1. 簡(jiǎn)介
鋼鐵工業(yè)被認(rèn)為是工業(yè)化的支柱。從傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，粉礦通過(guò)燒結(jié)和/或球團(tuán)化工藝處理，以制備具有冶金特性，適用于煉鐵工藝的的球團(tuán)。[1] 將燒結(jié)礦與球團(tuán)礦進(jìn)行了比較，明確說(shuō)明了使用球團(tuán)礦的各種環(huán)境和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。為了增加豎井中的氣體滲透性，提高直接還原過(guò)程效率，與塊礦相比，球團(tuán)礦是更優(yōu)的選擇。

在裝料前的運(yùn)輸、處理或篩選過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生顆粒粉料。已有研究表明，到 2020 年，全世界將產(chǎn)生約 2400 萬(wàn)噸顆粒粉料。而利用這些顆粒粉料可提高資源效率，保護(hù)自然資源。一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生的細(xì)粉尺寸小于 8mm，鐵含量超過(guò) 65wt％。除了保存這些顆粒粉料外，還需要在裝入爐之前，將其聚結(jié)成團(tuán)塊或顆粒的形式。“團(tuán)聚”的主要原因之一是保持尺寸，有助于氣體高速率均勻地流過(guò)物料。高流速下，細(xì)粉物料會(huì)形成一個(gè)不可滲透的床層，并且容易被帶走。因此，為了增強(qiáng)滲透性，防止物料作為粉塵從爐子中吹出，人們采用了各種“團(tuán)聚”方法，其中最常用的是燒結(jié)、造粒和壓塊。壓塊是使用振動(dòng)壓機(jī)、活塞壓機(jī)、擠壓機(jī)或輥壓機(jī)將細(xì)粉壓實(shí)成規(guī)則形狀塊的過(guò)程。與燒結(jié)工藝相比，通過(guò)球團(tuán)化或壓塊法制備細(xì)礦石，氣體排放量降低。而造粒工藝是微米級(jí)的極細(xì)顆粒團(tuán)聚的第一選擇。因此，對(duì)于較粗的顆粒，壓塊是最佳團(tuán)聚工藝。此外，粘合劑類(lèi)型、粘合劑劑量、壓實(shí)壓力、混合、表面特性和原材料尺寸分布等變量均會(huì)影響球團(tuán)的最終質(zhì)量。

如今，鐵礦石球團(tuán)礦粉在燒結(jié)過(guò)程中被用作燒結(jié)混合物的一部分，以生產(chǎn)用于高爐的燒結(jié)礦。在不再進(jìn)行燒結(jié)的北歐國(guó)家（例如，瑞典和芬蘭），顆粒粉料被回收到高爐中，與其他鋼廠(chǎng)殘?jiān)旌?，并使用振?dòng)壓球機(jī)壓制成六角形球團(tuán)。然而，主要問(wèn)題出現(xiàn)了，因?yàn)檫@兩種用途不適用于氫基直接還原工藝，逐漸在被淘汰。

每生產(chǎn)一噸粗鋼會(huì)產(chǎn)生大約 500 公斤的廢物（固體副產(chǎn)品，例如爐渣）。顆粒粉料壓塊過(guò)程中，用有機(jī)粘合劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)上使用的無(wú)機(jī)粘合劑將減少最終產(chǎn)品中的脈石成分（如氧化鋁、二氧化硅和鈣）含量，其含量應(yīng)限制在 2 wt.% 以下。此外，盡管球團(tuán)強(qiáng)度有所降低，但有機(jī)粘合劑的加入會(huì)產(chǎn)生更好的還原性。有機(jī)粘合劑的使用有助于縮短擴(kuò)散路徑，從而同時(shí)在材料中引入更多的還原位點(diǎn)。但需要注意，盡量不要單獨(dú)使用有機(jī)粘合劑，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟邷叵戮哂懈叻纸饴?。因此，要得到只?huì)因磨損而造成材料衰減的球團(tuán)，最合理方法是使用有機(jī)和無(wú)機(jī)粘合劑組合的混合物。

第一部分分析使用有機(jī)和無(wú)機(jī)粘合劑團(tuán)聚顆粒粉料的效果。因此，目前的工作主要為通過(guò)與有機(jī)粘合劑結(jié)塊，在不影響結(jié)塊的機(jī)械性能和還原性能的情況下，回收被忽視的球團(tuán)細(xì)粉用于煉鐵的效果。本研究還探討了氫氣還原的效果，以檢查所生產(chǎn)的球團(tuán)在還原前后是否達(dá)到預(yù)先要求的強(qiáng)度。此外，還測(cè)試了一種使用擠壓機(jī)提高球團(tuán)生產(chǎn)規(guī)模的方法，并對(duì)生產(chǎn)的球團(tuán)進(jìn)行了強(qiáng)度和壓縮試驗(yàn)。

2. 物料和方法
2.1. 物料和樣品制備
顆粒粉料以粉末形式提供，需要進(jìn)一步分析。根據(jù)水分含量和各種元素的化學(xué)成分，對(duì)所提供的顆粒粉料進(jìn)行了定性。通過(guò)回顧以往的研究工作和粘合劑開(kāi)發(fā)人員給出的建議，選擇了六種有機(jī)粘合劑（見(jiàn)表 1）和一種無(wú)機(jī)粘合劑（三水硅酸鈉，Na2SiO3·3H2O）進(jìn)行進(jìn)一步分析和測(cè)試。首先，應(yīng)對(duì)粘合劑進(jìn)行篩選，在選定的結(jié)合劑中選擇效果最好的粘合劑。

表 1. 選定的粘合劑

在所有涉及粉末材料的實(shí)驗(yàn)研究工作中，樣品制備對(duì)于獲得一致的混合物至關(guān)重要。在這項(xiàng)工作中，需要在提供的顆粒粉料中選擇具有代表性的樣品進(jìn)行進(jìn)一步分析。使用Eirich 強(qiáng)力混合機(jī)，用于在物料多且難以手動(dòng)混合樣品時(shí)獲得均勻混合物。對(duì)鐵礦石球團(tuán)礦粉和制備的球團(tuán)進(jìn)行了化學(xué)和物理表征，如以下小節(jié)所述。

2.1.1. 化學(xué)和物相分析
使用 X 射線(xiàn)熒光 (XRF) 技術(shù)對(duì)所提供的去一球團(tuán)粉料進(jìn)行化學(xué)分析，以了解所提供樣品中存在的各種元素的化學(xué)成分。為了檢查球團(tuán)的排放，使用 LECO CS230 分析檢查了球團(tuán)中的碳和硫含量。使用 X 射線(xiàn)衍射儀 (XRD) 進(jìn)行相位分析。Panalytical Empyrean XRD（Malvern Panalytical B.V.，Almelo，荷蘭）采用θ-θ 幾何形狀，Cu Kα 輻射（λ = 0.154184 nm），射束電流40 mA，射束電壓45 mV，來(lái)確定相位隨還原程度的變化。

2.1.2. 粒度分布
粒度在很大程度上影響著最終材料的表面積、壓實(shí)度和機(jī)械性能。較細(xì)顆粒的程度影響成品球團(tuán)的致密化程度。在 [11] 的實(shí)驗(yàn)中，還證明了在壓塊過(guò)程中使用較大粒度級(jí)（>5 毫米）的原料時(shí)，會(huì)對(duì)球團(tuán)的穩(wěn)定性和均勻性造成不利影響。因此，為了全面了解樣品的尺寸范圍，在這項(xiàng)工作中采用了機(jī)械篩分機(jī)（Retsch AS200 basic）來(lái)確定粒徑分布。為了確定尺寸范圍，將不同尺寸的篩子（0.063、0.25、0.5、1、2、2.8、4、5.6、7.1、10 和 11.2 毫米）按遞增順序堆疊，從下到上，并給與適當(dāng)?shù)膿u動(dòng)時(shí)間（5-10 分鐘）以確保粉末狀樣品材料的適當(dāng)沉降。

2.1.3. 水分含量分析
所制備的球團(tuán)的可加工性和強(qiáng)度在很大程度上取決于其中的水分含量，因此，需要確定所有樣品和粘合劑中的初始水分含量，以便與生產(chǎn)的煤球中的總水分含量相加。根據(jù) [15] 進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，樣品中存在的初始水分含量會(huì)影響收縮性能，進(jìn)而影響最終產(chǎn)品的強(qiáng)度。每種材料中所有單獨(dú)的水分含量都是通過(guò)精確稱(chēng)重并將其裝入到帶有鹵素加熱裝置的梅特勒-托利多水分分析儀（梅特勒-托利多實(shí)驗(yàn)室和稱(chēng)重技術(shù)公司，瑞士格萊芬塞）來(lái)確定的。

2.2. 壓塊和測(cè)試
在這項(xiàng)研究中，使用液壓活塞壓力機(jī)（Herzog，HERZOG Maschinenfabrik GmbH & Co. KG，Osnabrück，Germany）生產(chǎn)圓柱形煤球。每次都將相同重量（約20 克）的物料裝入模具（直徑 = 20 毫米）。在不同的壓實(shí)水平 (50–200 kN) 下進(jìn)行壓塊，以研究壓力對(duì)壓塊強(qiáng)度的影響。此后，使用液壓壓縮試驗(yàn)機(jī)（ENERPAC Applied Power GmbH，德國(guó)杜塞爾多夫）對(duì)每個(gè)煤球進(jìn)行測(cè)試，得到其冷壓強(qiáng)度 (CCS) 和劈裂拉伸強(qiáng)度 (STS)。為了測(cè)量球團(tuán)的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，將它們放置在指定的金屬底座上，并使用移動(dòng)探頭以大約 20 毫米/分鐘的速度進(jìn)行壓縮。隨著球團(tuán)上負(fù)載的增加，壓縮試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄相應(yīng)的壓縮力值，單位為牛頓 (N)。在測(cè)試CCS時(shí)，縱向?qū)η驁F(tuán)進(jìn)行壓縮，在測(cè)試STS時(shí)，徑向?qū)γ總€(gè)球團(tuán)進(jìn)行壓縮。測(cè)試是根據(jù) ISO 4700:2007 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的。為了獲得可靠的強(qiáng)度值，CCS 和 STS 測(cè)量測(cè)試了三個(gè)球團(tuán)，然后取平均值。每次壓實(shí)不同的配料后，都要收集分解的球團(tuán)并測(cè)試水分含量以供進(jìn)一步分析。

2.3. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) (DoE) 是在進(jìn)行需要考慮和優(yōu)化多個(gè)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的一種方法。反過(guò)來(lái)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究涉及許多參數(shù)，有必要確定它們對(duì)強(qiáng)度的影響。使用 Sartorius Stedim Data Analytics AB（Sartorius Lab Instruments GmbH & Co. KG，德國(guó)哥廷根）的程序 MODDE 13。為了設(shè)置 DOE，我們首先確定工藝的因素、反應(yīng)和限制。影響參數(shù)是粘合劑百分比、壓實(shí)壓力和水分含量。此后，輸入感興趣的參數(shù)，并輸入它們各自的要求，以獲得最佳點(diǎn)等值線(xiàn)圖。最佳點(diǎn)是圖中滿(mǎn)足所有必需標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域。因此，DoE 分析給出了生產(chǎn)具有最大抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度的球團(tuán)的最佳條件。主要縮寫(xiě)之一是使用 S.S 代替硅酸鈉。整個(gè)工作中使用的其他縮寫(xiě)見(jiàn)表 2 所示。

表 2. 縮寫(xiě)和定義

2.4. 球團(tuán)的還原
使用 Netzsch STA 409 儀器（Erich NETZSCH GmbH & Co. Holding KG, Selb, Germany）利用熱重分析 (TGA) 監(jiān)測(cè)還原進(jìn)程。以 20 °C/min 的恒定速率加熱直至溫度達(dá)到 950 °C，通過(guò)監(jiān)測(cè)樣品的重量變化來(lái)確定球團(tuán)穩(wěn)定性和揮發(fā)性成分的含量。實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，直到達(dá)到要求的還原程度（25%、50%、75%或100%）。將氫氣作為還原氣體，選擇100毫升/分鐘的流速進(jìn)行分析。還進(jìn)行了間斷還原試驗(yàn)，以檢查不同還原程度下質(zhì)量損失百分比的變化和強(qiáng)度的變化。此后，根據(jù)之前的研究工作 [12] 所建議的抗壓強(qiáng)度，即 15–20 kg/cm2，對(duì)還原后樣品的強(qiáng)度測(cè)試進(jìn)行交叉檢查。

2.5. 擴(kuò)大規(guī)模
當(dāng)涉及到工業(yè)試驗(yàn)時(shí)，擴(kuò)大規(guī)模是有意義的，需要擴(kuò)大工作規(guī)模，來(lái)確認(rèn)在大規(guī)模試驗(yàn)中也可以獲得具有同樣可能性的結(jié)果。在這項(xiàng)工作中，使用 20 mm鋼模擠壓顆粒的擠壓機(jī)（Mod. DEX-80，Tallers Felipe Verdés，西班牙巴塞羅那）大規(guī)模生產(chǎn)球團(tuán)。通過(guò)使用擠出機(jī)，可以用較低的壓實(shí)壓力生產(chǎn)出產(chǎn)量更高的球團(tuán)。由于球團(tuán)在擠壓過(guò)程中極易破裂，所以選擇了由具有最佳生壓強(qiáng)度的粘合劑制成的配方用于擠壓。然后測(cè)試配方的壓縮和劈裂拉伸強(qiáng)度，以便與手動(dòng)強(qiáng)壓壓塊進(jìn)行比較。擠壓型煤的跌落試驗(yàn)和還原行為也在稍后階段進(jìn)行了分析。