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前言
冶金工業(yè)面臨的最重大挑戰(zhàn)之一是減少CO?排放，而回收利用則是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵因素。與眾多其他工藝相似，煉鋼過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量副產(chǎn)物和廢棄物，包括各類粉塵、氧化鐵皮、塵泥以及爐渣。對(duì)于這些副產(chǎn)物中的很大一部分，將其作為原料重新循環(huán)利用到生產(chǎn)過(guò)程中是完全可行的。這種做法不僅經(jīng)濟(jì)效益顯著，而且環(huán)保，因?yàn)樗葴p少了原料消耗，又降低了對(duì)填埋場(chǎng)地的需求。然而，副產(chǎn)物的粒度往往過(guò)小，難以直接循環(huán)利用。因此，當(dāng)前工作的重點(diǎn)是將這些副產(chǎn)物加工成壓塊，以便更好地進(jìn)行循環(huán)利用。
本研究的主要目的是評(píng)估基維桑波公司（隸屬于AMCOM集團(tuán)）生產(chǎn)的螺旋壓塊作為高爐爐料的適用性，具體研究螺旋壓塊的還原性、膨脹和開裂等特性。所研究的壓塊主要由高爐塵泥和氧化鐵皮構(gòu)成，含有約2%的黏結(jié)劑和3%的熟石灰。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)高爐模擬爐模擬了不同溫度和氣體氣氛下的實(shí)際高爐工藝，深入探究了壓塊的還原性能。
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高爐和壓塊
生產(chǎn)鐵水主要有兩種工藝：一是使用高爐-轉(zhuǎn)爐（BF-BOF）；二是在電弧爐（EAF）內(nèi)熔煉廢鋼或直接還原鐵。由于高爐工藝較為常見(jiàn)，因此選擇高爐工藝進(jìn)行模擬。
工廠副產(chǎn)物經(jīng)過(guò)壓塊處理后可用于高爐煉鐵，且已對(duì)其性能進(jìn)行了深入研究。冷壓塊是一種循環(huán)利用高爐粉塵、氧化鐵皮、轉(zhuǎn)爐塵泥等典型煉鋼副產(chǎn)物的方法。過(guò)去，常規(guī)做法是通過(guò)燒結(jié)工藝回收這些物料，然后出售或填埋。壓塊由黏結(jié)劑制成，具有較高的冷態(tài)強(qiáng)度，但其還原粉化性較差。
壓塊強(qiáng)度取決于黏結(jié)劑的可塑性或脆弱性，以及與顆粒表面的黏附性和黏結(jié)強(qiáng)度。強(qiáng)度來(lái)源于范德華力、價(jià)鍵以及顆粒間的互鎖作用。隨著壓塊密度增加，黏附性和互鎖性增強(qiáng)，而空隙度減少。黏結(jié)劑可在結(jié)塊前或結(jié)塊過(guò)程中加入，直接或在固化階段結(jié)束后影響壓塊的強(qiáng)度。選擇合適的黏結(jié)劑以提高機(jī)械強(qiáng)度至關(guān)重要。
高爐工藝處于極端條件，對(duì)爐料質(zhì)量的要求極高。所使用的原料必須具備足夠的還原性、較高的冷態(tài)強(qiáng)度、較低的還原粉化指數(shù)（RDI）、化學(xué)成分穩(wěn)定、合適的粒度。此外，還需合理選擇黏結(jié)劑的數(shù)量和類型。盡管條件苛刻，但壓塊作為一種循環(huán)利用方法已迅速普及。SSAB公司便是鋼鐵制造商從燒結(jié)工藝轉(zhuǎn)向壓塊工藝，對(duì)副產(chǎn)物進(jìn)行循環(huán)利用的典型案例。
大多數(shù)要求適用于球團(tuán)和燒結(jié)，但在ISO標(biāo)準(zhǔn)中并未提及與含鐵爐料相關(guān)的壓塊。這些標(biāo)準(zhǔn)必須同樣適用于壓塊，包括不同粒度的團(tuán)塊。由于這些副產(chǎn)物的重量范圍從35g到500g不等，其性能差異顯著，尤其在下落測(cè)試中。例如，粒度小且數(shù)量多的鐵礦球團(tuán)或燒結(jié)礦在下落時(shí)，磨損比沖擊更具破壞性；而大顆粒壓塊的情況則恰好相反。此外，壓塊應(yīng)進(jìn)行切割，以便使用儀器進(jìn)行還原粉化測(cè)試。
AMCOM集團(tuán)開發(fā)了真空螺旋壓塊技術(shù)，能夠從散布的天然和人工物料中高效且經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)壓塊，并最大限度地適應(yīng)不同冶金需求。該技術(shù)允許使用粒度高達(dá)8mm的物料和占比約1%的低比例黏結(jié)劑。螺旋壓塊技術(shù)由帶預(yù)壓實(shí)功能的雙軸混合機(jī)、真空室和螺旋壓塊室組成。螺旋壓塊室由三個(gè)從左到右直徑依次遞減的區(qū)域構(gòu)成：混合區(qū)、預(yù)壓縮區(qū)和壓縮區(qū)。通過(guò)模具上的孔對(duì)壓塊施加外力。
利用高爐粉塵、氧化鐵皮、電弧爐氣體凈化粉塵、鉻鐵、廢料、熱壓塊鐵（HBI）篩分物和氧化鋁等煉鐵和煉鋼副產(chǎn)物，生產(chǎn)各類壓塊。無(wú)害的單獨(dú)開發(fā)材料被用作黏結(jié)劑，通過(guò)添加聚合物-礦物復(fù)合材料確保機(jī)械強(qiáng)度。在研究冶金性能前，需通過(guò)下落、磨損和壓縮測(cè)試來(lái)驗(yàn)證壓塊的冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度。
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原料制備和測(cè)試方法
AMCOM集團(tuán)實(shí)驗(yàn)室所獲得的螺旋壓塊，主要由未經(jīng)處理的高爐塵泥和來(lái)自俄羅斯聯(lián)邦鋼鐵廠的氧化鐵皮構(gòu)成。在壓塊制備過(guò)程中，添加了熟石灰及黏結(jié)劑。該黏結(jié)劑由有機(jī)聚合物與礦物組分混合制成。在樣品運(yùn)往芬蘭之前，已在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試。成型后的壓塊長(zhǎng)度為60-120mm，具備良好的可塑性，固化時(shí)間為3天。
壓塊在經(jīng)過(guò)72h固化后，進(jìn)行了機(jī)械破碎強(qiáng)度測(cè)試。在正常條件下，壓塊的平均破碎強(qiáng)度為24.65kg/cm2。為了測(cè)試壓塊的機(jī)械下落強(qiáng)度，采取了從2m高度進(jìn)行3次下落的方法。測(cè)試結(jié)果顯示，98.5%的壓塊粒度大于5mm。
此外，還開展了耐磨強(qiáng)度測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，滾筒共旋轉(zhuǎn)200r，并在第25r、第50r、第100r和第200r后分別對(duì)剩余部分進(jìn)行研究。耐磨強(qiáng)度被定義為粒度大于5mm的占比，結(jié)果分別為93%、89%、80%和64%。
為了進(jìn)行對(duì)比，選用了市場(chǎng)上銷售的橄欖石球團(tuán)作為參照樣品。粒度為10.0-12.7mm的球團(tuán)平均重量為3.4g。為了比較不同壓塊的還原性，使用了來(lái)自SSAB鋼鐵廠工業(yè)高爐的重量大于400g的壓塊作為參照樣品。用于實(shí)驗(yàn)室的3個(gè)樣品的化學(xué)成分匯總于表1。
使用了以下設(shè)備和方法：1）高爐模擬爐，用于研究壓塊和球團(tuán)的還原性能及膨脹特性。2）顯微鏡，用于高分辨率顯微結(jié)構(gòu)成像，以進(jìn)一步進(jìn)行礦物性和結(jié)構(gòu)分析。3）采用熱重質(zhì)譜法（TG-MS），用于分析原始?jí)簤K樣品，以確定在高爐運(yùn)行過(guò)程中是否有有害成分從壓塊中釋放。
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樣品準(zhǔn)備和設(shè)備應(yīng)用
從基維桑波公司獲取螺旋壓塊樣品，共包括5塊壓塊，總重0.6kg。為防止吸濕，夜間將樣品（示于圖1（a））置于105℃的恒溫箱中保存。通過(guò)稱量干燥前后的樣品，確定壓塊的水分含量約為1%。在高爐模擬爐試驗(yàn)中，選用了4塊壓塊（標(biāo)記為A-D）；在熱重質(zhì)譜法試驗(yàn)中，使用了1塊原始?jí)簤K樣品。首先在光學(xué)顯微鏡（LOM）下觀察拋光后的切片，隨后在場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）下觀察涂鉑切片。
試驗(yàn)采用了IIjana等人于2012年首次引入的高爐模擬爐（示于圖1（b）），進(jìn)行多種非等溫還原試驗(yàn)。將樣品籃謹(jǐn)慎地插入高爐模擬器的還原管中，并懸掛在與熱重分析秤相連的掛鉤上，以確保試驗(yàn)過(guò)程中能夠連續(xù)測(cè)量樣品重量。同時(shí)，使用攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)還原過(guò)程中的外部變化。
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高爐模擬爐試驗(yàn)
針對(duì)螺旋壓塊在不同還原階段，進(jìn)行了四種不同的還原試驗(yàn)。試驗(yàn)A和試驗(yàn)B均為連續(xù)260min的試驗(yàn)，旨在實(shí)現(xiàn)金屬鐵的還原。對(duì)壓塊樣品進(jìn)行稱重，并測(cè)量試驗(yàn)前后的粒度。試驗(yàn)A在1100℃下繼續(xù)等溫40min，而試驗(yàn)B則不進(jìn)行等溫處理。試驗(yàn)C和試驗(yàn)D屬于中斷試驗(yàn)，目的是將壓塊還原為鎢鈦礦和磁鐵礦，以研究不同還原階段樣品的結(jié)構(gòu)差異。試驗(yàn)C的溫度設(shè)定為800℃，試驗(yàn)D則為500℃。
試驗(yàn)E和試驗(yàn)F作為參照樣品試驗(yàn)，分別采用市場(chǎng)售賣的橄欖石球團(tuán)和工業(yè)高爐壓塊。試驗(yàn)E采用與試驗(yàn)B相同的還原程序，對(duì)橄欖石球團(tuán)進(jìn)行還原。由于球團(tuán)中不含碳，因此重點(diǎn)關(guān)注在非等溫還原程序中發(fā)生的還原次數(shù)。試驗(yàn)F的參照壓塊還原程序與試驗(yàn)A中的樣品一致，同樣關(guān)注等溫周期的影響。
通過(guò)測(cè)量還原前后壓塊樣品的體積，觀察其膨脹性。未對(duì)參照球團(tuán)的膨脹性進(jìn)行研究。采用熱重質(zhì)譜法，對(duì)原始螺旋壓塊樣品進(jìn)行試驗(yàn)，在純度高于99.999%的惰性氬氣氣氛下，從室溫加熱至1100℃。升溫速度為5℃/min，氣體體積流量為100mL/min。質(zhì)譜測(cè)量采用模擬掃描方式，檢測(cè)范圍為1-150amu。
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結(jié)果與討論
每次試驗(yàn)的總重量損失和重量損失隨時(shí)間的變化結(jié)果顯示，螺旋壓塊的相對(duì)重量損失最為顯著。在不同時(shí)間長(zhǎng)度的試驗(yàn)中，相對(duì)重量變化曲線高度重疊，顯示出良好的結(jié)果重復(fù)性。螺旋壓塊因含碳量高，具備自還原特性。與參照樣品不同，在長(zhǎng)達(dá)260min的試驗(yàn)過(guò)程中，螺旋壓塊能夠完全還原為金屬鐵，且其還原速度遠(yuǎn)超參照樣品。實(shí)際上，這些壓塊在40min等溫處理之前便已完成還原，在此階段，樣品的重量損失僅為1.1%。試驗(yàn)初期，重量即開始下降，這可能是由于熟石灰與CO?發(fā)生碳酸化反應(yīng)所致。根據(jù)FESEM-EDS分析，每個(gè)樣品仍殘留少量煤的痕跡，但得益于等溫期間的氣化作用，其含量已顯著減少。
壓塊出現(xiàn)輕微膨脹，盡管存在輕微的開裂現(xiàn)象，但樣品依然保持整體性。在完全還原試驗(yàn)中，壓塊膨脹幅度達(dá)到5%-11%；當(dāng)鎢鈦礦被還原成金屬鐵時(shí)，壓塊在超過(guò)1000℃的高溫下發(fā)生開裂。相比之下，參照壓塊的膨脹更為顯著，膨脹度約為24%。在500℃和800℃的溫度條件下，螺旋壓塊的結(jié)構(gòu)幾乎未發(fā)生明顯變化。
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結(jié)論
研究和試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用真空螺旋壓塊技術(shù)，能夠生產(chǎn)出具備優(yōu)異高溫性能的高爐壓塊。AMCOM集團(tuán)進(jìn)行的冷態(tài)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果同樣令人滿意。結(jié)果表明，該壓塊含碳量高，屬于自還原型，質(zhì)量均勻，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，膨脹性低。目前，尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)高爐洗滌塔有害成分的存在。
