堿金屬鹽對(duì)赤鐵礦球團(tuán)滲碳效率的影響
吳飛豹，陳棟，蘇一璠，劉少?gòu)?qiáng)，胡鑫
(蘇州大學(xué)沙鋼鋼鐵學(xué)院， 江蘇 蘇州 215021)
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摘 要
赤鐵礦是一種制備碳化鐵的優(yōu)質(zhì)含鐵原料，但是目前存在滲碳效率低下的問(wèn)題。為了提高赤鐵礦的滲碳效率，在赤鐵礦中加入堿金屬鹽，并借助X射線衍射(XRD)、高頻紅外碳硫分析儀和掃描電子顯微鏡等揭示堿金屬鹽在赤鐵礦球團(tuán)滲碳過(guò)程中的作用機(jī)理。結(jié)果表明，堿金屬鹽(Na2CO3)能夠促使致密的赤鐵礦顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷啥嗫椎蔫F礦物顆粒，強(qiáng)化鐵礦物的晶格畸變，提高 CO在金屬鐵和碳化鐵表面的吸附和分解能力，從而改善赤鐵礦球團(tuán)還原和滲碳效率；此外，預(yù)熱處理是一種十分有效的強(qiáng)化Na2CO3添加劑作用的方法，不僅可以強(qiáng)化鐵礦物的晶格畸變，還可以增強(qiáng)Na+離子的強(qiáng)化作用，顯著提高赤鐵礦球團(tuán)的滲碳效率。當(dāng)赤鐵礦球團(tuán)添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Na2CO3并在1 000 ℃預(yù)熱15 min后，球團(tuán)的滲碳指數(shù)從 13.23升高到28.99。研究結(jié)果可為提高赤鐵礦的滲碳效率提供參考。
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關(guān) 鍵 詞
赤鐵礦；碳化鐵；滲碳；碳酸鈉；預(yù)熱處理
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引 言
隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，CO2等溫室氣體排放量屢創(chuàng)新高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年中國(guó)CO2排放總量超過(guò)119億t，約占全球總量的33%。鋼鐵行業(yè)是中國(guó)能源消耗和CO2排放的主要行業(yè)之一，碳排放量占全國(guó)總排放量的15%以上，僅次于電力行業(yè)?？梢?jiàn)，鋼鐵行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型對(duì)于中國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)具有至關(guān)重要的作用。
目前，中國(guó)鋼鐵行業(yè)中“高爐-轉(zhuǎn)爐”長(zhǎng)流程工藝結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位，生產(chǎn)每噸粗鋼的碳排放量約為1.8 t。與長(zhǎng)流程相比，電爐短流程煉鋼生產(chǎn)每噸粗鋼的碳排放量?jī)H為0.6 t，可見(jiàn)短流程煉鋼對(duì)于中國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)具有重要意義。此外，隨著中國(guó)鋼鐵工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展，電爐煉鋼將進(jìn)入快速發(fā)展期。隨著電爐鋼比例的大幅增加，直接還原鐵作為廢鋼替代品和生產(chǎn)優(yōu)特鋼不可或缺的原料將有巨大的需求。
碳化鐵(Fe3C)作為直接還原鐵的一種，具有不自燃、二次氧化不敏感、氧化鐵含量低、電爐冶煉過(guò)程中可快速形成泡沫渣及碳含量高可大幅降低電爐電耗等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)的電爐煉鋼原料。鑒于碳化鐵的優(yōu)良性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其制備方法進(jìn)行了大量研究，其中鐵礦石與滲碳?xì)怏w反應(yīng)法是制備電爐煉鋼用碳化鐵最有效的方法。Shoji H等利用H2-CH4和H2-CO等混合氣體成功制備出碳化鐵，但是由于滲碳溫度低導(dǎo)致鐵礦石的滲碳效率低下。Kouda T等發(fā)現(xiàn)提高反應(yīng)壓力可加快鐵礦石的還原、析碳和滲碳速度，隨著壓力的增加，鐵礦石的還原度、金屬化率、碳化率和游離碳含量均有所增加，但滲碳效率仍然低下。LI Guang-qiang等發(fā)現(xiàn)V2O3可以加速氧化鐵的還原和金屬鐵的碳化，有效強(qiáng)化鐵礦石的滲碳效率。然而，經(jīng)過(guò)上述方法強(qiáng)化后，鐵礦石的滲碳仍然存在著效率低下的問(wèn)題。
研究表明，在CO-CO2-H2氣氛中，鐵礦石的滲碳過(guò)程首先是鐵氧化物被還原成金屬鐵，然后是金屬鐵經(jīng)滲碳反應(yīng)生成碳化鐵。Iguchi Y等的研究發(fā)現(xiàn)金屬鐵的滲碳反應(yīng)受CO在金屬鐵表面的吸附和分解控制。李永利等的研究結(jié)果顯示堿金屬鹽可以改善鐵礦石結(jié)構(gòu)，使其變得疏松多孔，增加鐵礦石與還原氣體的接觸面積，從而加快還原反應(yīng)的進(jìn)行。Ribeiro M C等的研究表明，堿金屬鹽可以加快CO在金屬鐵表面的吸附和分解，從而促進(jìn)金屬鐵的滲碳反應(yīng)?？梢?jiàn)，如果在鐵礦石中添加堿金屬鹽，則其滲碳過(guò)程的還原反應(yīng)和滲碳反應(yīng)均有望得到強(qiáng)化。但是，目前堿金屬鹽對(duì)鐵礦石滲碳的作用機(jī)理尚不明確。為此，本文以赤鐵礦為原料，研究堿金屬鹽對(duì)赤鐵礦滲碳的作用機(jī)理，以期提高赤鐵礦的滲碳效率。
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精 選 圖 表
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結(jié) 論
1)Na2CO3是一種強(qiáng)化赤鐵礦滲碳效率的有效添加劑。Na2CO3可以促使致密的赤鐵礦顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷啥嗫椎念w粒，這增大了球團(tuán)的比表面積，強(qiáng)化了還原反應(yīng)和滲碳反應(yīng)，從而有效提高赤鐵礦球團(tuán)的滲碳效率。此外，在滲碳過(guò)程中，Na+離子可促使碳化鐵晶格發(fā)生畸變，促進(jìn)滲碳反應(yīng)的進(jìn)行。
2)預(yù)熱處理是一種強(qiáng)化Na2CO3添加劑的有效方法。一方面，預(yù)熱處理可改善Na2CO3在球團(tuán)中的分布，強(qiáng)化滲碳過(guò)程中Na+離子促進(jìn)CO在鐵礦物表面的吸附和分解作用；另一方面，預(yù)熱處理可促使鐵礦物產(chǎn)生晶格畸變，不僅加速碳原子在鐵晶格中的擴(kuò)散，而且減少游離碳的產(chǎn)生，從而提高滲碳效率。
3)預(yù)熱處理和Na2CO3添加劑可協(xié)同提高赤鐵礦球團(tuán)的滲碳效率。預(yù)熱處理可有效增強(qiáng)Na+離子的強(qiáng)化作用；當(dāng)赤鐵礦球團(tuán)添加了3%Na2CO3添加劑并經(jīng)1 000 ℃預(yù)熱15 min時(shí)，滲碳球團(tuán)的滲碳指數(shù)由13.23增大到28.99。
