1. 簡介
高爐 (BF) 在煉鋼過程中發(fā)揮著重要作用。 2020年，高爐-堿性氧氣爐（BF-BOF）工藝路線占世界粗鋼產(chǎn)量的73.2%。除了鋼鐵之外，工藝鏈中還會產(chǎn)生各種副產(chǎn)品。 在BF-BOF 工藝中，每生產(chǎn)一噸鐵水，會產(chǎn)生約 400 公斤副產(chǎn)品，包括各種爐渣、粉塵、污泥等。 這是電弧爐 (EAF) 工藝的兩倍，而電弧爐是一種替代煉鋼工藝。很大一部分殘渣在廠內(nèi)通過燒結(jié)、冷壓或作為直接還原鐵（DRI）進(jìn)一步回收利用。例如，鋼鐵爐渣可用作粘合劑，替代水泥，由于其特性，還可用于水泥工業(yè)和道路建設(shè)。此外，包括電爐粉塵、高碳高爐粉塵和高爐污泥在內(nèi)的許多副產(chǎn)品鐵含量高，回收是非常有必要的，還能大幅減少產(chǎn)品的填埋量，節(jié)省自然資源。

回收鋼鐵副產(chǎn)品的主要問題之一是其粒度較小。 礦層的滲透性由細(xì)粉（5毫米以下）的量決定。 滲透率的降低可能會導(dǎo)致操作問題并影響高爐工藝的生產(chǎn)率。 待回收的材料，例如高爐污泥，也可能是潮濕的，這使得細(xì)粉的檢測更加復(fù)雜。因此，需要合適的團(tuán)結(jié)技術(shù)。另一個與回收相關(guān)的問題是副產(chǎn)品的化學(xué)成分。 除了能夠自還原的有價值的元素（即氧化鐵和焦炭形式的碳）之外，副產(chǎn)品通常還含有不需要或有害的元素。例如，高爐污泥可能含有大量的鋅和堿性化合物。 鋅的蒸發(fā)和凝結(jié)行為會阻礙高爐運行，而堿會損害焦炭的熱強度并削弱耐火爐襯，從而縮短運行時間。 因此，必須考慮產(chǎn)品的有害成分，如有必要，在回收前進(jìn)行處理。

冷粘結(jié)壓塊是一種眾所周知的團(tuán)聚方法，將粘合劑（通常是膨潤土）添加到要回收的細(xì)粒材料的混合物中。 存在三種基本的壓塊技術(shù)：振動壓制、輥壓和剛性擠壓。 振動壓制或沖模壓制是最古老的高壓壓塊技術(shù)，應(yīng)用于各個行業(yè)。 除煉鋼外，它還用于陶瓷、粉末金屬和一般化學(xué)工業(yè)。本研究中，使用該技術(shù)生產(chǎn)的球團(tuán)作為參考樣品。 另一種高壓造粒技術(shù)，輥壓，也用于壓塊。第三種技術(shù)，即擠壓技術(shù)，由 J.C. Steele & Sons 公司于 1993 年首次在美國賓夕法尼亞州伯利恒鋼鐵公司的冶金廠進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用。

由于應(yīng)用高爐工藝的條件極端，對原材料就有許多限制，包括足夠的還原性、高冷強度、低還原崩解指數(shù)（RDI）、化學(xué)成分的輕微變化以及合適的粒度。 這些都與本研究中考慮的三大冶金特性有關(guān)：還原性、膨脹和開裂。 在溫度介于 1000 至 1350 °C 之間的粘性區(qū)域的軟化和熔化已被研究過，特別特別是鐵礦石球團(tuán)，但本研究中沒有考慮，因為需要的模擬溫度太高。還原性是指材料增加還原反應(yīng)程度的能力，同時也表示直接還原率和高爐下部區(qū)域的熱消耗。 對膨脹，尤其是球團(tuán)的膨脹，進(jìn)行了廣泛研究，發(fā)現(xiàn)膨脹主要取決于材料的堿性和煤矸石含量。膨脹可能是正常的，由于材料的孔隙率增加，這對還原過程有利；也可能是不正常的，由于材料的機(jī)械性能下降，這可能導(dǎo)致運行問題。 開裂通常與還原和膨脹行為相關(guān)，在還原度較高時出現(xiàn)。

與燒結(jié)礦、塊礦和球團(tuán)礦等各種鐵料可以通過尺寸、冷強度和還原性來表征不同，ISO 標(biāo)準(zhǔn)中并未提及煤球的質(zhì)量要求。 ISO 4695 和 ISO 7215 中描述的還原性實驗在整個測試試驗在整個試驗過程中使用恒溫（900 °C ± 10 °C或 950 °C ± 10 °C）。由于高爐工藝復(fù)雜的還原和熔化條件，鐵礦球團(tuán)在實驗室中的表現(xiàn)與在堿性爐中的表現(xiàn)不同，因此設(shè)計了非 ISO 標(biāo)準(zhǔn)化測試來模擬實際的高爐條件。

在這項研究中，使用實驗室規(guī)模的熔爐評估了由高爐污泥和氧化皮制成的螺旋壓制團(tuán)塊的高溫性能，與上述擠壓壓塊類似?？紤]到在模擬 BF 條件下還原過程中的外部變化，確定壓塊是否具有自還原質(zhì)量以及還原速度有多快尤為重要。目的是獲得有關(guān)壓塊是否適合用于 BF 的信息，以評估這種壓塊工藝在滿足煉鋼回收需求方面的潛力。

2. 材料和方法
2.1. 螺旋壓塊
本研究中的壓塊是利用 AMCOM GROUP LLC 開發(fā)的真空螺旋壓制技術(shù)生產(chǎn)的冷粘結(jié)團(tuán)塊。該技術(shù)允許使用從煉鋼廠和其他行業(yè)獲得的天然技術(shù)材料。該工藝由包括箱式給料機(jī)、帶粘合劑給料機(jī)的雙軸攪拌機(jī)和帶水定量的攪拌壓制機(jī)等。 真空螺旋壓制設(shè)備是該生產(chǎn)線的主要多部件單元。 它配有定量給水裝置，生產(chǎn)的煤球經(jīng)過三天的陳化以達(dá)到最佳強度。 圖 1 所示的設(shè)備由三個功能組成：

 

 

圖1. 真空螺旋壓制裝置的技術(shù)方案

     1. 混合室，包括雙軸攪拌機(jī)和預(yù)壓實功能；
     2. 真空室；
     3. 螺旋壓力機(jī)室。

螺旋壓制室由三個直徑逐漸減小的區(qū)域組成：混合區(qū)、預(yù)壓縮區(qū)和壓縮區(qū)。旋轉(zhuǎn)的螺旋鉆迫使?jié){料通過模具中的孔，從而使壓塊變成圓柱形。在重力的作用下，壓塊斷裂成最終長度。 據(jù)研究，生產(chǎn)率為 3 至 90 噸/小時。

客戶材料和粘合劑選擇的實驗室測試在位于歐洲的 AMCOM GROUP LLC 實驗室進(jìn)行。 生產(chǎn)在有原材料的地方進(jìn)行。硅鐵、鉻鐵、氧化鐵皮、高爐粉塵、電弧爐煤氣凈化粉塵等多種鋼鐵產(chǎn)品已得到利用。 壓塊中使用的粘合劑都是無機(jī)和有機(jī)粘合劑的混合物，不含有害雜質(zhì)。 自2019年以來，獨聯(lián)體國家已建成3條工業(yè)壓塊生產(chǎn)線。 以高爐污泥、電爐粉塵、氧化皮為原料，添加1%~2%的礦物有機(jī)粘結(jié)劑。 2022 年，在烏克蘭馬里烏波爾容量為 2002 立方米的工業(yè)高爐成功進(jìn)行了試驗，使用氧化皮制成的螺旋壓球作為爐料，沒有發(fā)現(xiàn)任何有害影響。

本研究中使用的壓塊以鋼鐵副產(chǎn)品為原料。 AMCOM GROUP LLC 實驗室按照表 1 所示的煤球配方生產(chǎn)了 30 公斤壓塊。從表 1 的計算成分可以看出，壓塊的主要成分為高爐污泥（40%）、氧化皮（55 %）、熟石灰（3%）和粘合劑（2%）。據(jù)研究，加水之前的水分含量為1.27%。

表 1. 螺旋壓塊配方中的主要成分、含量和元素分析

成分	元素 (%)									重量 (g)	含量 (%)
	Fetot	P	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Zn	H2O	C
BF 污泥 (0–3 mm)	44.4	0.17	5.12	3.12	3.9	2.2	0.43		23.0	12,000	40
氧化皮 (0–3 mm)	70.0									16,500	55
熟石灰 (0–3 mm)				80.0				20.0		900	3
粘結(jié)劑 AMCOM VA3500									33.3	600	2
計算總含量	56.3	0.07	2.05	3.65	1.56	0.88	0.17	0.60	9.87	30,000	100
加水								100.0		4500

2.2. 鐵礦石球團(tuán)
球團(tuán)礦為直徑10毫米左右的球形顆粒，是一般的鐵爐料。 它們專門針對極端條件下的冷強度、膨脹、軟化和熔化特性而設(shè)計。球團(tuán)通常富含鐵并增加爐料的總鐵含量。堿性和煤矸石含量因球團(tuán)類型而異。三種主要球團(tuán)類型是酸性球團(tuán)（CaO/SiO2 比率 < 0.5）、以石灰石（CaCO3）或白云石（Ca,Mg(CO3)2）為添加劑的堿性或熔劑球團(tuán)礦（CaO/SiO2 比率在 0.9 至 1.3 之間），以及以橄欖石（Mg2SiO4）作為助熔添加劑的橄欖石球團(tuán)礦。橄欖石球團(tuán)含有氧化鎂 (MgO)，而不是氧化鈣 (CaO)。

本研究使用商業(yè)橄欖石球團(tuán)作為參考樣品。 10-12.7 毫米大小的球團(tuán)的平均重量為 3.4 克。 參考球團(tuán)的化學(xué)分析結(jié)果如表 2 所示。經(jīng)計算，球團(tuán)的 B2 堿度（CaO/SiO2 比率）為 0.23。

表 2. 參考球團(tuán)的化學(xué)分析 (重量-%)

Fetot	FeO	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	TiO2	V2O5
66.7	0.6	1.85	0.43	1.3	0.32	0.35	0.26

2.3. 工業(yè)高爐煤球
為了比較螺旋壓球機(jī)壓塊與其他副產(chǎn)品壓塊的高溫特性，實驗中使用了芬蘭 Raahe 的 SSAB 鋼廠生產(chǎn)的工業(yè)高爐壓塊。壓塊被用作高爐的爐料之一。這種壓塊與螺旋壓制壓塊在造粒方法、形狀、尺寸、化學(xué)成分等方面有所不同。 該壓塊采用沖模（振動壓制）造粒法制成，重約400克，端部呈六角形，主要由氧化皮、球團(tuán)礦篩分、廢鋼、高爐粉塵、焦炭粉塵和水泥組成。 根據(jù)季節(jié)的不同，水泥由 30-50% 的磨細(xì)高爐礦渣（GGBFS）代替。團(tuán)塊的化學(xué)成分如表 3 所示。

表 3. 參考團(tuán)塊的化學(xué)分析 (重量-%)

C	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	S	K2O	CaO	Fe	堿性
8.28	0.32	2.1	2.4	8.1	0.41	0.21	11.1	48.4	1.37

 
2.4. 強度測試
冶金測試從不同冶金性能的角度來表征鐵料。 這些包括冷強度、RDI、還原性、軟化性和熔融性能。 這些測試通常是 ISO 標(biāo)準(zhǔn)化的，通常用于表征燒結(jié)礦和球團(tuán)礦，不適用于壓塊。本項研究沒有使用根據(jù) ISO 4695 和 ISO 7215 進(jìn)行的基于恒溫的還原性測試，因為目的是模擬實際的高爐條件。

盡管壓塊不同于其他鐵料，但 Mousa 等人的研究也對壓塊進(jìn)行了機(jī)械強度測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于壓塊的尺寸較大，其情況不同于球團(tuán)。不過，這些測試提供了有關(guān)球團(tuán)冷強度的有用信息。圖 2 所示的三種不同的冷強度測試是針對本研究中的煤球進(jìn)行的：機(jī)械壓碎強度測試、跌落強度測試和磨損強度測試。

 

 

圖 2. 所用強度測試方法示意圖： (a) 抗碎強度測試中的加載方案； (b) 跌落強度測試設(shè)備，包括 (1) 厚板、(2) 管子或套環(huán)、(3) 垂直管，以及 (c) 滾筒測試滾筒，配有 (1) 轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)器、(2) 帶把手的門 ，(3) 短軸，(4) 升降器，(5) 旋轉(zhuǎn)方向，(6) 板。

在陳化 72 小時后，沿加載軸碾壓壓塊，測試壓塊的機(jī)械破碎強度。機(jī)械跌落強度測試是通過 3 次跌落（跌落高度為 2 米）進(jìn)行的。磨損強度測試是在旋轉(zhuǎn)滾筒中進(jìn)行總共200轉(zhuǎn)的滾筒測試。

2.5. 樣品制備
為進(jìn)行研究，總共制備了五塊螺旋壓塊，為了避免吸收空氣中的水分，將其放在 105 °C 的恒溫柜中過夜。通過稱量處理前后的樣品來計算含水量。含水量約為 1%。五個樣品中有四個用于還原實驗，一個保留為原始樣品。

鐵礦球團(tuán)礦采用10、12.5mm篩子進(jìn)行篩分，從篩分出的球團(tuán)中選出35個圓形樣品。 參考壓塊很大，但仍然適合測試設(shè)備，無需切成小塊。實驗前，參考球團(tuán)和參考壓塊都在溫度柜中進(jìn)行了處理，處理方式與螺旋壓塊相同，并進(jìn)行了稱重。圖 3 顯示了放置在樣品籃中的螺旋壓塊、參考球團(tuán)和參考壓塊。

 

圖 3. 樣品籃中的樣品：(a) 螺旋壓塊； (b) 鐵礦石球團(tuán)； (c) 參考壓塊

2.6. 高爐模擬
圖 4 所示的高爐模擬器（BFS）是 Iljana 等人在研究鐵礦石球團(tuán)的還原和膨脹時首次引入的管式爐。 還原管由耐熱鋼制成，直徑為 95 毫米。 BF 工藝可模擬高達(dá) 1100 °C 的溫度，可通過預(yù)先確定的計算機(jī)控制的還原程序分配 N2、CO、CO2、H2、H2O、S2 和 K 氣體，從而創(chuàng)建復(fù)雜的的隨時間和溫度變化的氣氛曲線。還原測試期間的變化可以通過帶有鏡子和光源的視頻攝像系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

 

圖 4. 高爐模擬器（BFS）的運行方案

 

動態(tài)還原實驗在含有 N2、CO 和 CO2 氣體的氣氛中進(jìn)行。 在開始還原實驗之前，使用加熱至 800 °C 的單獨硫發(fā)生器來預(yù)熱氣體。 創(chuàng)建了 280 分鐘的還原程序（實驗 A），在 1100 °C 下有 40 分鐘的等溫期，如圖 5 所示。此外，還對三個較短的程序（實驗 B–D）進(jìn)行了修改，以模擬 BF 過程中的不同還原階段。整個實驗 A-D 中的設(shè)定氣體成分如圖 5 所示，實驗 A 是時間的函數(shù)。實驗期間基于氣體成分的還原條件以 Fe-O-CO-CO2 相圖的形式呈現(xiàn)，通常稱為 Bauer-Glaessner 圖，如圖 6 所示。實驗 E 使用了實驗 B 的程序，而實驗 F 使用了實驗 A 的程序。也就是說，參考球團(tuán)使用了 40 分鐘等溫線，而參考球團(tuán)未使用。這樣做是為了比較球團(tuán)的還原行為。

 

圖 5. 在使用 40 分鐘等溫線的不間斷還原實驗（實驗 A）中，N2、CO 和 CO2 氣體的程序濃度。短時間運行（實驗 B-D）的加熱終點以虛線表示。

 

圖 6. Bauer-Glaessner 圖顯示了氧化鐵、溫度和氣體成分之間的平衡。 粗線代表實驗 A-D 期間的還原條件。

測量團(tuán)塊的尺寸，并分別在有和沒有樣品籃的情況下對團(tuán)塊進(jìn)行稱重。 煤塊與連接至 BFS 計算機(jī)系統(tǒng)的熱電偶接觸。 將樣品籃放置在還原管內(nèi)，并掛在一個與熱重分析儀（TGA）相連的鉤子上，以便在實驗過程中連續(xù)測量煤球樣品的重量。通過使用計算機(jī)程序中的刻度工具來檢測樣品籃是否可能傾斜于縮徑管壁，從而提高了測量精度。 一旦樣品籃處于合適的位置，就蓋住蓋子的開口，并將蓋子連接到管子上。

打開加熱功能，開始還原實驗。在實驗過程中用相機(jī)觀察煤球，最初每隔 100 °C 拍攝一次圖像，溫度超過 700 °C 后，每隔 50 °C 拍攝一次圖像。每次還原實驗結(jié)束后，利用管蓋上的接口用 N2 氣體冷卻樣品 20 分鐘。

2.7. 還原和膨脹計算
無碳鐵礦球團(tuán)的還原度（RD）是根據(jù) ISO 7215 標(biāo)準(zhǔn)計算得出的，但由于煤氣化造成的誤差，煤球沒有使用該計算方法。RD 的計算公式如下：

其中 Rfinal 是以質(zhì)量百分比表示的最終還原度； m0——是還原前試件的質(zhì)量； Δm為還原后試件的質(zhì)量損失； w1 是測試前試件的氧化鐵 (II) 含量 (重量.-%)，根據(jù) ISO 9035 測定，由氧化鐵 (II) 含量乘以氧化物換算系數(shù) FeO/Fe (II) = 1.286 計算得出；w2 是測試前試件的總鐵含量。

根據(jù)實驗前后外部尺寸的測量值計算體積的變化，可以觀察到壓塊的膨脹行為。沒有研究球團(tuán)的膨脹情況。膨脹指數(shù)（%）的計算方法如下：

其中 ΔVbriq。 為膨脹率，以體積百分比表示，A0 是還原前圓柱形團(tuán)塊樣品端部的表面積，A1 為還原后圓柱形壓塊樣品端部的表面積；h0 為還原前壓塊的高度；h1 為還原后壓塊的高度。

2.8. 礦物學(xué)表征
使用光學(xué)顯微鏡（LOM）和發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）來研究還原實驗期間團(tuán)塊樣品中發(fā)生的相變。 此外，還使用了能量色散X射線光譜（EDS）元素分析儀。 所有五個樣品（其中四個在 BFS 中進(jìn)行了測試，一個是未加工的）都被干切成小塊，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行處理，并進(jìn)行拋光，以獲得合適的拋光切片。樣品上涂有鉑金，用于 FESEM，以檢測可能受碳涂層影響的實際碳含量。