1. 简介
高炉 (BF) 在炼钢过程中发挥着重要作用。 2020年，高炉-碱性氧气炉（BF-BOF）工艺路线占世界粗钢产量的73.2%。除了钢铁之外，工艺链中还会产生各种副产品。 在BF-BOF 工艺中，每生产一吨铁水，会产生约 400 公斤副产品，包括各种炉渣、粉尘、污泥等。 这是电弧炉 (EAF) 工艺的两倍，而电弧炉是一种替代炼钢工艺。很大一部分残渣在厂内通过烧结、冷压或作为直接还原铁（DRI）进一步回收利用。例如，钢铁炉渣可用作粘合剂，替代水泥，由于其特性，还可用于水泥工业和道路建设。此外，包括电炉粉尘、高碳高炉粉尘和高炉污泥在内的许多副产品铁含量高，回收是非常有必要的，还能大幅减少产品的填埋量，节省自然资源。

回收钢铁副产品的主要问题之一是其粒度较小。 矿层的渗透性由细粉（5毫米以下）的量决定。 渗透率的降低可能会导致操作问题并影响高炉工艺的生产率。 待回收的材料，例如高炉污泥，也可能是潮湿的，这使得细粉的检测更加复杂。因此，需要合适的团结技术。另一个与回收相关的问题是副产品的化学成分。 除了能够自还原的有价值的元素（即氧化铁和焦炭形式的碳）之外，副产品通常还含有不需要或有害的元素。例如，高炉污泥可能含有大量的锌和碱性化合物。 锌的蒸发和凝结行为会阻碍高炉运行，而碱会损害焦炭的热强度并削弱耐火炉衬，从而缩短运行时间。 因此，必须考虑产品的有害成分，如有必要，在回收前进行处理。

冷粘结压块是一种众所周知的团聚方法，将粘合剂（通常是膨润土）添加到要回收的细粒材料的混合物中。 存在三种基本的压块技术：振动压制、辊压和刚性挤压。 振动压制或冲模压制是最古老的高压压块技术，应用于各个行业。 除炼钢外，它还用于陶瓷、粉末金属和一般化学工业。本研究中，使用该技术生产的球团作为参考样品。 另一种高压造粒技术，辊压，也用于压块。第三种技术，即挤压技术，由 J.C. Steele & Sons 公司于 1993 年首次在美国宾夕法尼亚州伯利恒钢铁公司的冶金厂进行工业化应用。

由于应用高炉工艺的条件极端，对原材料就有许多限制，包括足够的还原性、高冷强度、低还原崩解指数（RDI）、化学成分的轻微变化以及合适的粒度。 这些都与本研究中考虑的三大冶金特性有关：还原性、膨胀和开裂。 在温度介于 1000 至 1350 °C 之间的粘性区域的软化和熔化已被研究过，特别特别是铁矿石球团，但本研究中没有考虑，因为需要的模拟温度太高。还原性是指材料增加还原反应程度的能力，同时也表示直接还原率和高炉下部区域的热消耗。 对膨胀，尤其是球团的膨胀，进行了广泛研究，发现膨胀主要取决于材料的碱性和煤矸石含量。膨胀可能是正常的，由于材料的孔隙率增加，这对还原过程有利；也可能是不正常的，由于材料的机械性能下降，这可能导致运行问题。 开裂通常与还原和膨胀行为相关，在还原度较高时出现。

与烧结矿、块矿和球团矿等各种铁料可以通过尺寸、冷强度和还原性来表征不同，ISO 标准中并未提及煤球的质量要求。 ISO 4695 和 ISO 7215 中描述的还原性实验在整个测试试验在整个试验过程中使用恒温（900 °C ± 10 °C或 950 °C ± 10 °C）。由于高炉工艺复杂的还原和熔化条件，铁矿球团在实验室中的表现与在碱性炉中的表现不同，因此设计了非 ISO 标准化测试来模拟实际的高炉条件。

在这项研究中，使用实验室规模的熔炉评估了由高炉污泥和氧化皮制成的螺旋压制团块的高温性能，与上述挤压压块类似。考虑到在模拟 BF 条件下还原过程中的外部变化，确定压块是否具有自还原质量以及还原速度有多快尤为重要。目的是获得有关压块是否适合用于 BF 的信息，以评估这种压块工艺在满足炼钢回收需求方面的潜力。

2. 材料和方法
2.1. 螺旋压块
本研究中的压块是利用 AMCOM GROUP LLC 开发的真空螺旋压制技术生产的冷粘结团块。该技术允许使用从炼钢厂和其他行业获得的天然技术材料。该工艺由包括箱式给料机、带粘合剂给料机的双轴搅拌机和带水定量的搅拌压制机等。 真空螺旋压制设备是该生产线的主要多部件单元。 它配有定量给水装置，生产的煤球经过三天的陈化以达到最佳强度。 图 1 所示的设备由三个功能组成：

 

 

图1. 真空螺旋压制装置的技术方案

     1. 混合室，包括双轴搅拌机和预压实功能；
     2. 真空室；
     3. 螺旋压力机室。

螺旋压制室由三个直径逐渐减小的区域组成：混合区、预压缩区和压缩区。旋转的螺旋钻迫使浆料通过模具中的孔，从而使压块变成圆柱形。在重力的作用下，压块断裂成最终长度。 据研究，生产率为 3 至 90 吨/小时。

客户材料和粘合剂选择的实验室测试在位于欧洲的 AMCOM GROUP LLC 实验室进行。 生产在有原材料的地方进行。硅铁、铬铁、氧化铁皮、高炉粉尘、电弧炉煤气净化粉尘等多种钢铁产品已得到利用。 压块中使用的粘合剂都是无机和有机粘合剂的混合物，不含有害杂质。 自2019年以来，独联体国家已建成3条工业压块生产线。 以高炉污泥、电炉粉尘、氧化皮为原料，添加1%~2%的矿物有机粘结剂。 2022 年，在乌克兰马里乌波尔容量为 2002 立方米的工业高炉成功进行了试验，使用氧化皮制成的螺旋压球作为炉料，没有发现任何有害影响。

本研究中使用的压块以钢铁副产品为原料。 AMCOM GROUP LLC 实验室按照表 1 所示的煤球配方生产了 30 公斤压块。从表 1 的计算成分可以看出，压块的主要成分为高炉污泥（40%）、氧化皮（55 %）、熟石灰（3%）和粘合剂（2%）。据研究，加水之前的水分含量为1.27%。

表 1. 螺旋压块配方中的主要成分、含量和元素分析

成分	元素 (%)									重量 (g)	含量 (%)
	Fetot	P	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Zn	H2O	C
BF 污泥 (0–3 mm)	44.4	0.17	5.12	3.12	3.9	2.2	0.43		23.0	12,000	40
氧化皮 (0–3 mm)	70.0									16,500	55
熟石灰 (0–3 mm)				80.0				20.0		900	3
粘结剂 AMCOM VA3500									33.3	600	2
计算总含量	56.3	0.07	2.05	3.65	1.56	0.88	0.17	0.60	9.87	30,000	100
加水								100.0		4500

2.2. 铁矿石球团
球团矿为直径10毫米左右的球形颗粒，是一般的铁炉料。 它们专门针对极端条件下的冷强度、膨胀、软化和熔化特性而设计。球团通常富含铁并增加炉料的总铁含量。碱性和煤矸石含量因球团类型而异。三种主要球团类型是酸性球团（CaO/SiO2 比率 < 0.5）、以石灰石（CaCO3）或白云石（Ca,Mg(CO3)2）为添加剂的碱性或熔剂球团矿（CaO/SiO2 比率在 0.9 至 1.3 之间），以及以橄榄石（Mg2SiO4）作为助熔添加剂的橄榄石球团矿。橄榄石球团含有氧化镁 (MgO)，而不是氧化钙 (CaO)。

本研究使用商业橄榄石球团作为参考样品。 10-12.7 毫米大小的球团的平均重量为 3.4 克。 参考球团的化学分析结果如表 2 所示。经计算，球团的 B2 碱度（CaO/SiO2 比率）为 0.23。

表 2. 参考球团的化学分析 (重量-%)

Fetot	FeO	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	TiO2	V2O5
66.7	0.6	1.85	0.43	1.3	0.32	0.35	0.26

2.3. 工业高炉煤球
为了比较螺旋压球机压块与其他副产品压块的高温特性，实验中使用了芬兰 Raahe 的 SSAB 钢厂生产的工业高炉压块。压块被用作高炉的炉料之一。这种压块与螺旋压制压块在造粒方法、形状、尺寸、化学成分等方面有所不同。 该压块采用冲模（振动压制）造粒法制成，重约400克，端部呈六角形，主要由氧化皮、球团矿筛分、废钢、高炉粉尘、焦炭粉尘和水泥组成。 根据季节的不同，水泥由 30-50% 的磨细高炉矿渣（GGBFS）代替。团块的化学成分如表 3 所示。

表 3. 参考团块的化学分析 (重量-%)

C	Na2O	MgO	Al2O3	SiO2	S	K2O	CaO	Fe	碱性
8.28	0.32	2.1	2.4	8.1	0.41	0.21	11.1	48.4	1.37

 
2.4. 强度测试
冶金测试从不同冶金性能的角度来表征铁料。 这些包括冷强度、RDI、还原性、软化性和熔融性能。 这些测试通常是 ISO 标准化的，通常用于表征烧结矿和球团矿，不适用于压块。本项研究没有使用根据 ISO 4695 和 ISO 7215 进行的基于恒温的还原性测试，因为目的是模拟实际的高炉条件。

尽管压块不同于其他铁料，但 Mousa 等人的研究也对压块进行了机械强度测试，结果发现，由于压块的尺寸较大，其情况不同于球团。不过，这些测试提供了有关球团冷强度的有用信息。图 2 所示的三种不同的冷强度测试是针对本研究中的煤球进行的：机械压碎强度测试、跌落强度测试和磨损强度测试。

 

 

图 2. 所用强度测试方法示意图： (a) 抗碎强度测试中的加载方案； (b) 跌落强度测试设备，包括 (1) 厚板、(2) 管子或套环、(3) 垂直管，以及 (c) 滚筒测试滚筒，配有 (1) 转数计数器、(2) 带把手的门 ，(3) 短轴，(4) 升降器，(5) 旋转方向，(6) 板。

在陈化 72 小时后，沿加载轴碾压压块，测试压块的机械破碎强度。机械跌落强度测试是通过 3 次跌落（跌落高度为 2 米）进行的。磨损强度测试是在旋转滚筒中进行总共200转的滚筒测试。

2.5. 样品制备
为进行研究，总共制备了五块螺旋压块，为了避免吸收空气中的水分，将其放在 105 °C 的恒温柜中过夜。通过称量处理前后的样品来计算含水量。含水量约为 1%。五个样品中有四个用于还原实验，一个保留为原始样品。

铁矿球团矿采用10、12.5mm筛子进行筛分，从筛分出的球团中选出35个圆形样品。 参考压块很大，但仍然适合测试设备，无需切成小块。实验前，参考球团和参考压块都在温度柜中进行了处理，处理方式与螺旋压块相同，并进行了称重。图 3 显示了放置在样品篮中的螺旋压块、参考球团和参考压块。

 

图 3. 样品篮中的样品：(a) 螺旋压块； (b) 铁矿石球团； (c) 参考压块

2.6. 高炉模拟
图 4 所示的高炉模拟器（BFS）是 Iljana 等人在研究铁矿石球团的还原和膨胀时首次引入的管式炉。 还原管由耐热钢制成，直径为 95 毫米。 BF 工艺可模拟高达 1100 °C 的温度，可通过预先确定的计算机控制的还原程序分配 N2、CO、CO2、H2、H2O、S2 和 K 气体，从而创建复杂的的随时间和温度变化的气氛曲线。还原测试期间的变化可以通过带有镜子和光源的视频摄像系统进行监控。

 

图 4. 高炉模拟器（BFS）的运行方案

 

动态还原实验在含有 N2、CO 和 CO2 气体的气氛中进行。 在开始还原实验之前，使用加热至 800 °C 的单独硫发生器来预热气体。 创建了 280 分钟的还原程序（实验 A），在 1100 °C 下有 40 分钟的等温期，如图 5 所示。此外，还对三个较短的程序（实验 B–D）进行了修改，以模拟 BF 过程中的不同还原阶段。整个实验 A-D 中的设定气体成分如图 5 所示，实验 A 是时间的函数。实验期间基于气体成分的还原条件以 Fe-O-CO-CO2 相图的形式呈现，通常称为 Bauer-Glaessner 图，如图 6 所示。实验 E 使用了实验 B 的程序，而实验 F 使用了实验 A 的程序。也就是说，参考球团使用了 40 分钟等温线，而参考球团未使用。这样做是为了比较球团的还原行为。

 

图 5. 在使用 40 分钟等温线的不间断还原实验（实验 A）中，N2、CO 和 CO2 气体的程序浓度。短时间运行（实验 B-D）的加热终点以虚线表示。

 

图 6. Bauer-Glaessner 图显示了氧化铁、温度和气体成分之间的平衡。 粗线代表实验 A-D 期间的还原条件。

测量团块的尺寸，并分别在有和没有样品篮的情况下对团块进行称重。 煤块与连接至 BFS 计算机系统的热电偶接触。 将样品篮放置在还原管内，并挂在一个与热重分析仪（TGA）相连的钩子上，以便在实验过程中连续测量煤球样品的重量。通过使用计算机程序中的刻度工具来检测样品篮是否可能倾斜于缩径管壁，从而提高了测量精度。 一旦样品篮处于合适的位置，就盖住盖子的开口，并将盖子连接到管子上。

打开加热功能，开始还原实验。在实验过程中用相机观察煤球，最初每隔 100 °C 拍摄一次图像，温度超过 700 °C 后，每隔 50 °C 拍摄一次图像。每次还原实验结束后，利用管盖上的接口用 N2 气体冷却样品 20 分钟。

2.7. 还原和膨胀计算
无碳铁矿球团的还原度（RD）是根据 ISO 7215 标准计算得出的，但由于煤气化造成的误差，煤球没有使用该计算方法。RD 的计算公式如下：

其中 Rfinal 是以质量百分比表示的最终还原度； m0——是还原前试件的质量； Δm为还原后试件的质量损失； w1 是测试前试件的氧化铁 (II) 含量 (重量.-%)，根据 ISO 9035 测定，由氧化铁 (II) 含量乘以氧化物换算系数 FeO/Fe (II) = 1.286 计算得出；w2 是测试前试件的总铁含量。

根据实验前后外部尺寸的测量值计算体积的变化，可以观察到压块的膨胀行为。没有研究球团的膨胀情况。膨胀指数（%）的计算方法如下：

其中 ΔVbriq。 为膨胀率，以体积百分比表示，A0 是还原前圆柱形团块样品端部的表面积，A1 为还原后圆柱形压块样品端部的表面积；h0 为还原前压块的高度；h1 为还原后压块的高度。

2.8. 矿物学表征
使用光学显微镜（LOM）和发射扫描电子显微镜（FESEM）来研究还原实验期间团块样品中发生的相变。 此外，还使用了能量色散X射线光谱（EDS）元素分析仪。 所有五个样品（其中四个在 BFS 中进行了测试，一个是未加工的）都被干切成小块，用环氧树脂进行处理，并进行抛光，以获得合适的抛光切片。样品上涂有铂金，用于 FESEM，以检测可能受碳涂层影响的实际碳含量。