韩学明 樊利民
13042619860225**** 13213219820614**** 河北省邯郸市 056400
摘要：在钢铁冶金过程中，会产生大量含有氧化铁、碳等冶金尘泥。将冶金尘泥制成含碳球团，通过转底炉直接减少金属化球团的产量。文章以高炉瓦斯灰和转炉污泥为原料，通过降低焙烧温度和焙烧时间对冶金尘泥的含碳球团进行还原实验，对球团中的孔隙分布、渣相结构和球团的抗压强度进行研究。
关键词：冶金尘泥；含碳球团；还原焙烧；抗压强度
1实验
1.1原料
实验中使用的冶金尘泥经SEA-2210A电感耦合等离子体原子发射光谱仪测试。转炉污泥中的总铁含量相对较高，并且含有大量的碱性氧化物。高炉瓦斯灰中TFe、C和SiO2都很高，但高炉瓦斯灰中的C可以用作主要的还原剂，直接还原氧化铁。在球团的金属化和还原过程中，氧化铁被C还原是主要反应，因此，球团中C和O的比率用于确定冶金尘泥中的高炉瓦斯灰[1]。根据实际生产经验，当球团的金属化率达到90％以上，还原氧化铁所需的含碳球团的碳含量。考虑到通过提高温度来改善还原条件，降低其他氧化物以及残留碳的存在。
1.2方法
按照设定的比例混合实验原料，然后加入0.3％的甲基纤维素和10％的水，并在TYE-500B手动压力测试仪中将其压成重约15g的生球，最大直径约为15mm，最厚的部分大约是8mm，是扁圆形的。将合格的生球放入干燥箱中，在120°C下干燥2小时，将其放入刚玉坩埚中，然后将其移至SK2-6-14碳硅棒电阻炉中焙烧[2]。将还原温度分别设置为1150°C、1220°C和1270°C，还原时间分别为30分钟、45分钟和60分钟。焙烧过程使用N2作为保护气氛。如图1
还原焙烧结束后，继续通过N2使炉温降至200°C以下时取出球团，使用FEIQuanta400场发射扫描电子显微镜和OxfordINCA200能量光谱仪分析球团的微观结构，并使用压力测试仪测量其抗压强度。
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图1实验装置示意图
2结果与分析
2.1还原焙烧温度对球团微观形貌及强度的影响
当含碳球团的摩尔比为1.0且还原和焙烧时间为45分钟时，在不同温度下还原和焙烧后，球团的内部微观形貌和相分布如图2所示。在1150℃下还原焙烧后的球团中金属铁相的数量少，并且金属铁相和炉渣等相分散分布，没有连接成片，相互之间存在大量残留碳。由于球团中的高价铁氧化物被还原为金属铁，因此大量球团中出现孔隙。
当还原焙烧温度提高到1220°C时，球团内部金属铁相显著增加，在局部区域形成连续的晶体结构，浮体和残留碳的量有所降低。据推测，少量的浮体和SiO2可以在高温下结合形成低熔点的Fe2SiO4，这使渣相熔化，部分填充球团内部的孔。
当还原煅烧温度提高到1270°C时，球团中会出现大量的金属铁相，这些金属铁相会聚集在很大的区域内以形成铁结合晶体，没有还原的褐铁矿被铁连晶包裹着，由于碳消耗和锌的挥发，大量的低熔点炉渣相填充了孔，使金属铁相、浮体和渣相紧密连接，球团内部孔径减小并均匀分布，此时，球团收缩并且内部结构更紧密。
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图2不同还原焙烧温度下球团的SEM照片
从图3中得知，还原焙烧温度在升高，球团样品的抗压强度在增强，与1150-1220℃相比，1220?1270℃对应球团抗压强度更大，特别是当还原焙烧时间为30min和45min时，这种变化趋势更显著[3]。当还原温度为1270℃时，球团中的金属铁相聚集成铁连晶，铁连晶间的孔隙被渣相填满，未还原的浮体也被铁连晶覆盖，铁相数量增加、铁连晶紧密和渣相填充孔隙是球团抗压强度提高的原因。
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图3还原焙烧温度对球团抗压强度的影响
2.2含碳球团配碳量对球团微观形貌及强度的影响
当还原焙烧温度为1220℃、焙烧时间为45min时，不同配碳量的含碳球团经还原焙烧后其内部微观形貌及相分布如图4所示。从图4（a）中可以看出，当球团C/O摩尔比为1.0时，球团内还原出的金属铁相数量较多且在整个球团内聚集成铁连晶，未完全还原的浮氏体、渣相与铁连晶紧密连接，球团残碳量少，渣相部分填充因碳消耗而产生的孔隙；随着球团C/O摩尔比的增加（图4（b）），经还原焙烧后的球团内部金属铁相明显减少，且渣相中未被还原的浮氏体和残碳量增多，同时出现较大孔洞；当球团C/O摩尔比增至1.3（图4（c）），经还原焙烧后，球团内部的金属铁相已经无法有效形成大片金属网络，同时因碳消耗而产生的孔隙非常大，大量残碳聚集在铁相与渣相间，破坏了金属铁晶粒之间的连接[4]。因此配碳量越大，残碳量和灰分就越多，铁连晶被分割成大小不一的片区分散于球团内部，同时球团内部孔洞增多并伴有裂纹产生。
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图4 不同配碳量条件下球团的SEM照片
球团配碳量对球团抗压强度的影响如图5所示。从图5中可以看出，所有还原球团样品的抗压强度均随其配碳量的增加而不断减小，这是因为球团C/O摩尔比越大，参与还原反应的碳量就越多，大量碳被消耗后造成球团内部孔隙增多，同时还原球团中的残碳和燃烧未尽的灰分阻碍了金属铁相的连晶，从而导致还原球团抗压强度降低。此外，球团配碳比变化对球团抗压强度的影响程度还与配碳比变化范围以及还原焙烧温度有关，当还原焙烧温度较高时，球团C/O摩尔比由1.0增至1.2对其抗压强度产生的影响较C/O摩尔比由1.2增至1.3时更加明显，而在较低还原焙烧温度下（1150℃），当球团C/O摩尔比由1.2增至1.3时，球团抗压强度的减小幅度较C/O摩尔比由1.0增至1.2时更大，不过球团配碳比因素对其抗压强度的影响程度仍低于还原焙烧温度因素[5]。
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图5 配碳量对球团抗压强度的影响
结语：还原焙烧过程中，随着焙烧温度的升高，冶金尘含碳球团中的金属铁相显著增加，通过金属铁相的大面积聚集形成的铁连晶，将未还原的浮氏体包裹。由于碳的消耗和锌的挥发，大量的低熔点渣相填充了球团的孔隙，使金属铁、浮氏体和渣相紧密相连，球团内部的孔径减小，球团收缩，内部结构更紧密，球团的抗压强度相应提高。随着焙烧时间的延长，金属铁相在含碳球团中的氧化铁与碳的反应中聚集形成铁连晶结构。少量未还原的浮氏体削弱了铁连晶的分配作用，渣相填充了铁相之间的孔隙，从而改善了球团的内部微观结构。
参考文献：
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