4.討論
4.1. 質(zhì)量損失和還原
結(jié)果表明，在還原實(shí)驗(yàn)過程中，螺旋壓塊樣品發(fā)生了強(qiáng)烈的自還原反應(yīng)。 螺旋壓塊含碳量最高，為 9.87 wt.-%，重量損失發(fā)生的速度比參考樣品快得多。參考樣品的碳含量為 8.28 wt.-%，球團(tuán)不含碳。圖 9 所示的重量損失曲線重疊，可看出實(shí)驗(yàn)的復(fù)現(xiàn)性良好。在 900 至 1050 °C 溫度之間的急劇失重階段之后，曲線迅速平緩下來。根據(jù)文獻(xiàn)記載，煤氣化或布杜爾反應(yīng)（已被發(fā)現(xiàn)可控制還原率）發(fā)生在溫度高于 800 ° C 時，并產(chǎn)生 CO，從而提高壓塊的還原率。布杜爾反應(yīng)見公式 (6)。

在Liu等人的一項(xiàng)研究中，研究了用煤直接還原鐵礦石，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁鐵礦還原為方鐵礦時，還原率在 740 至 800 °C 之間較低，在 800 至 870 °C 之間較高。在螺旋壓塊的實(shí)驗(yàn)中，最顯著的還原似乎是在溫度高于 900 °C 時開始的。在研究期間，重量損失幾乎完全停止，這表明樣品已完全反應(yīng)。充分的還原性是優(yōu)質(zhì)高爐爐料的特性之一。

然而，如上所述，由于壓塊樣品中含有以焦炭形式存在的碳，因此無法對壓塊樣品進(jìn)行還原性計(jì)算。煤氣化在實(shí)驗(yàn)過程中造成了部分重量損失，實(shí)驗(yàn)后樣品中仍然有碳?xì)埩?。顯微圖像證實(shí)了這一點(diǎn)。圖 12 中的光學(xué)顯微鏡圖像顯示了實(shí)驗(yàn) A-C 期間焦炭和鐵的區(qū)域如何隨著還原而變化。在原始樣品中，鐵礦石以金屬鐵滴的形式存在，同時也有不同程度還原的區(qū)域。在高溫下，大部分煤炭氣化，金屬鐵則以明顯的白點(diǎn)形式存在。實(shí)驗(yàn) D 中使用的壓塊樣品（即還原為磁鐵礦的樣品）獲取的圖像與從原始樣品獲取的圖像沒有太大區(qū)別，因此此處不顯示。

圖 12. (a) 未加工的螺旋壓塊樣品、(b) 實(shí)驗(yàn) C 后螺旋壓塊樣品、(c) 實(shí)驗(yàn) B 后螺旋壓塊樣品和 (d) 實(shí)驗(yàn)A后螺旋壓塊樣品的光學(xué)顯微鏡 (LOM) 圖像（Fe0 = 金屬鐵，F(xiàn)e3+ = 三價鐵，F(xiàn)e2+ = 二價鐵，Si = 硅酸鹽相，P = 孔隙，C = 焦炭，E = 環(huán)氧樹脂）。

再次觀察圖 9 中的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度低于 400 °C 時，除實(shí)驗(yàn)開始時的球團(tuán)外，所有樣品都發(fā)生了重量損失。還原之前發(fā)生的重量損失可能部分是碳酸化反應(yīng)的結(jié)果，這可能是由于使用了熟石灰或硅酸鈣石造成的。在反應(yīng)過程中，氫鈣石 (Ca(OH)2) 和二氧化碳形成方解石 (CaCO3) 和水。根據(jù)文獻(xiàn)記載，硅鈣石大約在 450 至 550 °C 之間分解，方解石大約在 700 至 900 °C 之間分解。水化產(chǎn)物的結(jié)晶水在 100 至 1000 °C 之間逐漸消失，但團(tuán)塊中硅酸鈣石的比例很小，因此這種情況下的反應(yīng)不能解釋重量損失。在 Kemppainen 等人的一項(xiàng)研究中，X射線衍射（XRD）分析表明，在溫度低于 480 °C 時，硅酸鈣石從樣品中消失，碳酸鈣增加。計(jì)算得出的硅酸鈣石總分解可導(dǎo)致樣品相對重量損失約0.3%。碳化反應(yīng)如式(7)所示。

這里未研究的揮發(fā)物可能是重量損失的原因之一。

4.2. 相變
使用 FESEM 和能量色散 X 射線光譜（EDS）元素分析儀對 LOM 的相觀察進(jìn)行了評估。圖 13 所示的原始樣品以及在不間斷和間斷實(shí)驗(yàn)中處理過的樣品的物相評估結(jié)果表明，還原反應(yīng)的發(fā)生符合預(yù)期。

圖 13. 使用掃描電子顯微鏡（FESEM）圖像和能量色散 X 射線光譜 (EDS) 元素分析儀評估 (a) 原始壓塊樣品、(b) 實(shí)驗(yàn) D 后的壓塊樣品、(c) 實(shí)驗(yàn) C 后的壓塊樣品，以及 (d) 實(shí)驗(yàn) A 后的壓塊樣品。

原始樣品在所有還原階段都含有鐵，在原始樣品的顯微圖像中可以看到金屬鐵、方鐵礦和磁鐵礦。實(shí)驗(yàn) A 和 B 的樣品之間的差異非常小，可能僅與煤的量有關(guān)。值得注意的是，碳是一種很輕的元素，EDS 可能無法準(zhǔn)確識別其含量。根據(jù)分析，碳仍然存在于鍍鉑的樣品中。原始樣品以及實(shí)驗(yàn) C 和 D 樣品的 FESEM 圖像中清晰可見的焦炭區(qū)域在經(jīng)過從方鐵礦還原為金屬鐵的步驟后消失了。實(shí)驗(yàn) A 的樣品圖像顯示了金屬鐵和硅酸鈣相，即鐵 (Fe)、方鎂石 (MgO)、石灰 (CaO) 和鈣鎂石 (Ca2SiO4)。 實(shí)驗(yàn)C的樣品中仍然可檢測到的碳酸鈣已在840℃的熱分解過程中消失，釋放出二氧化碳?xì)怏w和氧化鈣，見公式（8）。

4.3. 膨脹和開裂
螺旋壓塊的膨脹非常輕微。在不間斷實(shí)驗(yàn)中，樣品體積的變化分別為 5.8% 和 10.7%，而在間斷實(shí)驗(yàn)中幾乎沒有變化。由于膨脹量很小，無法完全估計(jì)其發(fā)生時間。不過，膨脹率為 23.7% 的參考團(tuán)塊在從方鐵礦還原為鐵的過程中，僅在 1000 °C 左右的溫度下才開始出現(xiàn)明顯膨脹。

據(jù)文獻(xiàn)記載，在極端情況下災(zāi)難性膨脹可能會導(dǎo)致體積增加300%以上。如果在還原過程的這一階段形成了通常被稱為鐵須的纖維狀形態(tài)（球團(tuán)的特征），就有可能出現(xiàn)這種情況。然而，當(dāng)包含單個球團(tuán)細(xì)顆粒的還原鐵顆粒彼此分離時，水泥粘結(jié)團(tuán)塊更有可能發(fā)生膨脹。值得注意的是，沒有 1100°C 40 分鐘等溫線的團(tuán)塊似乎比有 1100°C 等溫線的團(tuán)塊膨脹得更多。部分原因可能是由于測量不準(zhǔn)確造成的，但也與 Mohanty 等人對硬質(zhì)擠壓煤球的研究一致。他們觀察到在 1000 °C 時膨脹指數(shù)為 19%，但隨著溫度的升高，膨脹指數(shù)急劇下降，在1400℃時，僅為4%。他們得出的結(jié)論是，這種現(xiàn)象是由于鐵顆粒燒結(jié)，限制了導(dǎo)致膨脹的纖維的生長。

就高爐運(yùn)行而言，壓塊如此輕微的膨脹不會造成任何影響。相反，值得注意的是，在預(yù)計(jì)會發(fā)生膨脹的溫度下，也觀察到了裂紋。在實(shí)驗(yàn) B 中，相機(jī)在溫度剛剛超過 1000 °C 時檢測到煤球上出現(xiàn)裂紋。隨著溫度升高至 1100 °C 或在等溫期間，裂紋似乎并未擴(kuò)大或增加。在還原實(shí)驗(yàn)后，該團(tuán)塊還經(jīng)受住了處理而沒有降解。另一方面，膨脹但未完全縮小的參考壓塊在實(shí)驗(yàn)過程中也未開裂。

根據(jù)冷強(qiáng)度試驗(yàn)和BFS實(shí)驗(yàn)，螺旋壓塊的結(jié)構(gòu)相當(dāng)堅(jiān)固。值得注意的是，水泥相的分解并沒有導(dǎo)致壓塊的降解。Kemppainen 等人在對沖模壓塊的研究中得出結(jié)論，Ca(OH)2 首先相變?yōu)?CaCO3，然后相變?yōu)?Ca2Fe2O5，可能會在還原發(fā)生時通過用鐵原子強(qiáng)化結(jié)構(gòu)來影響這種行為。為了更準(zhǔn)確地評估機(jī)械強(qiáng)度是否足夠高爐使用，應(yīng)通過模擬高爐鐵料在還原過程中對壓塊的影響來進(jìn)一步研究還原軟化行為。此外，還可對樣品進(jìn)行動態(tài)低溫崩解（LTD）測試。該實(shí)驗(yàn)可用于評估高爐豎井上部發(fā)生的反應(yīng)期間團(tuán)聚體生成細(xì)粉的傾向。當(dāng)樣本量至少為 500 g 時，即可進(jìn)行該測試。

4.4. 化學(xué)成分的影響
由于螺旋壓塊成分復(fù)雜，未對其進(jìn)行化學(xué)分析。計(jì)算了螺旋壓制團(tuán)塊的總成分。表6列出了所研究的壓塊和參考樣品的成分，以進(jìn)行比較。

表 6. 所用樣品的化學(xué)成分比較

從表6可以看出，螺旋壓塊的鐵含量沒有達(dá)到球團(tuán)水平，但高于參考球團(tuán)。而且，螺旋壓塊含碳量最多。參考壓塊中爐渣成分 CaO、SiO2、Al2O3 和 MgO 的量或脈石含量平均較高。在螺旋壓塊中，除了添加的熟石灰外，這些成分均來自高爐污泥。螺旋壓塊的 CaO/SiO2 比率或堿度較高。然而，參考團(tuán)塊仍然含有明顯更多的 CaO、SiO2 和 Al2O3。研究發(fā)現(xiàn)，膨脹率隨著上述四種成渣氧化物的增加而增加。根據(jù)表6所示內(nèi)容，計(jì)算得出螺旋壓塊的B2堿度（CaO/SiO2比）為1.78，與典型爐料相比相當(dāng)高。

螺旋壓塊含有鋅，而參考樣品的鋅含量微不足道。BF污泥的鋅含量可能很高，但這次僅為0.43%，因此壓塊的鋅含量為0.17%。在使用高爐之前，可能沒有必要從團(tuán)塊中除去如此少量的鋅。目前，BF 允許的鋅負(fù)載量為 150 g/tHM，更高的濃度可能不利于 BF 的使用。Lundkvist 等人使用了一種新型 OXYFINES 技術(shù)來提升含鋅堿性燃料污泥，使其能夠循環(huán)利用。他們指出，較高的溫度和較低的氧化電位可促進(jìn)鋅的蒸發(fā)。高爐污泥中的煤含量可用于提高氧化程度，進(jìn)一步提高反應(yīng)區(qū)的氧勢。等式（9）所示的元素鋅蒸氣形成受到氧勢增加的負(fù)面影響。因此，優(yōu)化氧化是有益的。

螺旋壓塊中使用的粘合劑的成分似乎是無機(jī)和有機(jī)材料的組合。有機(jī)粘合劑在高溫（>400°C）下容易分解，導(dǎo)致壓塊降解，但不會像無機(jī)粘合劑那樣對鐵礦石品位產(chǎn)生副作用。使用磨碎的高爐礦渣作為粘合劑（即無機(jī)粘合劑）的參考壓塊沒有破裂。其次，它的還原效率不如螺旋壓制煤塊。在未來的研究中，應(yīng)該研究不同的配方，以評估每種副產(chǎn)品對壓塊機(jī)械性能的影響，這也將有助于粘合劑的選擇。

5. 結(jié)論
進(jìn)行了模擬實(shí)際高爐條件的實(shí)驗(yàn)室測試，以評估基于副產(chǎn)品的螺旋壓塊對于高爐使用的適用性。在 N2-CO-CO2 氣氛中進(jìn)行不間斷和間斷實(shí)驗(yàn)，以研究還原條件下發(fā)生的相變。除了還原之外，壓塊的膨脹和開裂行為也是研究的重點(diǎn)。根據(jù)BFS實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：
    • 與參考樣品相比，采用真空螺旋壓制技術(shù)制成的高爐污泥副產(chǎn)品壓塊在 780–1100 °C 溫度下快速失重，具有很強(qiáng)的自還原效果。這種現(xiàn)象很可能是由型煤中所含的煤炭引起的。 就高爐生產(chǎn)率而言，這是一個特別好的功能。
    • 在不間斷的還原實(shí)驗(yàn)中，觀察到輕微的膨脹行為，當(dāng)方鐵礦被還原為金屬鐵時，團(tuán)塊的體積增加了 5-11%。如此小的體積增加不會對高爐運(yùn)行造成影響。
    • 在溫度高于 1000 °C 時，觀察到壓塊出現(xiàn)裂紋，但壓塊在還原實(shí)驗(yàn)后仍可處理，不會發(fā)生降解，耐久性很好，避免在制磚過程中產(chǎn)生細(xì)粉。
    • 壓塊的化學(xué)成分似乎在還原性和強(qiáng)度特性之間取得了良好的平衡，因此還可以進(jìn)一步研究新的副產(chǎn)品壓塊配方。