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2023
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使用創新的有機粘合劑最大限度地回收鐵礦石顆粒粉料（3）
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來源：公司內部
3.4. 還原結果
根據現有文獻，氫還原的還原溫度應在 600 °C 和 1000 °C 之間。在這項工作中，還原溫度設置為 950 °C，接近商業直接還原過程中的最高應用溫度。將還原溫度固定在 950 °C 有助于球團在有限的時間內實現 100% 的金屬化。因此，氫還原以20℃/分的加熱速度直至950 °C，進行非等溫還原。根據最佳點圖，選擇了兩種具有最高強度的配方進行還原測試，如表 6 所示。
表 6. 用于還原分析和 XRD 的選定配方
| 配料 | 球團細粉wt.% | Kempel, wt.% | CB6, wt.% | 水玻璃, wt.% | 含水量, wt.% |
| R_DE1 | 93 | 1.5 | 0 | 0.5 | 5 |
| R_DE2 | 93 | 0 | 1.5 | 0.5 | 5 |
通過分析所開發配方的還原曲線（參見圖 9），可以確定，就所選的還原設置而言，只有在1小時后才能達到100%的還原程度。此外，用氫還原過程前后的稱重樣品來計算質量損失百分比。配方 R_DE1 和 R_DE2 的總質量損失百分比分別為 27% 和 30%。
圖 9. 配方的還原曲線
由于兩種有機粘合劑（CB6 和 Kempel）具有相似的還原曲線，質量損失百分比偏差很小，因此僅對一種配方進行間斷試驗是合理的。如表 6 所示，對用于還原測試的兩種配方均使用了XRD 技術進行分析（參見圖 10，其中顯示了配方 R_DE2 的金屬鐵峰的發展）。隨著還原程度的提高，氧化鐵轉化為金屬鐵的過程很有重要。如圖 10a 所示，從還原前原始樣品的 XRD 圖中觀察到磁鐵礦和赤鐵礦形式的鐵氧化物；還原程度提高到 25%，就會形成褐鐵礦，并且從 XRD 圖也可以確認少量的鐵含量；還原程度進一步提高，褐鐵礦和鐵的形成增加，從而減少了氧化鐵的含量。此外，還發現氧化鐵峰的幅度隨著還原程度的增加而降低。如圖 10d 所示，在 100% 的還原范圍內，所有的氧化物都被還原成金屬鐵，并且所有四種配方的 XRD 結果似乎都相同，相分數的變化很小。
圖 10. 配方 R_DE2 的 XRD 圖隨還原程度的提高而變化
對含有 CB6 作為有機粘合劑的球團進行間斷還原試驗，以推斷在 25%、50%、90% 和 100% 還原程度時的相組成和強度變化。圖 11 顯示了配方 R_DE2 的間斷還原曲線。
圖 11. 以 CB6 作為粘合劑材料的配方的間斷還原試驗
如表 7 所示，當球坯加熱到 950 °C 時，強度顯著降低，并隨著降低程度逐漸增加。這種趨勢是因為有機粘合劑的分解，球團中的揮發物質被排出，強度降低。通過增加還原度，金屬鐵的含量增加，可以燒結以提高機械強度。盡管與還原前的球團相比，強度較低，但所有還原的煤球都能夠擁有所需的強度 (15-20 kg/cm2)。從間斷還原試驗結果也可以推斷出質量損失百分比逐漸上升，這證實了隨著還原程度的增加，球團中碳和其他揮發性物質的去除率也在增加。
表 7. 配方 R_DE2 強度和還原程度的變化
| 還原程度 | 質量損失 % | 強度kg/cm2 |
| 0% | 0 | 122 |
| 25% | 7 | 8 |
| 50% | 10.5 | 16.5 |
| 90% | 26 | 31 |
| 100% | 30 | 33 |
3.5. 升級生產的結果
通過分析先前生產的球團的機械性能和還原特性，選擇 1.5 wt.% 的 Kempel 和 0.5 wt.% 的硅酸鈉的組合作為使用擠壓機進行大規模團塊生產的粘合劑。為了在擠壓機中獲得良好的材料流動性，將含有粘合劑的顆粒細料混合物的水分含量調整為10wt.%。因此，擠壓配方（R_DE1-擠壓）由 88 wt.% 的顆粒粉料、1.5 wt.% 的 Kempel、0.5 wt.% 的硅酸鈉和 10 wt.% 的水組成，擠壓的團塊直徑為 20 mm。以恒定速率喂入準備好的 8 千克配方，發現預壓實和最終壓實區域的溫度在 30–38 °C 的范圍內。
有必要確定所開發的球團的機械強度，因為機械強度是要考慮的關鍵參數，以確保在將球團裝入豎爐時由磨損和沖擊造成的分解最小。將開發的球團從離地面2米高的地方掉落的到鋼板上，是用于確定崩解率。從圖12可以看出，配方R_DE1在經受10次跌落后的重量損失百分比為0.95 wt.%，具有優異的抗崩解性。此外，通過仔細檢查冷壓強度的大小，將擠壓球團與手工壓制球團進行比較。表8描述了擠壓煤球和手工壓制煤球在還原之前和之后的CCS。這證實了使用擠壓機進行升級是有希望的，因為煤球能夠在壓縮前 (60–100 kg/cm2) 和壓縮后 (15–20 kg/cm2) 具有所需的強度。此外，當比較擠出的壓塊和液壓機在200千牛的壓實壓力下生產的壓塊的密度時，發現擠出壓塊的密度（3.16g/cm3）低于液壓機壓制的壓塊（3.85g/cm3），并且有更多孔。
圖 12. 重量損失百分比VS每次的掉落數
表 8. 擠壓和液壓壓塊 R_DE2 的機械強度
| 參數 | 擠壓球團 | 液壓球團 |
| 還原前的強度kg/cm2 | 103 | 122 |
| 還原后的強度kg/cm2 | 70 | 81 |
| 質量損失 | 33 | 31 |
如圖 13 所示，擠壓球團的還原曲線與實驗室規模生產的球團進行了比較。兩種球團（液壓壓制和擠壓）的還原行為趨勢相似。然而，擠壓球團在溫度超過500℃后，由于其多孔結構，生產過程中壓實壓力較低（在10-15KN的范圍內），在還原率方面擁有更高的還原特性。這種多孔結構使還原氣體容易通過團塊，因此獲得了高還原率。
圖13. 擠壓和手壓球團的還原曲線
4. 結論
如何有效利用鋼鐵生產中不可避免地產生的團塊細粒，如何從無機粘合劑轉向有機粘合劑，是本研究解決的主要問題。目前的研究集中于在氫基鋼鐵生產過程中使用新型有機粘合劑回收顆粒粉料的潛力。本文得出的主要結論如下：
• 加入粘合劑后，壓塊的機械強度有了明顯改善。通過對粘合劑進行篩選，確定木質素磺酸鹽、CB6 和 Kempel 是最好的有機粘合劑，無機粘合劑為硅酸鈉。
• 將壓實壓力從 50 KN 增加到 200 KN 并將水分含量從 0 wt.% 增加到 5 wt.% 提高了球團的機械強度。關于干燥程度，與在空氣中干燥 24 小時、96 小時或 168 小時的球團相比，發現在 105 °C 的烘箱中干燥 2 小時的干燥抗壓強度/干燥劈裂強度更好。
• 實驗設計分析表明，最佳組合是 1.5 wt.% 的有機粘合劑（CB6 或 Kempel）和 0.5 wt.% 的無機粘合劑（硅酸鈉），球團水分含量為 5 wt.%，壓實壓力為125 KN。
• 在氫氣氛中以 20 °C/分的恒定加熱速率還原球團，最高可達950 °C，即使在 100% 還原后，球團的強度也很有可能達到要求。間斷試驗結果證實，還原程度必須在 90% 左右，才能滿足還原后球團所需的強度 (15–20 kg/cm2)。此外，TG 分析顯示，隨著還原程度的增加，質量損失百分比逐漸上升。
• 使用擠壓機進行升級生產的球團在還原前后都能達到預先要求的強度。除了高強度外，由于高度多孔的結構，擠壓球團的還原特性更好。
Manu, K., Mousa, E., Ahmed, H., Elsadek, M., & Yang, W. Maximizing the Recycling of Iron Ore Pellets Fines Using Innovative Organic Binders. Materials, 16(10), 3888. https://doi.org/10.3390/ma16103888
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