015年后,中国粗钢产量及表观消费量双双下降,凸显了钢铁行业低迷,与此同时,中国的球团消耗也降至五年来最低值。



中国球团市场情况

中国当前球团产能利用率比较低,未来国内球团矿复产概率较大


中国球团产能约3.1亿吨,球团产量在1.25亿吨左右,产能利用率不到50%。而这些多与我国高炉长期保持较高的烧结矿配比有关,据悉,我国高炉烧结矿平均配比高达80%。但是随着国家环保政策严格执行,未来钢厂大规模的兼并重组使大批量的、低燃耗、高铁水出产的球团矿需求逐步增加。

中国球团需求不减


中国全年球团需求量约1.5亿吨左右,其中80%由国内供应,其余进口。从今年的进口数据来看,中国市场的球团矿供应称缩减趋势。进口球团矿大幅缩减,与此同时,国内球团产能也没有明显恢复。但是,钢厂今年利润普遍好于去年,对球团矿的需求也好于去年,短期的供需错配使得球团矿价大幅增长。

今年球团矿进口量将大幅减少,部分缺口将由高品块矿替代


2016年1-8月,中国球团矿总进口量982万吨,较去年同期降660万吨,同比降幅40%,出现这种现象的一部分原因在于巴西Samarco矿山的停产,使得今年至中国近900万吨的球团供应量直接缩减,而同时,世界其他球团生产商并没有出现大量的增产来弥补这一空缺。

从数据来看,巴西进口降幅最大,1-8月巴西球团进口量累计174.2万吨,同比减少449万吨,降72%;乌克兰球团进口量累计266.24万吨,同比减少312.5万吨,降54%。

熟悉完世界球团的贸易状况,接下来的就是更加专业的干货:造球工艺。

世界造球工艺

目前主要的几种球团焙烧方法:竖炉焙烧球团、带式焙烧机焙烧球团、链箅机一回转窑焙烧球团。



竖炉焙烧法采用最早,但由于这种方法本身固有的缺点而发展缓慢。目前采用最多的是带式焙烧机法,60%以上的球团矿是用带式焙烧机法焙烧的。链箅机一回转窑法出现较晚,但由于它具有一系列的优点,所以发展较快,今后很可能成为主要的球团矿焙烧法。竖炉造球在中国更普遍,只不过最近两年淘汰量很多,使得链篦机-回转窑使用比例逐步上升。

我国造球工艺的变化趋势


中国球团设备大部分建于2000年后,其中40%的球团设备年产球团小于100万吨,未来在规模化钢厂形成后,小竖炉将越来越难以满足钢厂大批量的需求,因此可大批量生产球团的回转窑造球工艺将逐步增加。

球团与钢铁冶炼流程


中国竖炉造球和链篦机-回转窑造球的对比

链篦机-回转窑

链篦机回转窑工艺是中国氧化球团主导的工艺,具有大型、连续、高温、封闭等特点,生产自动化水平仍然较低。链篦机回转窑法球团生产分为四个工艺段:配料、造球、焙烧和冷却。其中链篦机-回转窑系统属于焙烧和冷却工艺段,该系统热工制度的控制和调节是整个球团生产过程最重要的环节之一。



特点

可使用的燃料种类较多。链篦机-回转窑工艺可以使用的燃料有天然气、高热值煤气、重油及煤,国内部分钢铁企业使用高炉煤气、焦炉煤气的混合煤气,以保证焙烧时有足够的供热强度和氧化气氛,保证球团矿质量的稳定。

设备大型化。目前,我国自行设计、制作和安装的链篦机-回转窑球团厂,最大规模为240万t/a。从我国实际情况出发,立足国内,把链篦机-回转窑球团厂规模扩大到400万t/a已经不存在技术障碍。从国内目前的机械加工及制造能力分析,400万t/a球团厂的设备制造供货,除强力混合机及回转窑主传动液压马达需从国外引进外,其余主要工艺设备如圆盘造球机、链篦机、回转窑、鼓风环冷机均可国内制造供货。

对原料的适应能力强。赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿等均可作业其生产用精矿粉。

生产出的成品矿质量均匀,冶金性能好。


竖炉焙烧球团法

竖炉焙烧球团是在专用竖炉中进行焙烧的一种铁矿石球团法。在竖炉中、上部两侧的燃烧室,将气体燃料(或液体燃料)燃烧后的高温废气喷入炉内,与自上而下移动的生球逆向运动,加热炉料;另在竖炉下部鼓入冷风,在炉内自下而上运动,冷却炉料,从而,使布入炉口的生球在竖炉内连续下降的过程中,经过干燥预热焙烧均热冷却5个工作带,焙烧成为成品球团矿,由竖炉下部连续排出。由于竖炉内各工作带不易灵活控制,焙烧均匀性差,同时对原料要求严格,单机能力小,在工业发达国家已经淘汰。在中国,由于竖炉焙烧具有设备简单,投资少,热效率高,生产费用低和不用合金钢等优点,同时改进了炉型结构,提高了球团矿的产量和质量,因此在一些以细精矿为原料的中、小钢铁厂仍有发展。


特点

单炉规模很难大型化。目前我国生产的竖炉一般都在10-20m2,产量在40-70万t左右。如要扩大规模,其难度十分大。如要扩大其横向尺寸,上述所提到的炉内温度的分布势必更难做到合理和有效;如要增大长度方向上的尺寸,则会由于长度和温度(排料温度一般在400℃左右)方面的原因,将对排料辊的设计和制造带来更大的难度。

只能使用气体燃料。从目前工业生产实践的情况看,竖炉使用气体燃料时,焙烧效果要好些。虽也有烧油的实践,但成品球团矿的质量要更差些,而且产量也低,其效果不佳。

对原料的适应性差。从理论上和实践都可看出,竖炉焙烧只有在用磁铁矿作原料时才能成功。若采用赤铁矿或其他矿种作原料,往往在其升温过程中,球团的强度很难提高,几乎要到1200℃以上,球团的固结强度才能较迅速地上升,在此温度以前,球团在炉内由于强度低和往下运动时的摩擦和料柱的压力,会产生过量的粉末,在较高温度下极易产生粘结现象。

去杠杆、去库存、去产能是近几年世界钢铁行业都要去解决的问题,这一系列问题的解决旨在让钢铁行业重新走上盈利的、环保的、多元化的健康的发展道路上。未来凡高污染、高耗能、低产出的原料、燃料都势必逐步被低能耗、高产出的原燃料取代。

球团矿,作为一种相对较好的原料,在未来世界市场上都将会有很大的使用空间,对于专注于黑色领域的从业者,是时候花更多的时间去研究下球团了。

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