1. 簡介
高爐 (BF) 在煉鋼過程中發揮著重要作用。 2020年，高爐-堿性氧氣爐（BF-BOF）工藝路線占世界粗鋼產量的73.2%。除了鋼鐵之外，工藝鏈中還會產生各種副產品。 在BF-BOF 工藝中，每生產一噸鐵水，會產生約 400 公斤副產品，包括各種爐渣、粉塵、污泥等。 這是電弧爐 (EAF) 工藝的兩倍，而電弧爐是一種替代煉鋼工藝。很大一部分殘渣在廠內通過燒結、冷壓或作為直接還原鐵（DRI）進一步回收利用。例如，鋼鐵爐渣可用作粘合劑，替代水泥，由于其特性，還可用于水泥工業和道路建設。此外，包括電爐粉塵、高碳高爐粉塵和高爐污泥在內的許多副產品鐵含量高，回收是非常有必要的，還能大幅減少產品的填埋量，節省自然資源。

回收鋼鐵副產品的主要問題之一是其粒度較小。 礦層的滲透性由細粉（5毫米以下）的量決定。 滲透率的降低可能會導致操作問題并影響高爐工藝的生產率。 待回收的材料，例如高爐污泥，也可能是潮濕的，這使得細粉的檢測更加復雜。因此，需要合適的團結技術。另一個與回收相關的問題是副產品的化學成分。 除了能夠自還原的有價值的元素（即氧化鐵和焦炭形式的碳）之外，副產品通常還含有不需要或有害的元素。例如，高爐污泥可能含有大量的鋅和堿性化合物。 鋅的蒸發和凝結行為會阻礙高爐運行，而堿會損害焦炭的熱強度并削弱耐火爐襯，從而縮短運行時間。 因此，必須考慮產品的有害成分，如有必要，在回收前進行處理。

冷粘結壓塊是一種眾所周知的團聚方法，將粘合劑（通常是膨潤土）添加到要回收的細粒材料的混合物中。 存在三種基本的壓塊技術：振動壓制、輥壓和剛性擠壓。 振動壓制或沖模壓制是最古老的高壓壓塊技術，應用于各個行業。 除煉鋼外，它還用于陶瓷、粉末金屬和一般化學工業。本研究中，使用該技術生產的球團作為參考樣品。 另一種高壓造粒技術，輥壓，也用于壓塊。第三種技術，即擠壓技術，由 J.C. Steele & Sons 公司于 1993 年首次在美國賓夕法尼亞州伯利恒鋼鐵公司的冶金廠進行工業化應用。

由于應用高爐工藝的條件極端，對原材料就有許多限制，包括足夠的還原性、高冷強度、低還原崩解指數（RDI）、化學成分的輕微變化以及合適的粒度。 這些都與本研究中考慮的三大冶金特性有關：還原性、膨脹和開裂。 在溫度介于 1000 至 1350 °C 之間的粘性區域的軟化和熔化已被研究過，特別特別是鐵礦石球團，但本研究中沒有考慮，因為需要的模擬溫度太高。還原性是指材料增加還原反應程度的能力，同時也表示直接還原率和高爐下部區域的熱消耗。 對膨脹，尤其是球團的膨脹，進行了廣泛研究，發現膨脹主要取決于材料的堿性和煤矸石含量。膨脹可能是正常的，由于材料的孔隙率增加，這對還原過程有利；也可能是不正常的，由于材料的機械性能下降，這可能導致運行問題。 開裂通常與還原和膨脹行為相關，在還原度較高時出現。

與燒結礦、塊礦和球團礦等各種鐵料可以通過尺寸、冷強度和還原性來表征不同，ISO 標準中并未提及煤球的質量要求。 ISO 4695 和 ISO 7215 中描述的還原性實驗在整個測試試驗在整個試驗過程中使用恒溫（900 °C ± 10 °C或 950 °C ± 10 °C）。由于高爐工藝復雜的還原和熔化條件，鐵礦球團在實驗室中的表現與在堿性爐中的表現不同，因此設計了非 ISO 標準化測試來模擬實際的高爐條件。

在這項研究中，使用實驗室規模的熔爐評估了由高爐污泥和氧化皮制成的螺旋壓制團塊的高溫性能，與上述擠壓壓塊類似?？紤]到在模擬 BF 條件下還原過程中的外部變化，確定壓塊是否具有自還原質量以及還原速度有多快尤為重要。目的是獲得有關壓塊是否適合用于 BF 的信息，以評估這種壓塊工藝在滿足煉鋼回收需求方面的潛力。

2. 材料和方法
2.1. 螺旋壓塊
本研究中的壓塊是利用 AMCOM GROUP LLC 開發的真空螺旋壓制技術生產的冷粘結團塊。該技術允許使用從煉鋼廠和其他行業獲得的天然技術材料。該工藝由包括箱式給料機、帶粘合劑給料機的雙軸攪拌機和帶水定量的攪拌壓制機等。 真空螺旋壓制設備是該生產線的主要多部件單元。 它配有定量給水裝置，生產的煤球經過三天的陳化以達到最佳強度。 圖 1 所示的設備由三個功能組成：

 

 

圖1. 真空螺旋壓制裝置的技術方案

     1. 混合室，包括雙軸攪拌機和預壓實功能；
     2. 真空室；
     3. 螺旋壓力機室。

螺旋壓制室由三個直徑逐漸減小的區域組成：混合區、預壓縮區和壓縮區。旋轉的螺旋鉆迫使漿料通過模具中的孔，從而使壓塊變成圓柱形。在重力的作用下，壓塊斷裂成最終長度。 據研究，生產率為 3 至 90 噸/小時。

客戶材料和粘合劑選擇的實驗室測試在位于歐洲的 AMCOM GROUP LLC 實驗室進行。 生產在有原材料的地方進行。硅鐵、鉻鐵、氧化鐵皮、高爐粉塵、電弧爐煤氣凈化粉塵等多種鋼鐵產品已得到利用。 壓塊中使用的粘合劑都是無機和有機粘合劑的混合物，不含有害雜質。 自2019年以來，獨聯體國家已建成3條工業壓塊生產線。 以高爐污泥、電爐粉塵、氧化皮為原料，添加1%~2%的礦物有機粘結劑。 2022 年，在烏克蘭馬里烏波爾容量為 2002 立方米的工業高爐成功進行了試驗，使用氧化皮制成的螺旋壓球作為爐料，沒有發現任何有害影響。

本研究中使用的壓塊以鋼鐵副產品為原料。 AMCOM GROUP LLC 實驗室按照表 1 所示的煤球配方生產了 30 公斤壓塊。從表 1 的計算成分可以看出，壓塊的主要成分為高爐污泥（40%）、氧化皮（55 %）、熟石灰（3%）和粘合劑（2%）。據研究，加水之前的水分含量為1.27%。

表 1. 螺旋壓塊配方中的主要成分、含量和元素分析

成分	元素 (%)									重量 (g)	含量 (%)
	Fetot	P	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Zn	H2O	C
BF 污泥 (0–3 mm)	44.4	0.17	5.12	3.12	3.9	2.2	0.43		23.0	12,000	40
氧化皮 (0–3 mm)	70.0									16,500	55
熟石灰 (0–3 mm)				80.0				20.0		900	3
粘結劑 AMCOM VA3500									33.3	600	2
計算總含量	56.3	0.07	2.05	3.65	1.56	0.88	0.17	0.60	9.87	30,000	100
加水								100.0		4500

2.2. 鐵礦石球團
球團礦為直徑10毫米左右的球形顆粒，是一般的鐵爐料。 它們專門針對極端條件下的冷強度、膨脹、軟化和熔化特性而設計。球團通常富含鐵并增加爐料的總鐵含量。堿性和煤矸石含量因球團類型而異。三種主要球團類型是酸性球團（CaO/SiO2 比率 < 0.5）、以石灰石（CaCO3）或白云石（Ca,Mg(CO3)2）為添加劑的堿性或熔劑球團礦（CaO/SiO2 比率在 0.9 至 1.3 之間），以及以橄欖石（Mg2SiO4）作為助熔添加劑的橄欖石球團礦。橄欖石球團含有氧化鎂 (MgO)，而不是氧化鈣 (CaO)。

本研究使用商業橄欖石球團作為參考樣品。 10-12.7 毫米大小的球團的平均重量為 3.4 克。 參考球團的化學分析結果如表 2 所示。經計算，球團的 B2 堿度（CaO/SiO2 比率）為 0.23。

表 2. 參考球團的化學分析 (重量-%)

Fetot	FeO	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	TiO2	V2O5
66.7	0.6	1.85	0.43	1.3	0.32	0.35	0.26

2.3. 工業高爐煤球
為了比較螺旋壓球機壓塊與其他副產品壓塊的高溫特性，實驗中使用了芬蘭 Raahe 的 SSAB 鋼廠生產的工業高爐壓塊。壓塊被用作高爐的爐料之一。這種壓塊與螺旋壓制壓塊在造粒方法、形狀、尺寸、化學成分等方面有所不同。 該壓塊采用沖模（振動壓制）造粒法制成，重約400克，端部呈六角形，主要由氧化皮、球團礦篩分、廢鋼、高爐粉塵、焦炭粉塵和水泥組成。 根據季節的不同，水泥由 30-50% 的磨細高爐礦渣（GGBFS）代替。團塊的化學成分如表 3 所示。

表 3. 參考團塊的化學分析 (重量-%)

C	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	S	K2O	CaO	Fe	堿性
8.28	0.32	2.1	2.4	8.1	0.41	0.21	11.1	48.4	1.37

 
2.4. 強度測試
冶金測試從不同冶金性能的角度來表征鐵料。 這些包括冷強度、RDI、還原性、軟化性和熔融性能。 這些測試通常是 ISO 標準化的，通常用于表征燒結礦和球團礦，不適用于壓塊。本項研究沒有使用根據 ISO 4695 和 ISO 7215 進行的基于恒溫的還原性測試，因為目的是模擬實際的高爐條件。

盡管壓塊不同于其他鐵料，但 Mousa 等人的研究也對壓塊進行了機械強度測試，結果發現，由于壓塊的尺寸較大，其情況不同于球團。不過，這些測試提供了有關球團冷強度的有用信息。圖 2 所示的三種不同的冷強度測試是針對本研究中的煤球進行的：機械壓碎強度測試、跌落強度測試和磨損強度測試。

 

 

圖 2. 所用強度測試方法示意圖： (a) 抗碎強度測試中的加載方案； (b) 跌落強度測試設備，包括 (1) 厚板、(2) 管子或套環、(3) 垂直管，以及 (c) 滾筒測試滾筒，配有 (1) 轉數計數器、(2) 帶把手的門 ，(3) 短軸，(4) 升降器，(5) 旋轉方向，(6) 板。

在陳化 72 小時后，沿加載軸碾壓壓塊，測試壓塊的機械破碎強度。機械跌落強度測試是通過 3 次跌落（跌落高度為 2 米）進行的。磨損強度測試是在旋轉滾筒中進行總共200轉的滾筒測試。

2.5. 樣品制備
為進行研究，總共制備了五塊螺旋壓塊，為了避免吸收空氣中的水分，將其放在 105 °C 的恒溫柜中過夜。通過稱量處理前后的樣品來計算含水量。含水量約為 1%。五個樣品中有四個用于還原實驗，一個保留為原始樣品。

鐵礦球團礦采用10、12.5mm篩子進行篩分，從篩分出的球團中選出35個圓形樣品。 參考壓塊很大，但仍然適合測試設備，無需切成小塊。實驗前，參考球團和參考壓塊都在溫度柜中進行了處理，處理方式與螺旋壓塊相同，并進行了稱重。圖 3 顯示了放置在樣品籃中的螺旋壓塊、參考球團和參考壓塊。

 

圖 3. 樣品籃中的樣品：(a) 螺旋壓塊； (b) 鐵礦石球團； (c) 參考壓塊

2.6. 高爐模擬
圖 4 所示的高爐模擬器（BFS）是 Iljana 等人在研究鐵礦石球團的還原和膨脹時首次引入的管式爐。 還原管由耐熱鋼制成，直徑為 95 毫米。 BF 工藝可模擬高達 1100 °C 的溫度，可通過預先確定的計算機控制的還原程序分配 N2、CO、CO2、H2、H2O、S2 和 K 氣體，從而創建復雜的的隨時間和溫度變化的氣氛曲線。還原測試期間的變化可以通過帶有鏡子和光源的視頻攝像系統進行監控。

 

圖 4. 高爐模擬器（BFS）的運行方案

 

動態還原實驗在含有 N2、CO 和 CO2 氣體的氣氛中進行。 在開始還原實驗之前，使用加熱至 800 °C 的單獨硫發生器來預熱氣體。 創建了 280 分鐘的還原程序（實驗 A），在 1100 °C 下有 40 分鐘的等溫期，如圖 5 所示。此外，還對三個較短的程序（實驗 B–D）進行了修改，以模擬 BF 過程中的不同還原階段。整個實驗 A-D 中的設定氣體成分如圖 5 所示，實驗 A 是時間的函數。實驗期間基于氣體成分的還原條件以 Fe-O-CO-CO2 相圖的形式呈現，通常稱為 Bauer-Glaessner 圖，如圖 6 所示。實驗 E 使用了實驗 B 的程序，而實驗 F 使用了實驗 A 的程序。也就是說，參考球團使用了 40 分鐘等溫線，而參考球團未使用。這樣做是為了比較球團的還原行為。

 

圖 5. 在使用 40 分鐘等溫線的不間斷還原實驗（實驗 A）中，N2、CO 和 CO2 氣體的程序濃度。短時間運行（實驗 B-D）的加熱終點以虛線表示。

 

圖 6. Bauer-Glaessner 圖顯示了氧化鐵、溫度和氣體成分之間的平衡。 粗線代表實驗 A-D 期間的還原條件。

測量團塊的尺寸，并分別在有和沒有樣品籃的情況下對團塊進行稱重。 煤塊與連接至 BFS 計算機系統的熱電偶接觸。 將樣品籃放置在還原管內，并掛在一個與熱重分析儀（TGA）相連的鉤子上，以便在實驗過程中連續測量煤球樣品的重量。通過使用計算機程序中的刻度工具來檢測樣品籃是否可能傾斜于縮徑管壁，從而提高了測量精度。 一旦樣品籃處于合適的位置，就蓋住蓋子的開口，并將蓋子連接到管子上。

打開加熱功能，開始還原實驗。在實驗過程中用相機觀察煤球，最初每隔 100 °C 拍攝一次圖像，溫度超過 700 °C 后，每隔 50 °C 拍攝一次圖像。每次還原實驗結束后，利用管蓋上的接口用 N2 氣體冷卻樣品 20 分鐘。

2.7. 還原和膨脹計算
無碳鐵礦球團的還原度（RD）是根據 ISO 7215 標準計算得出的，但由于煤氣化造成的誤差，煤球沒有使用該計算方法。RD 的計算公式如下：

其中 Rfinal 是以質量百分比表示的最終還原度； m0——是還原前試件的質量； Δm為還原后試件的質量損失； w1 是測試前試件的氧化鐵 (II) 含量 (重量.-%)，根據 ISO 9035 測定，由氧化鐵 (II) 含量乘以氧化物換算系數 FeO/Fe (II) = 1.286 計算得出；w2 是測試前試件的總鐵含量。

根據實驗前后外部尺寸的測量值計算體積的變化，可以觀察到壓塊的膨脹行為。沒有研究球團的膨脹情況。膨脹指數（%）的計算方法如下：

其中 ΔVbriq。 為膨脹率，以體積百分比表示，A0 是還原前圓柱形團塊樣品端部的表面積，A1 為還原后圓柱形壓塊樣品端部的表面積；h0 為還原前壓塊的高度；h1 為還原后壓塊的高度。

2.8. 礦物學表征
使用光學顯微鏡（LOM）和發射掃描電子顯微鏡（FESEM）來研究還原實驗期間團塊樣品中發生的相變。 此外，還使用了能量色散X射線光譜（EDS）元素分析儀。 所有五個樣品（其中四個在 BFS 中進行了測試，一個是未加工的）都被干切成小塊，用環氧樹脂進行處理，并進行拋光，以獲得合適的拋光切片。樣品上涂有鉑金，用于 FESEM，以檢測可能受碳涂層影響的實際碳含量。