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含碳球團可實現在1200~1300 ℃下的快速還原，所以含碳球團技術在高爐、直接還原等工藝中備受關注。含碳球團應用于高爐中，必須使成品球的強度滿足要求。目前的研究中，大部分是采取壓力機壓制成塊，得到還原后強度為2500~3000 N的成品球[1]。本實驗采用圓盤造球機造球，研究了不同礦粉粒度、不同配碳比、不同還原溫度等對含碳球團強度及金屬化率的影響，為進行進步的實驗研究提供了些基礎數據。
1實驗原料
實驗所用的鐵精礦為馬鞍山和睦山礦，煤粉為馬鋼煉鐵廠高爐噴煤用無煙煤，粘結劑為水玻璃、膨潤土及羧甲基纖維素鈉（CMC）。鐵精礦粉的化學成分（w/%）為：TFe 67.39；FeO 19.87；SiO2 2.19；GaO 0.41；S 0.10。無煙煤的成分（w/%）為：固定碳 75.69；灰分 12.09；揮發份 10.33；水份 1.89。
2實驗內容及結果討論
2.1造球實驗
先將造球用鐵精礦粉烘干，篩分成4個等：＜0.074 mm， 0.074 mm～0.105 mm，0.105 mm～0.149 mm，＞0.149 mm。將礦粉、煤粉（＜0.149 mm 70%以上）及粘結劑按比例配料，混勻，然后在圓盤造球機中造球。造球過程中使用噴水壺間歇噴入定量的水，直至成球。取直徑在9~16 mm之間的濕球放到烘箱中烘干，得到本實驗所需的生球，其編號及原料配比見表1，干球落下強度及抗壓強度見表2。表1 含碳球團的原料配比
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樣號 |
礦粉粒度/mm |
碳氧摩爾比 |
鐵礦粉（/%） |
煤粉 （/%） |
粘結劑 （/%） |
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 |
膨潤土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 含碳球團生球的落下強度和抗壓強度
|
樣號 |
干球落下強度/ （次/個） |
干球抗壓強度/ （N/個） |
|
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 |
從表2可以看出，以水玻璃為粘結劑的含碳球團落下強度和抗壓強度都非常好，明顯優于其它粘結劑；隨著碳氧摩爾比的增大，即隨著煤粉含量的增加，球團抗壓強度逐漸減小；礦粉粒度增大，球團的抗壓強度也隨著增大，但般情況下，原料的粒度越細，生球的抗壓強度有增高的趨勢。出現這種情況的原因是造球時間短，當原料的黏性較大時，原料的粒度越細，越趨于均勻，但無大顆粒作骨架，反而得不到較好的果，強度有所下降。
按普通球團工業生產的要求[2]，豎爐焙燒對生球落下強度和抗壓強度的要求分別是不小于1~2次/個和大于49 N/個。所以以水玻璃和膨潤土作粘結劑的含碳球團能滿足要求，而CMC和復合粘結劑造成的球團的抗壓強度還有定的差距。從表1復合粘結劑中CMC 的添加量來看，增大CMC 的含量，球團的抗壓強度變化不是很大，原因是增加的量很少，對球團強度影響不明顯
2.2還原實驗
還原裝置采用臥式碳化硅電阻爐。將爐溫升到預定溫度后，先通N2將爐內空氣排盡，再稱取定量的球團（直徑在10～12 mm之間）放入爐膛中央，實驗過程中直通入1 L/min的N2作保護氣體，保溫段時間后，迅速取出并放到石墨坩堝中密封冷卻。將冷卻后的球團進行物理性能分析和化學分析，結果見表3。
表3含碳球團還原后試樣分析結果
|
樣號 |
還原溫度/℃ |
還原時間/ min |
抗壓強度/ （N/個） |
w（TFe）/% |
w（MFe）/% |
金屬化率/% |
|
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 |
將1#球團做了1000，1100，1200 ℃3個溫度水平的實驗，結果如表3。溫度越高，球團的金屬化率越高，球團還原后的抗壓強度也越大。從顯微鏡下觀察，溫度越高，還原出的金屬鐵越多，這些金屬鐵相互形成連晶，所以球團具有較高的強度。
從表3可以看出，采用水玻璃為粘結劑的含碳球團，在相同的還原溫度和還原時間下，2#球團還原后的抗壓強度，3#球團差，說明隨著含碳球團碳氧摩爾比的增大，球團還原后的抗壓強度減小；但2#球團的金屬化率，3#，含碳球團的金屬化率隨著碳氧摩爾比的增大而增大。
3#球團金屬化率為69.9%，即其內部還原出的鐵量很高，但強度很低，原因是其含碳量高，還原后球團內部產生的孔洞多，從而影響球團整體強度。1#，4#，5#，6#球團中礦粉的粒度是逐漸增大的，但從表3中看，其還原后的抗壓強度及金屬化率的變化無明顯規律，有待進步研究。7#，8#，9#，10#是使用CMC、膨潤土及其混合作粘結劑的含碳球團，由表3中數據可以看出，CMC和膨潤土混合的復合粘結劑所造的球團，在還原后抗壓強度和金屬化率較其單種粘結劑有很大提高。但相比以水玻璃為粘結劑的含碳球團，其抗壓強度及金屬化率還是很低。
3結論
（1）含碳球團生球和成品球的抗壓強度均隨配碳比的增大而減小，但金屬化率隨著配碳比的增大而增大。
（2）隨著還原溫度的升高，含碳球團還原后的抗壓強度增大，金屬化率增大。
（3）以水玻璃為粘結劑的含碳球團，無論是抗壓強度還是金屬化率，都優于其它粘結劑。