高强度生物质含碳球团制备及性能优化
赵满祥1，刘嘉雯2，贾国利1，王广伟2，余晓波1
(1. 北京首钢股份有限公司迁顺技术中心， 北京 100041；2. 北京科技大学冶金与生态工程学院， 北京 100083)
炼铁原料劣化趋势难以改变，含碳球团为低碳冶炼提供了可能。将生物质作为清洁可再生零碳排放碳源、用于制备含碳球团还原剂成为钢铁企业节能降碳生产的发展趋势之一。目前限制含碳球团应用的关键因素是其高温强度较差，研究如何提高含碳球团高温强度具有重要意义。为此，采用大石河粉为含铁原料、生物质热解炭为还原剂，探究成型压力、水分添加量、焙烧制度及黏结剂种类对含碳球团的影响。结果表明，含碳球团强度随着成型压力和水分添加量增加均先升高后降低，以16 MPa成型压力和8%水分添加量为宜。随着还原温度升高，生物质含碳球团强度先降低后升高，由于在900~1 000 ℃温度区间发生晶格畸变，导致体积膨胀，强度最差；后期随着温度升高，金属铁逐渐汇聚成片，强度和金属化率均逐渐升高，1 200 ℃下金属化率可达84.84%。使用膨润土、水玻璃作为黏结剂时，常温强度较差，通过提高两者添加量可在一定程度上提升高温强度，但水玻璃含碱金属钠，不利于高炉顺行；使用标准水泥作为黏结剂时，常温和高温强度均较差，且生产效率较低；使用有机黏结剂CMC常温强度较高，但其在高温下易分解，球团高温强度较差；使用复合黏结剂可以同时获得常温和高温强度，可通过调节配加量满足不同炉窑对炉料的要求。
随着钢铁工业的不断发展，炼铁原料种类日趋丰富，含碳球团作为一种新型炼铁原料为金属化原料生产、含铁废弃物与复杂难选矿处理新工艺开发提供了多种可能。含碳球团是指由含铁原料配加煤粉或焦粉等含碳原料作为还原剂，再加上适量的黏结剂充分混匀后经造球或压球工艺制成球团或块状。国内外研究者围绕煤、焦等传统还原剂进行了大量的研究。面对日益严峻的资源和环境压力，作为一种清洁、可再生、储量大的资源，生物质也得到了一定程度的研究和应用。生物质炭应用于含碳球团的制备，既能够缓解焦炭资源紧缺的压力，又能减少二氧化碳的排放。目前，冶金工作者对含碳球团进行的研究主要集中在含碳球团的还原机理、还原速率以及还原反应动力学等方面，关于提高含碳球团高温强度的研究较少。含碳球团高温强度差成为限制其发展的关键因素，因此如何提高含碳球团在焙烧过程中的强度具有重要研究意义。含碳球团的制备是冶金工艺的重要组成部分，其不仅能够改善物料的冶金物理化学性质，还是实现工业固体废弃物资源化利用与循环经济的重要途径。制备生物质含碳球团不仅可以改善其燃烧或反应性能，而且可以降低污染物的形成与排放。目前限制含碳球团应用的关键因素是其高温强度，因此高强度含碳球团制备技术是实现节能、环保与利用废弃资源的重要途径。本研究探究了成型压力、水分添加量、焙烧制度及黏结剂种类对含碳球团强度的影响。
1)含碳球团强度随成型压力升高呈先升高后降低的趋势，16 MPa为适宜的成型压力。水分的添加量与含碳球团强度的变化关系与成型压力一致，水分过高会导致含碳球团难以脱模而使强度变差，因此选择8%的水分添加量为宜。2)随着还原温度的升高，生物质含碳球团强度呈现先降低后升高的趋势。900~1 000 ℃是强度最弱的温度区间，这是由于发生晶格畸变导致体积膨胀；后期随着温度逐渐升高，铁氧化物逐渐还原为金属铁并汇聚成片，体积逐渐收缩，含碳球团强度也逐渐升高。金属化率用来表示含碳球团还原程度，其随着还原温度和时间的增加均逐渐升高，1 200 ℃焙烧后金属化率可达到84.84%。3)在探究黏结剂对含碳球团强度影响时选择了5种黏结剂，整体来看单一种类黏结剂难以同时满足常温强度和高温强度要求。①膨润土为钢铁企业最常用的黏结剂，但单独使用膨润土时球团常温强度较差，在强度最弱温度区间900 ℃时，落下强度为2次，通过提高膨润土添加量可在一定程度上提高高温强度，但难以保证常温强度。②以水玻璃为黏结剂时，球团常温强度也很差，高温强度略低于使用膨润土时的球团，且水玻璃中含碱金属Na，对高炉稳定顺行不利。③使用标准水泥为黏结剂时，需要对含碳球团进行养护以提升其强度，时间成本较高，生产效率较低，且使用水泥时含碳球团常温和高温强度均较差。④使用有机黏结剂CMC时，生球和干球强度较高，仅次于复合黏结剂，但有机黏结剂高温易分解，因此高温强度较差。⑤使用复合黏结剂时，生球和干球落下强度分别为5次和18次，可以满足含碳球团在转运、干燥和装料过程中的强度要求。高温焙烧后，在强度最弱温度区间900 ℃落下强度为6次，对于转底炉等炉料在加热过程中近似保持静止状态的高温焙烧设备来说，已经可以满足炉窑对炉料强度的要求；若使用的高温焙烧设备如回转窑等需要炉料随炉窑翻滚前进，则可通过提高复合黏结剂添加量来调节入炉炉料强度。 
