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含碳球团可实现在1200~1300 ℃下的快速还原，所以含碳球团技术在高炉、直接还原等工艺中备受关注。含碳球团应用于高炉中，必须使成品球的强度满足要求。目前的研究中，大部分是采取压力机压制成块，得到还原后强度为2500~3000 N的成品球[1]。本实验采用圆盘造球机造球，研究了不同矿粉粒度、不同配碳比、不同还原温度等对含碳球团强度及金属化率的影响，为进行进步的实验研究提供了些基础数据。
1实验原料
实验所用的铁精矿为马鞍山和睦山矿，煤粉为马钢炼铁厂高炉喷煤用无烟煤，粘结剂为水玻璃、膨润土及羧甲基纤维素钠（CMC）。铁精矿粉的化学成分（w/%）为：TFe 67.39；FeO 19.87；SiO2 2.19；GaO 0.41；S 0.10。无烟煤的成分（w/%）为：固定碳 75.69；灰分 12.09；挥发份 10.33；水份 1.89。
2实验内容及结果讨论
2.1造球实验
先将造球用铁精矿粉烘干，筛分成4个等：＜0.074 mm， 0.074 mm～0.105 mm，0.105 mm～0.149 mm，＞0.149 mm。将矿粉、煤粉（＜0.149 mm 70%以上）及粘结剂按比例配料，混匀，然后在圆盘造球机中造球。造球过程中使用喷水壶间歇喷入定量的水，直至成球。取直径在9~16 mm之间的湿球放到烘箱中烘干，得到本实验所需的生球，其编号及原料配比见表1，干球落下强度及抗压强度见表2。表1 含碳球团的原料配比
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样号 |
矿粉粒度/mm |
碳氧摩尔比 |
铁矿粉（/%） |
煤粉 （/%） |
粘结剂 （/%） |
水份（/%） |
|
1# |
＜0.074 |
1 |
66.44 |
17.56 |
水玻璃8 |
8 |
|
2# |
＜0.074 |
0.75 |
70.9 |
13.1 |
水玻璃8 |
8 |
|
3# |
＜0.074 |
1.25 |
63.17 |
20.83 |
水玻璃8 |
8 |
|
4# |
0.074～0.105 |
1 |
66.44 |
17.56 |
水玻璃8 |
8 |
|
5# |
0.105～0.149 |
1 |
66.44 |
17.56 |
水玻璃8 |
8 |
|
6# |
＞0.149 |
1 |
66.44 |
17.56 |
水玻璃8 |
8 |
|
7# |
＜0.074 |
1 |
72.68 |
19.22 |
CMC0.1 |
8 |
|
8# |
＜0.074 |
1 |
71.2 |
18.8 |
膨润土2 |
8 |
|
9# |
＜0.074 |
1 |
71.95 |
19.03 |
膨1+ CMC0.02 |
8 |
|
10# |
＜0.074 |
1 |
71.94 |
19.03 |
膨1+ CMC0.03 |
8 |
表2 含碳球团生球的落下强度和抗压强度
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样号 |
干球落下强度/ （次/个） |
干球抗压强度/ （N/个） |
|
1# |
≥10 |
149 |
|
2# |
≥10 |
174 |
|
3# |
≥10 |
105 |
|
4# |
≥10 |
180 |
|
5# |
≥10 |
316 |
|
6# |
≥10 |
508 |
|
7# |
≥4 |
16 |
|
8# |
≥2 |
67 |
|
9# |
≥2 |
30 |
|
10# |
≥2 |
24 |
从表2可以看出，以水玻璃为粘结剂的含碳球团落下强度和抗压强度都非常好，明显优于其它粘结剂；随着碳氧摩尔比的增大，即随着煤粉含量的增加，球团抗压强度逐渐减小；矿粉粒度增大，球团的抗压强度也随着增大，但般情况下，原料的粒度越细，生球的抗压强度有增高的趋势。出现这种情况的原因是造球时间短，当原料的黏性较大时，原料的粒度越细，越趋于均匀，但无大颗粒作骨架，反而得不到较好的果，强度有所下降。
按普通球团工业生产的要求[2]，竖炉焙烧对生球落下强度和抗压强度的要求分别是不小于1~2次/个和大于49 N/个。所以以水玻璃和膨润土作粘结剂的含碳球团能满足要求，而CMC和复合粘结剂造成的球团的抗压强度还有定的差距。从表1复合粘结剂中CMC 的添加量来看，增大CMC 的含量，球团的抗压强度变化不是很大，原因是增加的量很少，对球团强度影响不明显
2.2还原实验
还原装置采用卧式碳化硅电阻炉。将炉温升到预定温度后，先通N2将炉内空气排尽，再称取定量的球团（直径在10～12 mm之间）放入炉膛中央，实验过程中直通入1 L/min的N2作保护气体，保温段时间后，迅速取出并放到石墨坩埚中密封冷却。将冷却后的球团进行物理性能分析和化学分析，结果见表3。
表3含碳球团还原后试样分析结果
|
样号 |
还原温度/℃ |
还原时间/ min |
抗压强度/ （N/个） |
w（TFe）/% |
w（MFe）/% |
金属化率/% |
|
1# |
1000 |
60 |
100 |
56.96 |
24.30 |
42.66 |
|
1# |
1100 |
60 |
136 |
63.68 |
35.62 |
55.94 |
|
1# |
1200 |
60 |
261 |
66.76 |
40.78 |
61.08 |
|
2# |
1100 |
60 |
293 |
65.09 |
25.79 |
39.62 |
|
3# |
1100 |
60 |
76 |
62.75 |
43.86 |
69.9 |
|
4# |
1100 |
60 |
222 |
59.89 |
26.20 |
43.75 |
|
5# |
1100 |
60 |
159 |
61.75 |
42.96 |
69.57 |
|
6# |
1100 |
60 |
184 |
60.47 |
22.64 |
37.44 |
|
7# |
1100 |
60 |
101 |
64.92 |
13.80 |
21.26 |
|
8# |
1100 |
60 |
73 |
61.49 |
8.3 |
13.5 |
|
9# |
1100 |
60 |
107 |
63.17 |
11.52 |
18.24 |
|
10# |
1100 |
60 |
126 |
64.37 |
16.51 |
25.65 |
将1#球团做了1000，1100，1200 ℃3个温度水平的实验，结果如表3。温度越高，球团的金属化率越高，球团还原后的抗压强度也越大。从显微镜下观察，温度越高，还原出的金属铁越多，这些金属铁相互形成连晶，所以球团具有较高的强度。
从表3可以看出，采用水玻璃为粘结剂的含碳球团，在相同的还原温度和还原时间下，2#球团还原后的抗压强度，3#球团差，说明随着含碳球团碳氧摩尔比的增大，球团还原后的抗压强度减小；但2#球团的金属化率，3#，含碳球团的金属化率随着碳氧摩尔比的增大而增大。
3#球团金属化率为69.9%，即其内部还原出的铁量很高，但强度很低，原因是其含碳量高，还原后球团内部产生的孔洞多，从而影响球团整体强度。1#，4#，5#，6#球团中矿粉的粒度是逐渐增大的，但从表3中看，其还原后的抗压强度及金属化率的变化无明显规律，有待进步研究。7#，8#，9#，10#是使用CMC、膨润土及其混合作粘结剂的含碳球团，由表3中数据可以看出，CMC和膨润土混合的复合粘结剂所造的球团，在还原后抗压强度和金属化率较其单种粘结剂有很大提高。但相比以水玻璃为粘结剂的含碳球团，其抗压强度及金属化率还是很低。
3结论
（1）含碳球团生球和成品球的抗压强度均随配碳比的增大而减小，但金属化率随着配碳比的增大而增大。
（2）随着还原温度的升高，含碳球团还原后的抗压强度增大，金属化率增大。
（3）以水玻璃为粘结剂的含碳球团，无论是抗压强度还是金属化率，都优于其它粘结剂。