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2023
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08
高爐螺旋壓球的適用性（3）
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來源：公司內部
4.討論
4.1. 質量損失和還原
結果表明，在還原實驗過程中，螺旋壓塊樣品發生了強烈的自還原反應。 螺旋壓塊含碳量最高，為 9.87 wt.-%，重量損失發生的速度比參考樣品快得多。參考樣品的碳含量為 8.28 wt.-%，球團不含碳。圖 9 所示的重量損失曲線重疊，可看出實驗的復現性良好。在 900 至 1050 °C 溫度之間的急劇失重階段之后，曲線迅速平緩下來。根據文獻記載，煤氣化或布杜爾反應（已被發現可控制還原率）發生在溫度高于 800 ° C 時，并產生 CO，從而提高壓塊的還原率。布杜爾反應見公式 (6)。
在Liu等人的一項研究中，研究了用煤直接還原鐵礦石，發現當磁鐵礦還原為方鐵礦時，還原率在 740 至 800 °C 之間較低，在 800 至 870 °C 之間較高。在螺旋壓塊的實驗中，最顯著的還原似乎是在溫度高于 900 °C 時開始的。在研究期間，重量損失幾乎完全停止，這表明樣品已完全反應。充分的還原性是優質高爐爐料的特性之一。
然而，如上所述，由于壓塊樣品中含有以焦炭形式存在的碳，因此無法對壓塊樣品進行還原性計算。煤氣化在實驗過程中造成了部分重量損失，實驗后樣品中仍然有碳殘留。顯微圖像證實了這一點。圖 12 中的光學顯微鏡圖像顯示了實驗 A-C 期間焦炭和鐵的區域如何隨著還原而變化。在原始樣品中，鐵礦石以金屬鐵滴的形式存在，同時也有不同程度還原的區域。在高溫下，大部分煤炭氣化，金屬鐵則以明顯的白點形式存在。實驗 D 中使用的壓塊樣品（即還原為磁鐵礦的樣品）獲取的圖像與從原始樣品獲取的圖像沒有太大區別，因此此處不顯示。
圖 12. (a) 未加工的螺旋壓塊樣品、(b) 實驗 C 后螺旋壓塊樣品、(c) 實驗 B 后螺旋壓塊樣品和 (d) 實驗A后螺旋壓塊樣品的光學顯微鏡 (LOM) 圖像（Fe0 = 金屬鐵，Fe3+ = 三價鐵，Fe2+ = 二價鐵，Si = 硅酸鹽相，P = 孔隙，C = 焦炭，E = 環氧樹脂）。
再次觀察圖 9 中的結果，可以發現，當溫度低于 400 °C 時，除實驗開始時的球團外，所有樣品都發生了重量損失。還原之前發生的重量損失可能部分是碳酸化反應的結果，這可能是由于使用了熟石灰或硅酸鈣石造成的。在反應過程中，氫鈣石 (Ca(OH)2) 和二氧化碳形成方解石 (CaCO3) 和水。根據文獻記載，硅鈣石大約在 450 至 550 °C 之間分解，方解石大約在 700 至 900 °C 之間分解。水化產物的結晶水在 100 至 1000 °C 之間逐漸消失，但團塊中硅酸鈣石的比例很小，因此這種情況下的反應不能解釋重量損失。在 Kemppainen 等人的一項研究中，X射線衍射（XRD）分析表明，在溫度低于 480 °C 時，硅酸鈣石從樣品中消失，碳酸鈣增加。計算得出的硅酸鈣石總分解可導致樣品相對重量損失約0.3%。碳化反應如式(7)所示。
這里未研究的揮發物可能是重量損失的原因之一。
4.2. 相變
使用 FESEM 和能量色散 X 射線光譜（EDS）元素分析儀對 LOM 的相觀察進行了評估。圖 13 所示的原始樣品以及在不間斷和間斷實驗中處理過的樣品的物相評估結果表明，還原反應的發生符合預期。
圖 13. 使用掃描電子顯微鏡（FESEM）圖像和能量色散 X 射線光譜 (EDS) 元素分析儀評估 (a) 原始壓塊樣品、(b) 實驗 D 后的壓塊樣品、(c) 實驗 C 后的壓塊樣品，以及 (d) 實驗 A 后的壓塊樣品。
原始樣品在所有還原階段都含有鐵，在原始樣品的顯微圖像中可以看到金屬鐵、方鐵礦和磁鐵礦。實驗 A 和 B 的樣品之間的差異非常小，可能僅與煤的量有關。值得注意的是，碳是一種很輕的元素，EDS 可能無法準確識別其含量。根據分析，碳仍然存在于鍍鉑的樣品中。原始樣品以及實驗 C 和 D 樣品的 FESEM 圖像中清晰可見的焦炭區域在經過從方鐵礦還原為金屬鐵的步驟后消失了。實驗 A 的樣品圖像顯示了金屬鐵和硅酸鈣相，即鐵 (Fe)、方鎂石 (MgO)、石灰 (CaO) 和鈣鎂石 (Ca2SiO4)。 實驗C的樣品中仍然可檢測到的碳酸鈣已在840℃的熱分解過程中消失，釋放出二氧化碳氣體和氧化鈣，見公式（8）。
4.3. 膨脹和開裂
螺旋壓塊的膨脹非常輕微。在不間斷實驗中，樣品體積的變化分別為 5.8% 和 10.7%，而在間斷實驗中幾乎沒有變化。由于膨脹量很小，無法完全估計其發生時間。不過，膨脹率為 23.7% 的參考團塊在從方鐵礦還原為鐵的過程中，僅在 1000 °C 左右的溫度下才開始出現明顯膨脹。
據文獻記載，在極端情況下災難性膨脹可能會導致體積增加300%以上。如果在還原過程的這一階段形成了通常被稱為鐵須的纖維狀形態（球團的特征），就有可能出現這種情況。然而，當包含單個球團細顆粒的還原鐵顆粒彼此分離時，水泥粘結團塊更有可能發生膨脹。值得注意的是，沒有 1100°C 40 分鐘等溫線的團塊似乎比有 1100°C 等溫線的團塊膨脹得更多。部分原因可能是由于測量不準確造成的，但也與 Mohanty 等人對硬質擠壓煤球的研究一致。他們觀察到在 1000 °C 時膨脹指數為 19%，但隨著溫度的升高，膨脹指數急劇下降，在1400℃時，僅為4%。他們得出的結論是，這種現象是由于鐵顆粒燒結，限制了導致膨脹的纖維的生長。
就高爐運行而言，壓塊如此輕微的膨脹不會造成任何影響。相反，值得注意的是，在預計會發生膨脹的溫度下，也觀察到了裂紋。在實驗 B 中，相機在溫度剛剛超過 1000 °C 時檢測到煤球上出現裂紋。隨著溫度升高至 1100 °C 或在等溫期間，裂紋似乎并未擴大或增加。在還原實驗后，該團塊還經受住了處理而沒有降解。另一方面，膨脹但未完全縮小的參考壓塊在實驗過程中也未開裂。
根據冷強度試驗和BFS實驗，螺旋壓塊的結構相當堅固。值得注意的是，水泥相的分解并沒有導致壓塊的降解。Kemppainen 等人在對沖模壓塊的研究中得出結論，Ca(OH)2 首先相變為 CaCO3，然后相變為 Ca2Fe2O5，可能會在還原發生時通過用鐵原子強化結構來影響這種行為。為了更準確地評估機械強度是否足夠高爐使用，應通過模擬高爐鐵料在還原過程中對壓塊的影響來進一步研究還原軟化行為。此外，還可對樣品進行動態低溫崩解（LTD）測試。該實驗可用于評估高爐豎井上部發生的反應期間團聚體生成細粉的傾向。當樣本量至少為 500 g 時，即可進行該測試。
4.4. 化學成分的影響
由于螺旋壓塊成分復雜，未對其進行化學分析。計算了螺旋壓制團塊的總成分。表6列出了所研究的壓塊和參考樣品的成分，以進行比較。
表 6. 所用樣品的化學成分比較
| 樣品 | Fetot | SiO2 | CaO | MgO | Al2O3 | Zn | H2O | C | 堿性 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 螺旋壓塊 | 56.3 | 2.05 | 3.65 | 3.9 | 0.88 | 0.17 | 0.60 | 9.87 | 1.78 |
| 參考壓塊 | 48.4 | 8.1 | 11.1 | 2.1 | 2.4 | 0.01 | ~7.5 | 8.28 | 1.37 |
| 參考球團 | 66.7 | 1.85 | 0.43 | 1.3 | 0.32 | <0.003 | 1.5 | - | 0.23 |
從表6可以看出，螺旋壓塊的鐵含量沒有達到球團水平，但高于參考球團。而且，螺旋壓塊含碳量最多。參考壓塊中爐渣成分 CaO、SiO2、Al2O3 和 MgO 的量或脈石含量平均較高。在螺旋壓塊中，除了添加的熟石灰外，這些成分均來自高爐污泥。螺旋壓塊的 CaO/SiO2 比率或堿度較高。然而，參考團塊仍然含有明顯更多的 CaO、SiO2 和 Al2O3。研究發現，膨脹率隨著上述四種成渣氧化物的增加而增加。根據表6所示內容，計算得出螺旋壓塊的B2堿度（CaO/SiO2比）為1.78，與典型爐料相比相當高。
螺旋壓塊含有鋅，而參考樣品的鋅含量微不足道。BF污泥的鋅含量可能很高，但這次僅為0.43%，因此壓塊的鋅含量為0.17%。在使用高爐之前，可能沒有必要從團塊中除去如此少量的鋅。目前，BF 允許的鋅負載量為 150 g/tHM，更高的濃度可能不利于 BF 的使用。Lundkvist 等人使用了一種新型 OXYFINES 技術來提升含鋅堿性燃料污泥，使其能夠循環利用。他們指出，較高的溫度和較低的氧化電位可促進鋅的蒸發。高爐污泥中的煤含量可用于提高氧化程度，進一步提高反應區的氧勢。等式（9）所示的元素鋅蒸氣形成受到氧勢增加的負面影響。因此，優化氧化是有益的。
螺旋壓塊中使用的粘合劑的成分似乎是無機和有機材料的組合。有機粘合劑在高溫（>400°C）下容易分解，導致壓塊降解，但不會像無機粘合劑那樣對鐵礦石品位產生副作用。使用磨碎的高爐礦渣作為粘合劑（即無機粘合劑）的參考壓塊沒有破裂。其次，它的還原效率不如螺旋壓制煤塊。在未來的研究中，應該研究不同的配方，以評估每種副產品對壓塊機械性能的影響，這也將有助于粘合劑的選擇。
5. 結論
進行了模擬實際高爐條件的實驗室測試，以評估基于副產品的螺旋壓塊對于高爐使用的適用性。在 N2-CO-CO2 氣氛中進行不間斷和間斷實驗，以研究還原條件下發生的相變。除了還原之外，壓塊的膨脹和開裂行為也是研究的重點。根據BFS實驗，可以得出以下結論：
• 與參考樣品相比，采用真空螺旋壓制技術制成的高爐污泥副產品壓塊在 780–1100 °C 溫度下快速失重，具有很強的自還原效果。這種現象很可能是由型煤中所含的煤炭引起的。 就高爐生產率而言，這是一個特別好的功能。
• 在不間斷的還原實驗中，觀察到輕微的膨脹行為，當方鐵礦被還原為金屬鐵時，團塊的體積增加了 5-11%。如此小的體積增加不會對高爐運行造成影響。
• 在溫度高于 1000 °C 時，觀察到壓塊出現裂紋，但壓塊在還原實驗后仍可處理，不會發生降解，耐久性很好，避免在制磚過程中產生細粉。
• 壓塊的化學成分似乎在還原性和強度特性之間取得了良好的平衡，因此還可以進一步研究新的副產品壓塊配方。
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