基于高炉炼铁用炉渣的压块的还原、软化及熔化特性

《steel research international》：Reduction, Softening, and Melting Characteristics of Mill Scale-Based Briquettes for Blast Furnace Ironmaking

本研究评估了钢渣压块在模拟高炉条件下的冷热性能，重点分析其还原、软化及熔化行为。结果表明，压块在800℃以下因水分蒸发和粘结剂分解导致质量损失，高温下还原程度达47%，软化起始温度1025℃，熔化起始温度1225℃，气体渗透性优于酸熔球。结论指出压块可作为酸熔球替代品，促进废料回收与碳减排。

　　### 毫米尺度基于的结块材料的冷和高温性能分析

在当今全球钢铁工业的背景下，传统高品位铁矿石资源的化学和物理性质已经显著下降，这使得寻找替代材料成为行业关注的重点。在钢铁生产过程中，会生成大量固态副产品，其中铁和碳含量较高的材料尤为突出。这些副产品如果能有效回收利用，不仅可以减少对原矿石的依赖，还能显著降低生产成本，同时减轻对环境的影响。因此，探索这些固废材料的再利用方式成为推动钢铁行业可持续发展的关键课题。

#### 毫米尺度的特性与再利用潜力

毫米尺度是一种常见的铁质废料，通常由钢水在连续铸造和热轧过程中暴露于氧化气氛中的热梯度形成，表面层中存在不同程度的氧化。尽管其铁含量通常在70%至75%之间，但其主要由小于5毫米的细颗粒组成，这在一定程度上限制了其在还原反应器中的直接应用。然而，近年来通过结块技术的改进，如结合有机和无机粘结剂，提高了这类材料的机械和冶金性能，使其在工业中具有应用潜力。此外，结块工艺避免了传统烧结和球团生产中需要高温处理（>1300°C）以实现硬化的步骤，从而减少了化石燃料的使用，为钢铁行业的脱碳努力提供了支持。

#### 实验设计与方法

为了全面评估毫米尺度基结块材料的性能，本研究采用了一系列实验方法，包括冷强度测试、热冲击测试、非等温还原实验以及软化和熔化行为测试。这些实验模拟了结块材料在高炉中的实际应用环境，从材料的冷强度到高温下的物理和化学变化，都进行了系统性的分析。

冷强度测试采用标准的JIS M 8711方法，评估了材料在运输、处理和装炉过程中的抗机械破坏能力。实验结果显示，毫米尺度基结块材料的冷强度指标（89.04%）处于工业可接受范围内，与传统铁矿石和酸性球团相比略低，但考虑到其冷结特性，这种强度表现依然具有实际应用价值。热冲击测试则通过ISO 8371标准评估了材料在快速加热过程中的退化倾向，结果表明其退化指数非常低（1.07%），显示出良好的热稳定性。

在非等温还原实验中，通过控制温度梯度和还原气氛（如N?–CO–CO?混合气体），研究了结块材料在不同温度下的质量损失、反应比例和还原度。实验结果表明，材料在800°C以下的质量损失主要由水分蒸发和有机粘结剂的挥发引起，而在800°C以上，无机粘结剂的分解和铁氧化物的还原成为主导因素。结合X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析，研究人员能够跟踪还原过程中的相变情况，发现其在1100°C时的反应比例和还原度较低，这与材料中高含量的氧化亚铁（wüstite）及其缓慢的还原动力学有关。

#### 软化与熔化行为分析

软化和熔化行为是评估结块材料在高炉中表现的重要指标。本研究通过实验设备模拟了高炉内的热和气流条件，评估了结块材料在不同温度下的床层收缩、压力降和还原度变化。结果显示，结块材料的软化开始温度（T??%）约为1025°C，软化结束温度（T??%）为1195°C，熔化开始温度（T?）为1225°C，熔化结束温度（T?）为1380°C。这一软化和熔化区间与传统铁矿石和酸性球团相比更为中间，但熔化区间相对较宽，表明其在高温下的行为具有一定的灵活性。

值得注意的是，结块材料在软化和熔化过程中表现出的气体渗透性优于酸性球团，且接近烧结材料。这一特性对于高炉中的气流分布和炉内压力管理具有重要意义。此外，结块材料在软化阶段表现出的气体渗透性（S值）为358 kPa·°C，显著低于酸性球团（589 kPa·°C）和烧结材料（434 kPa·°C），但高于铁矿石（139 kPa·°C）。这表明，尽管结块材料在软化阶段的气体渗透性不如烧结材料，但在熔化阶段其表现优于酸性球团，从而为高炉操作提供了潜在的优势。

#### 还原行为的分阶段机制

在还原过程中，结块材料表现出一种三阶段的还原机制。第一阶段（R1）主要由气固反应主导，还原度随着温度升高而增加。第二阶段（R2）则表现出显著的还原迟滞现象，这是由于液态炉渣渗透到结块材料的孔隙网络中，导致气流扩散路径受阻。第三阶段（R3）是还原度急剧上升的阶段，主要由炉渣的释放和快速还原过程驱动。

实验结果表明，结块材料在R1阶段的还原度较低，仅约为35.6%，而在R2阶段的还原度约为11.4%，与传统材料相比稍低。然而，R3阶段的还原度高达53.0%，表明其在高温下的还原能力较强。这种三阶段的还原机制使得结块材料在高温下表现出较高的还原效率，同时其较低的还原迟滞可能有助于降低燃料消耗。

#### 与传统材料的对比

在与传统铁矿石、酸性球团和烧结材料的对比中，结块材料表现出独特的性能。在冷强度方面，其表现优于酸性球团，但低于铁矿石。在还原行为方面，结块材料的还原迟滞现象更为显著，这可能与其较高的碱性指数（B?=0.61）和较高的FeO含量有关。然而，其在高温下的气体渗透性优于酸性球团，表明其在高炉操作中具有一定的优势。

此外，结块材料的碳消耗量（130.4 kg/tHM?1）接近铁矿石（134.4 kg/tHM?1），但高于酸性球团和烧结材料。这一特性表明，结块材料在直接还原过程中具有较高的碳利用效率，这可能与其在高温下较高的还原度和较低的还原迟滞有关。

#### 应用前景与挑战

从实际应用角度来看，结块材料的冷强度和高温性能表明其可以在高炉中作为铁质负担的一部分使用。特别是在巴西等采用木炭高炉的地区，结块材料的低冷强度要求并不成为障碍，其在软化和熔化阶段的气体渗透性也使其成为一种更环保的替代材料。然而，结块材料在高温下的还原迟滞现象仍需进一步优化，以提高其在高炉中的还原效率和降低燃料消耗。

尽管结块材料在软化和熔化过程中表现出一定的气体渗透性，但其在高炉中的行为仍需进一步研究，特别是在与烧结材料、球团和铁矿石混合使用时。这将有助于确定最佳的充装策略，从而避免对高炉中凝聚区位置和整体还原效率的潜在影响。通过进一步优化结块材料的粘结剂比例和粒度分布，可以提高其在高温下的还原性能，使其在钢铁生产中发挥更大的作用。

#### 结论

综上所述，基于毫米尺度的结块材料在冷强度、还原行为和高温性能方面均表现出良好的特性。其在高温下的软化和熔化区间与传统材料相比更为中间，但气体渗透性较高，使其成为一种有潜力的替代材料。尽管其在高温下表现出一定的还原迟滞，但通过优化粘结剂和粒度分布，可以进一步提高其在高炉中的应用效果。未来的研究应关注结块材料在混合负担中的表现，以验证其在实际操作中的可行性，并推动其在钢铁行业中的广泛应用。