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富氢气氛下球团矿还原过程中热态抗压强度
王宏涛1，朱士鑫1，王寅1，孟庆民1，龙红明1,2
(1. 安徽工业大学冶金工程学院， 安徽 马鞍山 243032；2. 冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室(安徽工业大学)， 安徽 马鞍山 243002)
富氢冶炼和提高入炉球团矿比例是实现低碳高炉炼铁的重要途经。以铁矿氧化球团为对象，研究了还原气氛和温度对球团矿还原过程中热态抗压强度的影响，阐明了不同条件下球团矿热态抗压强度的演变规律。结果表明，等温还原过程中，随着还原气(CO或H2)浓度的提高，球团矿热态抗压强度均呈现降低趋势，且900 ℃时球团矿热态抗压强度降低幅度明显高于700 ℃时的降低幅度。当H2体积分数由0增加至40%时，700 ℃还原时球团矿热态抗压强度由865 N缓慢降低至757 N，900 ℃还原时球团矿热态抗压强度由632 N显著降低至29 N。非等温还原过程中，当还原温度由500 ℃升高至900 ℃时，惰性气氛下球团矿热态抗压强度由1 551 N逐渐降低至1 016 N，非富氢气氛下球团矿热态抗压强度由1 495 N降低至244 N，富氢气氛下球团矿热态抗压强度由1 275 N下降至289 N。当温度小于800 ℃时，富氢气氛下球团矿热态抗压强度高于非富氢气氛下球团矿热态抗压强度，当温度大于800 ℃时，富氢气氛下球团矿热态抗压强度略低于非富氢气氛下球团矿热态抗压强度。本研究可为高炉富氢冶炼和大比例球团冶炼提供理论基础与数据支撑。
低碳炼铁；高炉；球团矿；富氢还原；热态抗压强度
在“碳达峰”与“碳中和”背景下，钢铁工业低碳转型升级面临严峻挑战。中国钢铁行业CO2排放量占CO2排放总量的15%~17%。中国钢铁生产长期以高炉-转炉长流程为主，2023年中国高炉生铁和粗钢产量分别达8.71亿t和10.19亿t，占世界总产量的66.54%和53.86%。作为长流程的主要工序，高炉炼铁系统消耗大量焦炭和煤粉，其碳排放量占整个流程碳排放总量的70%以上。因此，高炉炼铁工序是钢铁产业节能降耗的关键环节，其中高炉富氢冶炼和大比例球团冶炼是实现低碳炼铁的重要途径。
近年来，冶金工作者对高炉富氢冶炼和大比例球团冶炼进行了较多研究。高炉富氢冶炼是将含氢物质(天然气、焦炉煤气、废塑料等)通过风口喷入高炉以提高炉内煤气中氢含量，从而加强氢还原以减少CO2排放。崔小杰等研究了不同含氢物质(天然气、焦炉煤气、炉顶循环煤气)喷吹量对高炉冶炼过程的影响，发现每喷吹10 m3天然气、焦炉煤气、循环煤气时，铁的直接还原度分别降低0.014 0、0.009 0、0.002 4，同时，与基准期相比，喷吹60 m3天然气时CO2减排9.46%。高建军等基于山西晋南钢铁2座1 860 m3高炉喷吹富氢气体实际生产数据，研究了喷吹富氢气体对燃料比、H2利用率及CO2排放等的影响，结果表明，喷吹富氢气体可以显著降低高炉固体燃耗。在富氢气体平均喷吹量为吨铁65 m3条件下，H2和CO平均利用率分别为37.3%和43.2%，CO2排放量减少了 5.6%。高炉大比例球团冶炼是指提高综合炉料中球团矿的入炉比例，由于球团矿生产过程的工序能耗和CO2排放仅为烧结矿的50%甚至更低，因而提高高炉球团矿入炉比例，不仅可以减少烧结工序产生的污染和能耗，还可显著减少高炉渣量和CO2排放。随着综合炉料中球团矿入炉比例的提高，球团矿抗压强度、还原性、还原膨胀等冶金性能，尤其是还原过程中的热态抗压强度对高炉冶炼过程的影响逐步显著。潘钊彬和唐敬坤等研究了不同气氛下球团矿高温强度的演变规律，结果表明，在中性气氛(N2)和氧化性气氛(空气)下，当温度低于800 ℃时，球团矿高温强度随温度的上升而提高，但在［800,900) ℃逐渐降低，且在［900,1 100］ ℃缓慢回升，而在1 100 ℃以后强度急剧降低，到1 200 ℃时球团矿已基本失去强度；在还原性气氛(CO)下，球团矿高温强度随温度的提高而降低，在1 100 ℃时强度降低至30 N。兰臣臣等研究了碱度对低硅镁质球团矿综合冶金性能的影响规律，发现球团矿冷态抗压强度随着二元碱度的增加呈先增加后降低的趋势，当碱度为0.40~0.80时，球团矿抗压强度相对较高。邓睿等研究了碱度对镁质球团抗压强度的影响，结果表明，在白云石的黏结作用下，镁质球团生球性能明显改善，但随着二元碱度的提高，球团矿冷态抗压强度逐渐降低。由此可以看出，目前研究大多集中于球团矿冷态强度或还原后强度，而对富氢条件下球团矿还原过程中的热态抗压强度研究较少。本研究以实验室制备的氧化球团为对象，分析了等温还原和非等温还原条件下温度和气氛对球团矿还原过程中热态抗压强度的影响，阐明了不同条件下球团矿热态抗压强度的演变规律，为高炉富氢冶炼和大比例球团冶炼提供理论基础与数据支撑。
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