堿金屬鹽對赤鐵礦球團滲碳效率的影響
吳飛豹，陳棟，蘇一璠，劉少強，胡鑫
(蘇州大學沙鋼鋼鐵學院， 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滲碳過程中的作用機理。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還原和滲碳效率；此外，預熱處理是一種十分有效的強化Na2CO3添加劑作用的方法，不僅可以強化鐵礦物的晶格畸變，還可以增強Na+離子的強化作用，顯著提高赤鐵礦球團的滲碳效率。當赤鐵礦球團添加了質(zhì)量分數(shù)為3%的Na2CO3并在1 000 ℃預熱15 min后，球團的滲碳指數(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 鍵 詞
赤鐵礦；碳化鐵；滲碳；碳酸鈉；預熱處理
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引 言
隨著中國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，CO2等溫室氣體排放量屢創(chuàng)新高。據(jù)統(tǒng)計，2021年中國CO2排放總量超過119億t，約占全球總量的33%。鋼鐵行業(yè)是中國能源消耗和CO2排放的主要行業(yè)之一，碳排放量占全國總排放量的15%以上，僅次于電力行業(yè)?？梢?，鋼鐵行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型對于中國實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”目標具有至關重要的作用。
目前，中國鋼鐵行業(yè)中“高爐-轉(zhuǎn)爐”長流程工藝結(jié)構(gòu)占主導地位，生產(chǎn)每噸粗鋼的碳排放量約為1.8 t。與長流程相比，電爐短流程煉鋼生產(chǎn)每噸粗鋼的碳排放量僅為0.6 t，可見短流程煉鋼對于中國實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”目標具有重要意義。此外，隨著中國鋼鐵工業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展，電爐煉鋼將進入快速發(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，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，國內(nèi)外學者對其制備方法進行了大量研究，其中鐵礦石與滲碳氣體反應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致鐵礦石的滲碳效率低下。Kouda T等發(fā)現(xiàn)提高反應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，有效強化鐵礦石的滲碳效率。然而，經(jīng)過上述方法強化后，鐵礦石的滲碳仍然存在著效率低下的問題。
研究表明，在CO-CO2-H2氣氛中，鐵礦石的滲碳過程首先是鐵氧化物被還原成金屬鐵，然后是金屬鐵經(jīng)滲碳反應生成碳化鐵。Iguchi Y等的研究發(fā)現(xiàn)金屬鐵的滲碳反應受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，從而加快還原反應的進行。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，從而促進金屬鐵的滲碳反應?？梢?，如果在鐵礦石中添加堿金屬鹽，則其滲碳過程的還原反應和滲碳反應均有望得到強化。但是，目前堿金屬鹽對鐵礦石滲碳的作用機理尚不明確。為此，本文以赤鐵礦為原料，研究堿金屬鹽對赤鐵礦滲碳的作用機理，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，這增大了球團的比表面積，強化了還原反應和滲碳反應，從而有效提高赤鐵礦球團的滲碳效率。此外，在滲碳過程中，Na+離子可促使碳化鐵晶格發(fā)生畸變，促進滲碳反應的進行。
2)預熱處理是一種強化Na2CO3添加劑的有效方法。一方面，預熱處理可改善Na2CO3在球團中的分布，強化滲碳過程中Na+離子促進CO在鐵礦物表面的吸附和分解作用；另一方面，預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散，而且減少游離碳的產(chǎn)生，從而提高滲碳效率。
3)預熱處理和Na2CO3添加劑可協(xié)同提高赤鐵礦球團的滲碳效率。預熱處理可有效增強Na+離子的強化作用；當赤鐵礦球團添加了3%Na2CO3添加劑并經(jīng)1 000 ℃預熱15 min時，滲碳球團的滲碳指數(shù)由13.23增大到28.99。
