安徽工業大學冶金工程學院

　　1 引言

　　含碳球團是煤基直接還原煉鐵技術發展中形成的一種新型造塊方法，為金屬化原料生產、含鐵二次資源以及復雜難選礦處理新工藝開發提供了多種可能[1,2]。關于含碳球團還原機制[3,4]、還原反應動力學[5-7]以及還原后強度影響[8,9]等研究已較為全面，這些富有成效的工作為含碳球團技術應用和發展起到了重要的支撐作用。然而，由于含碳球團在原料構成和生產工藝上與人造富礦差別很大，生球強度和干燥強度低。尤其在高溫焙燒階段，因碳氣化反應、鐵氧化物還原以及熱應力多重作用致使球團物理結構發生改變，球團熱態強度難以滿足高效反應器生產要求。目前含碳球團在轉底爐直接還原工藝或類似工藝中應用較為成功，原因是該類工藝流程料層較薄，還原過程球團載荷低，對球團自身強度要求不高。若實現含碳球團多料層高效焙燒還原，其關鍵在于如何保證球團還原過程具有足夠的強度。基于此，本文以煙煤、無煙煤和焦粉等還原劑制備的含碳球團為對象，研究了非等溫條件下含碳球團焙燒過程熱態強度變化規律，分析了粘結劑對含碳球團熱態強度的影響。

　　2 實驗原料及方法

　　2.1 試驗原料

　　含碳球團主要原料鐵精礦、固體碳質還原劑以及粘結劑化學成分分析見表1、表2和表3。

　　2.2 試驗方法

　　首先將鐵精礦和幾種固體碳質還原劑干燥，分別球磨至粒度≤74 μm體積分數不小于95 %，然后按表4方案稱量物料混勻，采用圓盤造球工藝制備直徑為10 mm ~ 14 mm含碳鐵精礦球團。圓盤造球機直徑為1000 mm，轉速為60 r?min-1，傾角45°。

 
 

　　3 結果和討論

　　3.1還原劑添加量對含碳球團熱態強度的影響

　　以平均直徑約為12.50 mm無粘結劑含碳球團為對象，研究了還原劑添加比例對含碳球團焙燒過程熱態強度的影響，結果見圖2。

　　由圖可以看出，無煙煤添加量低于8%時，球團熱態強度隨焙燒溫度增加呈先增加后降低的倒“V”形走勢，不同無煙煤添加量條件下的強度變化趨勢具有相似性，但取得熱態強度最大值所對應的焙燒溫度值隨還原劑比例增加逐漸向低溫區移動，如無煙煤為2%的球團熱強度拐點對應溫度為1050℃，而無煙煤8%的球團熱強度拐點則出現在1000℃。當無煙煤添加量為18% (碳氧比=1)時，隨著焙燒溫度的提高，含碳球團熱態強度變化與前述規律明顯不同。球團熱態強度在800℃時達到35 N/pellet最大值后開始下降，最低熱態強度出現在1050℃，為8.6 N/pellet。對比含碳球團熱態強度值可以發現，當無煙煤加入量超過4%后，球團熱態最大強度對應焙燒溫度開始明顯下降。

　　由圖可以看出，無煙煤添加量低于8%時，球團熱態強度隨焙燒溫度增加呈先增加后降低的倒“V”形走勢，不同無煙煤添加量條件下的強度變化趨勢具有相似性，但取得熱態強度最大值所對應的焙燒溫度值隨還原劑比例增加逐漸向低溫區移動，如無煙煤為2%的球團熱強度拐點對應溫度為1050℃，而無煙煤8%的球團熱強度拐點則出現在1000℃。當無煙煤添加量為18% (碳氧比=1)時，隨著焙燒溫度的提高，含碳球團熱態強度變化與前述規律明顯不同。球團熱態強度在800℃時達到35 N/pellet最大值后開始下降，最低熱態強度出現在1050℃，為8.6 N/pellet。對比含碳球團熱態強度值可以發現，當無煙煤加入量超過4%后，球團熱態最大強度對應焙燒溫度開始明顯下降。
 

　　分析認為，含碳球團熱態下的承載能力與球團內部結構和顆粒間相互作用力密切相關，球團結構緊密，顆粒間作用力較強，則承載能力大，結構疏松，顆粒間作用力較弱，則球團承載能力小。當球團原料顆?？臻g相對位置或礦物組成因物理化學作用發生變化時，球團結構和顆粒間作用力會隨著改變，進而影響球團的承載能力。含碳球團焙燒過程中，引發球團結構變化的主要因素包括水分蒸發、碳質還原劑揮發份裂解析出、碳氣化反應和鐵氧化物還原等。對于還原介質添加量不同的含碳球團，因揮發份裂解析出量以及鐵氧化物還原程度不同，內部結構以及顆粒間作用機制存在很大差異，因此，熱態力學性能呈現出不同變化規律。

　　3.2還原劑種類對含碳球團熱態強度的影響

　　選擇煙煤、無煙煤和焦粉三種不同碳質還原劑，鈉基膨潤土為粘結劑，制備了碳氧比為1的含碳球團，在升溫速率為20℃?min-1條件下，研究了還原劑種類對含碳球團焙燒過程熱態強度的影響。結果見圖3。

　　從圖中可以看出，還原劑種類不同的含碳球團，其焙燒過程熱態強度變化可分為三個階段討論：

　　球團熱態強度在200℃ ~ 800℃范圍內持續增加。盡管結合水蒸發、還原劑中揮發份裂解析出以及鐵氧化物還原(Fe2O3 → Fe3O4)對球團承載產生不利影響，但粘結劑的膠結能力隨溫度升高顯著增強，同時含鐵礦物焙燒過程發生無規則原位破碎亦能增加顆粒間的摩擦阻力，球團強度主要靠顆粒間嚙合作用和膨潤土膠結作用維系。由于煙煤中固定碳低于無煙煤和焦粉，相同碳氧比條件下，煙煤含碳球團中還原介質的顆粒數大大高于無煙煤和焦粉，對球團顆粒間嚙合作用以及膨潤土膠結作用弱化作用較為明顯，因此，煙煤含碳球團的熱態強度增幅低于無煙煤球團和焦粉球團。

　　球團熱態強度在800℃ ~ 1000℃范圍內隨溫度升高快速下降。當焙燒溫度超過某一特定值，球團還原速率隨溫度升高快速增加，還原反應按Fe2O3 → Fe3O4 → FeO順序進行，反應產物FeO熔點為1360℃，低于Fe3O4(1538℃)和Fe2O3(1565℃)熔點。同時，FeO可以與球團中脈石組分形成一定數量的低熔點新相，如Fe2SiO4-Ca2SiO4(1150℃)和2FeO-Ca2SiO4(1250℃)[10]。還原劑消耗和鐵氧化物失氧使得球團氣孔率持續增加，內部結構疏松易軟化，因此，煙煤、無煙煤和焦粉含碳球團于1000℃熱態強度最低，分別為5.5 N/pellet，8.5 N/pellet和7.5 N/pellet，低于或相當于其對應的干燥后強度。

　　球團熱態強度在1000℃ ~ 1200℃范圍內隨溫度升高迅速回升。溫度超過1000℃后，碳氣化反應進入激烈區，鐵氧化物間接還原反應占據主導地位，具有金屬鍵的新生鐵連晶快速生成、長大與聚集，脈石組分發生礦相重構，球團體積明顯縮小，球團承載能力顯著增強，熱強度迅速回升。

　　對比可以發現，以膨潤土為粘結劑，添加不同還原劑的含碳球團熱態強度均在焙燒溫度1000℃時取得最低值，該溫度與碳氣化激烈反應開始溫度(1050℃)接近，球團內鐵元素賦存狀態主要為赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、浮氏體(FeO)和鐵橄欖石(Fe2SiO4)，具有金屬鍵的新生鐵連晶數量較少，球團最大承載時呈破碎狀態。因此，提升該階段的熱態強度成為實現含碳球團多料層高效直接還原的關鍵。

　　3.3含碳球團熱態強度調控