高強度生物質(zhì)含碳球團制備及性能優(yōu)化
趙滿祥，劉嘉雯，賈國利，王廣偉，余曉波
01摘要
煉鐵原料劣化趨勢難以改變，含碳球團為低碳冶煉提供了可能。將生物質(zhì)作為清潔可再生零碳排放碳源、用于制備含碳球團還原劑成為鋼鐵企業(yè)節(jié)能降碳生產(chǎn)的發(fā)展趨勢之一。目前限制含碳球團應(yīng)用的關(guān)鍵因素是其高溫強度較差，研究如何提高含碳球團高溫強度具有重要意義。為此，采用大石河粉為含鐵原料、生物質(zhì)熱解炭為還原劑，探究成型壓力、水分添加量、焙燒制度及黏結(jié)劑種類對含碳球團的影響。結(jié)果表明，含碳球團強度隨著成型壓力和水分添加量增加均先升高后降低，以16MPa成型壓力和8%水分添加量為宜。隨著還原溫度升高，生物質(zhì)含碳球團強度先降低后升高，由于在900~1 000℃溫度區(qū)間發(fā)生晶格畸變，導(dǎo)致體積膨脹，強度最差；后期隨著溫度升高，金屬鐵逐漸匯聚成片，強度和金屬化率均逐漸升高，1200℃下金屬化率可達84.84%。使用膨潤土、水玻璃作為黏結(jié)劑時，常溫強度較差，通過提高兩者添加量可在一定程度上提升高溫強度，但水玻璃含堿金屬鈉，不利于高爐順行；使用標(biāo)準水泥作為黏結(jié)劑時，常溫和高溫強度均較差，且生產(chǎn)效率較低；使用有機黏結(jié)劑CMC常溫強度較高，但其在高溫下易分解，球團高溫強度較差；使用復(fù)合黏結(jié)劑可以同時獲得常溫和高溫強度，可通過調(diào)節(jié)配加量滿足不同爐窯對爐料的要求。
02關(guān)鍵詞
生物質(zhì)；雙碳；高強度含碳球團；黏結(jié)劑；高溫強度
03引言
隨著鋼鐵工業(yè)的不斷發(fā)展，煉鐵原料種類日趨豐富，含碳球團作為一種新型煉鐵原料為金屬化原料生產(chǎn)、含鐵廢棄物與復(fù)雜難選礦處理新工藝開發(fā)提供了多種可能。含碳球團是指由含鐵原料配加煤粉或焦粉等含碳原料作為還原劑，再加上適量的黏結(jié)劑充分混勻后經(jīng)造球或壓球工藝制成球團或塊狀。國內(nèi)外研究者圍繞煤、焦等傳統(tǒng)還原劑進行了大量的研究。面對日益嚴峻的資源和環(huán)境壓力，作為一種清潔、可再生、儲量大的資源，生物質(zhì)也得到了一定程度的研究和應(yīng)用。生物質(zhì)炭應(yīng)用于含碳球團的制備，既能夠緩解焦炭資源緊缺的壓力，又能減少二氧化碳的排放。目前，冶金工作者對含碳球團進行的研究主要集中在含碳球團的還原機理、還原速率以及還原反應(yīng)動力學(xué)等方面，關(guān)于提高含碳球團高溫強度的研究較少。含碳球團高溫強度差成為限制其發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此如何提高含碳球團在焙燒過程中的強度具有重要研究意義。含碳球團的制備是冶金工藝的重要組成部分，其不僅能夠改善物料的冶金物理化學(xué)性質(zhì)，還是實現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物資源化利用與循環(huán)經(jīng)濟的重要途徑。制備生物質(zhì)含碳球團不僅可以改善其燃燒或反應(yīng)性能，而且可以降低污染物的形成與排放。目前限制含碳球團應(yīng)用的關(guān)鍵因素是其高溫強度，因此高強度含碳球團制備技術(shù)是實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保與利用廢棄資源的重要途徑。本研究探究了成型壓力、水分添加量、焙燒制度及黏結(jié)劑種類對含碳球團強度的影響。
04精選圖表
05結(jié)論
1)含碳球團強度隨成型壓力升高呈先升高后降低的趨勢，16 MPa為適宜的成型壓力。水分的添加量與含碳球團強度的變化關(guān)系與成型壓力一致，水分過高會導(dǎo)致含碳球團難以脫模而使強度變差，因此選擇8%的水分添加量為宜。
2)隨著還原溫度的升高，生物質(zhì)含碳球團強度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。900~1 000 ℃是強度最弱的溫度區(qū)間，這是由于發(fā)生晶格畸變導(dǎo)致體積膨脹；后期隨著溫度逐漸升高，鐵氧化物逐漸還原為金屬鐵并匯聚成片，體積逐漸收縮，含碳球團強度也逐漸升高。金屬化率用來表示含碳球團還原程度，其隨著還原溫度和時間的增加均逐漸升高，1 200 ℃焙燒后金屬化率可達到84.84%。
3)在探究黏結(jié)劑對含碳球團強度影響時選擇了5種黏結(jié)劑，整體來看單一種類黏結(jié)劑難以同時滿足常溫強度和高溫強度要求。①膨潤土為鋼鐵企業(yè)最常用的黏結(jié)劑，但單獨使用膨潤土?xí)r球團常溫強度較差，在強度最弱溫度區(qū)間900 ℃時，落下強度為2次，通過提高膨潤土添加量可在一定程度上提高高溫強度，但難以保證常溫強度。②以水玻璃為黏結(jié)劑時，球團常溫強度也很差，高溫強度略低于使用膨潤土?xí)r的球團，且水玻璃中含堿金屬Na，對高爐穩(wěn)定順行不利。③使用標(biāo)準水泥為黏結(jié)劑時，需要對含碳球團進行養(yǎng)護以提升其強度，時間成本較高，生產(chǎn)效率較低，且使用水泥時含碳球團常溫和高溫強度均較差。④使用有機黏結(jié)劑CMC時，生球和干球強度較高，僅次于復(fù)合黏結(jié)劑，但有機黏結(jié)劑高溫易分解，因此高溫強度較差。⑤使用復(fù)合黏結(jié)劑時，生球和干球落下強度分別為5次和18次，可以滿足含碳球團在轉(zhuǎn)運、干燥和裝料過程中的強度要求。高溫焙燒后，在強度最弱溫度區(qū)間900 ℃落下強度為6次，對于轉(zhuǎn)底爐等爐料在加熱過程中近似保持靜止?fàn)顟B(tài)的高溫焙燒設(shè)備來說，已經(jīng)可以滿足爐窯對爐料強度的要求；若使用的高溫焙燒設(shè)備如回轉(zhuǎn)窯等需要爐料隨爐窯翻滾前進，則可通過提高復(fù)合黏結(jié)劑添加量來調(diào)節(jié)入爐爐料強度。
