在模拟高炉还原条件下，对冷压铁矿石 briquettes（球团）的高温抗压强度及其形成机制进行了研究

《Powder Technology》：Evolution and mechanistic study of hot compressive strength of cold-bonded iron ore briquettes during reduction under simulated blast furnace

冷压团矿作为高炉低能耗环保 burden 替代材料，本研究系统评估了磁铁矿基（MCBBs）和赤铁矿基（HCBBs）冷压团矿的冶金性能，重点考察600-1000℃还原过程中热压缩强度（HCS）演变。结果表明：MCBBs冷态强度达3200N以上，还原过程中无宏观裂纹，HCBBs膨胀率23.47%仍保持结构完整。XRD和SEM-EDS分析揭示，Fe?O?→Fe?O?→FeO→Fe相变导致HCS先降后升，Fe?O?→FeO相变产生多孔结构削弱强度，而FeO→Fe相变金属铁形成恢复强度。低熔点化合物（如fayalite）对强度起限制作用。该研究为冷压团矿工业化应用提供了理论支撑。

　　

作者：任杰 | 徐春晨 | Aisiaiti Chuluke | Ahmed Masood | 曹苏 | 陆春阳 | 张登伟 | Helle Mikko | 余耀伟

中国上海大学材料科学与工程学院，先进特殊钢国家重点实验室，先进冶金上海重点实验室，上海 200444

摘要

开发低能耗、环保的高炉（BF） burden 材料对于减少钢铁行业的二氧化碳排放至关重要。由铁矿石细粉制成的冷压球团（CBBs）是传统烧结矿和球团的有前景的替代品，但其在还原过程中的高温强度仍是一个主要问题。本研究使用磁铁矿（MCBBs）和赤铁矿（HCBBs）浓缩物制备了 CBBs，并系统评估了它们的冶金性能，特别关注了在 600–1000?°C 温度下还原过程中高温抗压强度（HCS）的变化。MCBBs 在室温下的强度更优，冶金性能也更稳定，完全满足高炉的要求。值得注意的是，CBBs 的结构演变与球团有根本不同：即使在异常膨胀的 HCBBs（RSI = 23.47%）中，在 600–1000?°C 范围内也未观察到裂纹。这种结构完整性使得 CBBs 的强度高于球团。在 600–800?°C 时 HCS 的下降是由于 Fe?O? 向赤铁矿的转变，形成了多孔微观结构，导致初始铁核无法提供足够的支撑。在 900–1000?°C 时，金属铁相的形成和相互连接促进了 HCS 的恢复。SEM-EDS 和 XRD 分析证实了这些相变，并识别出低熔点化合物（如针铁矿），这些化合物限制了 HCS 相对于还原后冷强度的表现。总之，本研究为使用基于铁矿石的 CBBs 作为低能耗、高性能的高炉 burden 提供了理论基础，并提出了其清洁生产的可行方法。

引言

气候变化是最紧迫的全球挑战之一，实现碳中和已成为国际共同目标 [1]、[2]、[3]。钢铁行业是温室气体排放的主要来源，中国是全球最大的钢铁生产国。因此，实现钢铁生产的脱碳对于实现气候目标和改善空气质量至关重要 [4]、[5]、[6]。目前，中国的钢铁生产主要依赖高炉（BF）- 基础氧炉路线，其中高炉炼铁占能源消耗和二氧化碳排放的大部分 [7]。尽管一直在努力减少高炉操作中的排放 [8]、[9]、[10]，但传统的 burden 材料（烧结矿和球团）是通过能耗较高的工艺生产的。烧结需要在大约 1300?°C 的温度下使用焦炭作为热源，产生大量的二氧化碳排放 [11]，而球团化需要在 1200–1300?°C 下进行，同样具有较高的能源消耗和二氧化碳释放 [12]。因此，开发低能耗的团聚技术已成为炼铁研究的关键焦点。

冷压球团（CBBs）作为一种更清洁、更节能的技术，在钢铁行业中受到越来越多的关注 [13]、[14]。它们是通过在低温下固化细颗粒制成的。虽然这种技术在上个世纪首次提出作为一种低能耗的团聚方法，但由于当时缺乏合适的粘合剂和成型设备，其工业应用受到限制。随着高性能粘合剂和冷压技术的快速发展，CBBs 的生产逐渐应用于冶金粉尘和有价值的二次资源的回收 [15]、[16]、[17]。由铁矿石细粉制备的 CBBs 可以部分替代传统的高炉 burden 材料，从而降低能源消耗并改善环境性能。与烧结矿和球团相比，CBBs 为减少钢铁行业的二氧化碳排放提供了非常有前景的途径。

众所周知，高炉 burden 材料在还原过程中必须保持足够的强度，以防止在凝聚区产生过多的细粉，否则会降低炉身的透气性。负担材料的强度和降解行为通常通过抗压强度（CS）、还原分解指数（RDI）和还原膨胀指数（RSI）来表征。CBBs 通常表现出令人满意的冷抗压强度（CCS），因此当前的研究更多地关注其高温抗压强度（HCS）。Li 等人 [16] 报告称，增加压实压力可以提高 CBBs 的 CS 并减少还原后的细粉生成。Xiong 等人 [18] 将这种改善归因于在较高成型压力下颗粒间的拱形效应减弱，从而使得球团更加坚固。Abdelrahim 等人 [19] 证明，在模拟高炉条件下，使用碱式硫酸盐粘合剂制备的 CBBs 比使用传统水泥粘合剂的 CBBs 具有更好的抗膨胀性能，且减小的膨胀有效地限制了细粉的形成。Srivastava 等人 [20] 发现，无论使用有机还是无机粘合剂，铁矿石球团的强度都与孔隙率密切相关，孔隙率增加会导致 CS 下降。Ren 等人 [21] 研究了铁矿石类型对 CBBs RSI 的影响，发现基于磁铁矿的 CBBs 在抗膨胀性和还原后 CS 方面优于球团。Li 等人 [22] 研究了碱度的效应，发现当 CBBs 的碱度从 0.5 增加到 1.5 时，破碎率增加，CS 和 RDI 等性能指标下降。然而，当碱度进一步增加到 3.0 时，所有这些性能都有所改善。

尽管已经进行了大量关于高炉 burden 材料强度和降解行为的研究，但大多数研究集中在等温条件下的 CCS 或还原后的 CS [23]、[24]、[25]。只有少数研究调查了球团进一步还原后的 HCS [26]，并且很少分析强度演变背后的机制。此外，这些研究主要针对传统的 burden 材料，而不是新型的基于铁矿石细粉的 CBBs。在高炉的还原过程中，温度范围在 600–1000?°C 之间，会发生从赤铁矿（Fe?O?）到磁铁矿（Fe?O?），然后到赤铁矿（FeO），最后到金属铁（Fe）的相变，在此过程中材料的 HCS 不断变化 [27]、[28]。因此，仅使用 CS、RDI 或 RSI 等标准化指标不足以全面描述强度演变。

基于铁矿石细粉的 CBBs 是一种低能耗、（具有高潜力）的高炉 burden 材料，HCS 是其实际应用的关键性能指标。本研究系统地研究了不同还原温度下 CBBs 的 HCS 变化。比较了还原后的 CS 和 HCS，并分析了不同还原阶段（Fe?O??→?Fe?O?、Fe?O??→?FeO 和 FeO?→?Fe）的强度变化机制。总体而言，本研究旨在为环保 CBBs 作为高炉 burden 材料的工业应用建立理论基础并提供技术支持，并为更清洁、低能耗、高效的高炉 burden 生产提供见解。

原材料

原材料

本研究使用了总铁含量（TFe）超过 63% 且粒径小于 200 目的铁精矿，由中国的某钢铁集团提供。为了更好地分析 CBBs 在还原序列（Fe?O??→?Fe?O??→?FeO?→?Fe）过程中的 HCS 变化，使用了两种类型的铁矿石细粉——磁铁矿和赤铁矿。这些精矿的详细化学成分见表 1。两种类型都经过筛选，达到了 200 目的粒度。

CBBs 的冶金性能分析

高炉 burden 材料的关键冶金性能包括 CS、RDI、RSI 和 RI。因此，对这些参数对 CBBs 进行了评估。图 7(a) 比较了两种类型铁矿石细粉制成的酸性球团和 CBBs 的 CS。对于 8–10?mm 的球团部分，平均 CS 为 2515?N，而 CBBs 的平均 CS 超过了 3200?N，无论矿石类型如何，这表明 CBBs 在当前条件下具有足够的冷强度。为了提高球团的代表性

结论

1. CBBs 在还原过程中的结构演变与铁矿石球团有根本不同。值得注意的是，即使在异常膨胀的赤铁矿 CBBs（HCBBs，RSI = 23.47%）中，在 600–1000?°C 的还原过程中也没有观察到可见的宏观裂纹。这种宏观结构完整性的保持是 CBBs 相对于球团在还原条件下具有更高强度的主要原因。

2. 高温相的较低内在强度和硬度

CRediT 作者贡献声明

任杰：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件使用，项目管理，方法论，研究，正式分析，数据管理，概念化。 徐春晨：软件使用。 Aisiaiti Chuluke：软件使用。 Masood Ahmed：软件使用。 曹苏：软件使用。 陆春阳：软件使用。 张登伟：软件使用。 Mikko Helle：软件使用。 余耀伟：监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

术语表

CBBs

冷压球团

BF / BFs

高炉

HC

高温抗压强度

MCBBs

基于磁铁矿的冷压球团

HCBBs

基于赤铁矿的冷压球团

SEM

扫描电子显微镜

EDS

能量色散光谱

XRD

X 射线衍射

TFe 总铁含量

CS 抗压强度 CCS 冷抗压强度 RDI 还原分解指数 RSI 还原膨胀指数 RI 还原指数 CO 一氧化碳 N? 氮气