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高強(qiáng)度生物質(zhì)含碳球團(tuán)制備及性能優(yōu)化

趙滿祥¹，劉嘉雯²，賈國(guó)利¹，王廣偉²，余曉波¹

(1. 北京首鋼股份有限公司遷順技術(shù)中心，北京 100041；2. 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083)

摘要

煉鐵原料劣化趨勢(shì)難以改變，含碳球團(tuán)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(tuán)還原劑成為鋼鐵企業(yè)節(jié)能降碳生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)之一。目前限制含碳球團(tuán)應(yīng)用的關(guān)鍵因素是其高溫強(qiáng)度較差，研究如何提高含碳球團(tuán)高溫強(qiáng)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(duì)含碳球團(tuán)的影響。結(jié)果表明，含碳球團(tuán)強(qiáng)度隨著成型壓力和水分添加量增加均先升高后降低，以16 MPa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(tuán)強(qiáng)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(qiáng)度最差；后期隨著溫度升高，金屬鐵逐漸匯聚成片，強(qiáng)度和金屬化率均逐漸升高，1 200 ℃下金屬化率可達(dá)84.84%。使用膨潤(rùn)土、水玻璃作為黏結(jié)劑時(shí)，常溫強(qiáng)度較差，通過(guò)提高兩者添加量可在一定程度上提升高溫強(qiáng)度，但水玻璃含堿金屬鈉，不利于高爐順行；使用標(biāo)準(zhǔn)水泥作為黏結(jié)劑時(shí)，常溫和高溫強(qiáng)度均較差，且生產(chǎn)效率較低；使用有機(jī)黏結(jié)劑CMC常溫強(qiáng)度較高，但其在高溫下易分解，球團(tuán)高溫強(qiáng)度較差；使用復(fù)合黏結(jié)劑可以同時(shí)獲得常溫和高溫強(qiáng)度，可通過(guò)調(diào)節(jié)配加量滿足不同爐窯對(duì)爐料的要求。

關(guān) 鍵詞

生物質(zhì)；雙碳；高強(qiáng)度含碳球團(tuán)；黏結(jié)劑；高溫強(qiáng)度

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(tuán)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(tuán)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(tuán)或塊狀。國(guó)內(nèi)外研究者圍繞煤、焦等傳統(tǒng)還原劑進(jìn)行了大量的研究。面對(duì)日益嚴(yán)峻的資源和環(huán)境壓力，作為一種清潔、可再生、儲(chǔ)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(tuán)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(duì)含碳球團(tuán)進(jìn)行的研究主要集中在含碳球團(tuán)的還原機(jī)理、還原速率以及還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等方面，關(guān)于提高含碳球團(tuán)高溫強(qiáng)度的研究較少。含碳球團(tuán)高溫強(qiáng)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(tuán)在焙燒過(guò)程中的強(qiáng)度具有重要研究意義。

含碳球團(tuán)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(shí)現(xiàn)工業(yè)固體廢棄物資源化利用與循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要途徑。制備生物質(zhì)含碳球團(tuán)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(tuán)應(yīng)用的關(guān)鍵因素是其高溫強(qiáng)度，因此高強(qiáng)度含碳球團(tuán)制備技術(shù)是實(shí)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(duì)含碳球團(tuán)強(qiáng)度的影響。

精選圖表

結(jié) 論

1)含碳球團(tuán)強(qiáng)度隨成型壓力升高呈先升高后降低的趨勢(shì)，16 MPa為適宜的成型壓力。水分的添加量與含碳球團(tuán)強(qiáng)度的變化關(guān)系與成型壓力一致，水分過(guò)高會(huì)導(dǎo)致含碳球團(tuán)難以脫模而使強(qiáng)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(tuán)強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。900~1 000 ℃是強(qiáng)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(tuán)強(qiáng)度也逐漸升高。金屬化率用來(lái)表示含碳球團(tuán)還原程度，其隨著還原溫度和時(shí)間的增加均逐漸升高，1 200 ℃焙燒后金屬化率可達(dá)到84.84%。

3)在探究黏結(jié)劑對(duì)含碳球團(tuán)強(qiáng)度影響時(shí)選擇了5種黏結(jié)劑，整體來(lái)看單一種類黏結(jié)劑難以同時(shí)滿足常溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度要求。①膨潤(rùn)土為鋼鐵企業(yè)最常用的黏結(jié)劑，但單獨(dú)使用膨潤(rùn)土?xí)r球團(tuán)常溫強(qiáng)度較差，在強(qiáng)度最弱溫度區(qū)間900 ℃時(shí)，落下強(qiáng)度為2次，通過(guò)提高膨潤(rùn)土添加量可在一定程度上提高高溫強(qiáng)度，但難以保證常溫強(qiáng)度。②以水玻璃為黏結(jié)劑時(shí)，球團(tuán)常溫強(qiáng)度也很差，高溫強(qiáng)度略低于使用膨潤(rùn)土?xí)r的球團(tuán)，且水玻璃中含堿金屬Na，對(duì)高爐穩(wěn)定順行不利。③使用標(biāo)準(zhǔn)水泥為黏結(jié)劑時(shí)，需要對(duì)含碳球團(tuán)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)以提升其強(qiáng)度，時(shí)間成本較高，生產(chǎn)效率較低，且使用水泥時(shí)含碳球團(tuán)常溫和高溫強(qiáng)度均較差。④使用有機(jī)黏結(jié)劑CMC時(shí)，生球和干球強(qiáng)度較高，僅次于復(fù)合黏結(jié)劑，但有機(jī)黏結(jié)劑高溫易分解，因此高溫強(qiáng)度較差。⑤使用復(fù)合黏結(jié)劑時(shí)，生球和干球落下強(qiáng)度分別為5次和18次，可以滿足含碳球團(tuán)在轉(zhuǎn)運(yùn)、干燥和裝料過(guò)程中的強(qiáng)度要求。高溫焙燒后，在強(qiáng)度最弱溫度區(qū)間900 ℃落下強(qiáng)度為6次，對(duì)于轉(zhuǎn)底爐等爐料在加熱過(guò)程中近似保持靜止?fàn)顟B(tài)的高溫焙燒設(shè)備來(lái)說(shuō)，已經(jīng)可以滿足爐窯對(duì)爐料強(qiáng)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(jìn)，則可通過(guò)提高復(fù)合黏結(jié)劑添加量來(lái)調(diào)節(jié)入爐爐料強(qiáng)度。