碱金属盐对赤铁矿球团渗碳效率的影响

吴飞豹，陈栋，苏一璠，刘少强，胡鑫

(苏州大学沙钢钢铁学院， 江苏 苏州 215021)

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摘 要 

赤铁矿是一种制备碳化铁的优质含铁原料，但是目前存在渗碳效率低下的问题。为了提高赤铁矿的渗碳效率，在赤铁矿中加入碱金属盐，并借助X射线衍射(XRD)、高频红外碳硫分析仪和扫描电子显微镜等揭示碱金属盐在赤铁矿球团渗碳过程中的作用机理。结果表明，碱金属盐(Na2CO3)能够促使致密的赤铁矿颗粒转变为疏松多孔的铁矿物颗粒，强化铁矿物的晶格畸变，提高 CO在金属铁和碳化铁表面的吸附和分解能力，从而改善赤铁矿球团还原和渗碳效率；此外，预热处理是一种十分有效的强化Na2CO3添加剂作用的方法，不仅可以强化铁矿物的晶格畸变，还可以增强Na+离子的强化作用，显著提高赤铁矿球团的渗碳效率。当赤铁矿球团添加了质量分数为3%的Na2CO3并在1 000 ℃预热15 min后，球团的渗碳指数从 13.23升高到28.99。研究结果可为提高赤铁矿的渗碳效率提供参考。

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关 键 词 

赤铁矿；碳化铁；渗碳；碳酸钠；预热处理

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引 言 

随着中国国民经济的快速发展，CO2等温室气体排放量屡创新高。据统计，2021年中国CO2排放总量超过119亿t，约占全球总量的33%。钢铁行业是中国能源消耗和CO2排放的主要行业之一，碳排放量占全国总排放量的15%以上，仅次于电力行业。可见，钢铁行业的低碳转型对于中国实现“碳达峰”“碳中和”目标具有至关重要的作用。

目前，中国钢铁行业中“高炉-转炉”长流程工艺结构占主导地位，生产每吨粗钢的碳排放量约为1.8 t。与长流程相比，电炉短流程炼钢生产每吨粗钢的碳排放量仅为0.6 t，可见短流程炼钢对于中国实现“碳达峰”“碳中和”目标具有重要意义。此外，随着中国钢铁工业的结构调整、转型升级和高质量发展，电炉炼钢将进入快速发展期。随着电炉钢比例的大幅增加，直接还原铁作为废钢替代品和生产优特钢不可或缺的原料将有巨大的需求。

碳化铁(Fe3C)作为直接还原铁的一种，具有不自燃、二次氧化不敏感、氧化铁含量低、电炉冶炼过程中可快速形成泡沫渣及碳含量高可大幅降低电炉电耗等优点，是一种优质的电炉炼钢原料。鉴于碳化铁的优良性能，国内外学者对其制备方法进行了大量研究，其中铁矿石与渗碳气体反应法是制备电炉炼钢用碳化铁最有效的方法。Shoji H等利用H2-CH4和H2-CO等混合气体成功制备出碳化铁，但是由于渗碳温度低导致铁矿石的渗碳效率低下。Kouda T等发现提高反应压力可加快铁矿石的还原、析碳和渗碳速度，随着压力的增加，铁矿石的还原度、金属化率、碳化率和游离碳含量均有所增加，但渗碳效率仍然低下。LI Guang-qiang等发现V2O3可以加速氧化铁的还原和金属铁的碳化，有效强化铁矿石的渗碳效率。然而，经过上述方法强化后，铁矿石的渗碳仍然存在着效率低下的问题。

研究表明，在CO-CO2-H2气氛中，铁矿石的渗碳过程首先是铁氧化物被还原成金属铁，然后是金属铁经渗碳反应生成碳化铁。Iguchi Y等的研究发现金属铁的渗碳反应受CO在金属铁表面的吸附和分解控制。李永利等的研究结果显示碱金属盐可以改善铁矿石结构，使其变得疏松多孔，增加铁矿石与还原气体的接触面积，从而加快还原反应的进行。Ribeiro M C等的研究表明，碱金属盐可以加快CO在金属铁表面的吸附和分解，从而促进金属铁的渗碳反应。可见，如果在铁矿石中添加碱金属盐，则其渗碳过程的还原反应和渗碳反应均有望得到强化。但是，目前碱金属盐对铁矿石渗碳的作用机理尚不明确。为此，本文以赤铁矿为原料，研究碱金属盐对赤铁矿渗碳的作用机理，以期提高赤铁矿的渗碳效率。

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精 选 图 表 

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结  论 

1)Na2CO3是一种强化赤铁矿渗碳效率的有效添加剂。Na2CO3可以促使致密的赤铁矿颗粒转变为疏松多孔的颗粒，这增大了球团的比表面积，强化了还原反应和渗碳反应，从而有效提高赤铁矿球团的渗碳效率。此外，在渗碳过程中，Na+离子可促使碳化铁晶格发生畸变，促进渗碳反应的进行。

2)预热处理是一种强化Na2CO3添加剂的有效方法。一方面，预热处理可改善Na2CO3在球团中的分布，强化渗碳过程中Na+离子促进CO在铁矿物表面的吸附和分解作用；另一方面，预热处理可促使铁矿物产生晶格畸变，不仅加速碳原子在铁晶格中的扩散，而且减少游离碳的产生，从而提高渗碳效率。

3)预热处理和Na2CO3添加剂可协同提高赤铁矿球团的渗碳效率。预热处理可有效增强Na+离子的强化作用；当赤铁矿球团添加了3%Na2CO3添加剂并经1 000 ℃预热15 min时，渗碳球团的渗碳指数由13.23增大到28.99。