前言

冶金工业面临的最重大挑战之一是减少CO₂排放，而回收利用则是实现这一目标的关键因素。与众多其他工艺相似，炼钢过程中会产生大量副产物和废弃物，包括各类粉尘、氧化铁皮、尘泥以及炉渣。对于这些副产物中的很大一部分，将其作为原料重新循环利用到生产过程中是完全可行的。这种做法不仅经济效益显著，而且环保，因为它既减少了原料消耗，又降低了对填埋场地的需求。然而，副产物的粒度往往过小，难以直接循环利用。因此，当前工作的重点是将这些副产物加工成压块，以便更好地进行循环利用。

本研究的主要目的是评估基维桑波公司（隶属于AMCOM集团）生产的螺旋压块作为高炉炉料的适用性，具体研究螺旋压块的还原性、膨胀和开裂等特性。所研究的压块主要由高炉尘泥和氧化铁皮构成，含有约2%的黏结剂和3%的熟石灰。在试验过程中，通过高炉模拟炉模拟了不同温度和气体气氛下的实际高炉工艺，深入探究了压块的还原性能。

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高炉和压块

生产铁水主要有两种工艺：一是使用高炉-转炉（BF-BOF）；二是在电弧炉（EAF）内熔炼废钢或直接还原铁。由于高炉工艺较为常见，因此选择高炉工艺进行模拟。

工厂副产物经过压块处理后可用于高炉炼铁，且已对其性能进行了深入研究。冷压块是一种循环利用高炉粉尘、氧化铁皮、转炉尘泥等典型炼钢副产物的方法。过去，常规做法是通过烧结工艺回收这些物料，然后出售或填埋。压块由黏结剂制成，具有较高的冷态强度，但其还原粉化性较差。

压块强度取决于黏结剂的可塑性或脆弱性，以及与颗粒表面的黏附性和黏结强度。强度来源于范德华力、价键以及颗粒间的互锁作用。随着压块密度增加，黏附性和互锁性增强，而空隙度减少。黏结剂可在结块前或结块过程中加入，直接或在固化阶段结束后影响压块的强度。选择合适的黏结剂以提高机械强度至关重要。

高炉工艺处于极端条件，对炉料质量的要求极高。所使用的原料必须具备足够的还原性、较高的冷态强度、较低的还原粉化指数（RDI）、化学成分稳定、合适的粒度。此外，还需合理选择黏结剂的数量和类型。尽管条件苛刻，但压块作为一种循环利用方法已迅速普及。SSAB公司便是钢铁制造商从烧结工艺转向压块工艺，对副产物进行循环利用的典型案例。

大多数要求适用于球团和烧结，但在ISO标准中并未提及与含铁炉料相关的压块。这些标准必须同样适用于压块，包括不同粒度的团块。由于这些副产物的重量范围从35g到500g不等，其性能差异显著，尤其在下落测试中。例如，粒度小且数量多的铁矿球团或烧结矿在下落时，磨损比冲击更具破坏性；而大颗粒压块的情况则恰好相反。此外，压块应进行切割，以便使用仪器进行还原粉化测试。

AMCOM集团开发了真空螺旋压块技术，能够从散布的天然和人工物料中高效且经济地生产压块，并最大限度地适应不同冶金需求。该技术允许使用粒度高达8mm的物料和占比约1%的低比例黏结剂。螺旋压块技术由带预压实功能的双轴混合机、真空室和螺旋压块室组成。螺旋压块室由三个从左到右直径依次递减的区域构成：混合区、预压缩区和压缩区。通过模具上的孔对压块施加外力。

利用高炉粉尘、氧化铁皮、电弧炉气体净化粉尘、铬铁、废料、热压块铁（HBI）筛分物和氧化铝等炼铁和炼钢副产物，生产各类压块。无害的单独开发材料被用作黏结剂，通过添加聚合物-矿物复合材料确保机械强度。在研究冶金性能前，需通过下落、磨损和压缩测试来验证压块的冷态机械强度。

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原料制备和测试方法

AMCOM集团实验室所获得的螺旋压块，主要由未经处理的高炉尘泥和来自俄罗斯联邦钢铁厂的氧化铁皮构成。在压块制备过程中，添加了熟石灰及黏结剂。该黏结剂由有机聚合物与矿物组分混合制成。在样品运往芬兰之前，已在实验室进行了强度测试。成型后的压块长度为60-120mm，具备良好的可塑性，固化时间为3天。

压块在经过72h固化后，进行了机械破碎强度测试。在正常条件下，压块的平均破碎强度为24.65kg/cm²。为了测试压块的机械下落强度，采取了从2m高度进行3次下落的方法。测试结果显示，98.5%的压块粒度大于5mm。

此外，还开展了耐磨强度测试。测试过程中，滚筒共旋转200r，并在第25r、第50r、第100r和第200r后分别对剩余部分进行研究。耐磨强度被定义为粒度大于5mm的占比，结果分别为93%、89%、80%和64%。

为了进行对比，选用了市场上销售的橄榄石球团作为参照样品。粒度为10.0-12.7mm的球团平均重量为3.4g。为了比较不同压块的还原性，使用了来自SSAB钢铁厂工业高炉的重量大于400g的压块作为参照样品。用于实验室的3个样品的化学成分汇总于表1。

使用了以下设备和方法：1）高炉模拟炉，用于研究压块和球团的还原性能及膨胀特性。2）显微镜，用于高分辨率显微结构成像，以进一步进行矿物性和结构分析。3）采用热重质谱法（TG-MS），用于分析原始压块样品，以确定在高炉运行过程中是否有有害成分从压块中释放。

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样品准备和设备应用

从基维桑波公司获取螺旋压块样品，共包括5块压块，总重0.6kg。为防止吸湿，夜间将样品（示于图1（a））置于105℃的恒温箱中保存。通过称量干燥前后的样品，确定压块的水分含量约为1%。在高炉模拟炉试验中，选用了4块压块（标记为A-D）；在热重质谱法试验中，使用了1块原始压块样品。首先在光学显微镜（LOM）下观察抛光后的切片，随后在场发射扫描电镜（FESEM）下观察涂铂切片。

试验采用了IIjana等人于2012年首次引入的高炉模拟炉（示于图1（b）），进行多种非等温还原试验。将样品篮谨慎地插入高炉模拟器的还原管中，并悬挂在与热重分析秤相连的挂钩上，以确保试验过程中能够连续测量样品重量。同时，使用摄像机实时监测还原过程中的外部变化。

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高炉模拟炉试验

针对螺旋压块在不同还原阶段，进行了四种不同的还原试验。试验A和试验B均为连续260min的试验，旨在实现金属铁的还原。对压块样品进行称重，并测量试验前后的粒度。试验A在1100℃下继续等温40min，而试验B则不进行等温处理。试验C和试验D属于中断试验，目的是将压块还原为钨钛矿和磁铁矿，以研究不同还原阶段样品的结构差异。试验C的温度设定为800℃，试验D则为500℃。

试验E和试验F作为参照样品试验，分别采用市场售卖的橄榄石球团和工业高炉压块。试验E采用与试验B相同的还原程序，对橄榄石球团进行还原。由于球团中不含碳，因此重点关注在非等温还原程序中发生的还原次数。试验F的参照压块还原程序与试验A中的样品一致，同样关注等温周期的影响。

通过测量还原前后压块样品的体积，观察其膨胀性。未对参照球团的膨胀性进行研究。采用热重质谱法，对原始螺旋压块样品进行试验，在纯度高于99.999%的惰性氩气气氛下，从室温加热至1100℃。升温速度为5℃/min，气体体积流量为100mL/min。质谱测量采用模拟扫描方式，检测范围为1-150amu。

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结果与讨论

每次试验的总重量损失和重量损失随时间的变化结果显示，螺旋压块的相对重量损失最为显著。在不同时间长度的试验中，相对重量变化曲线高度重叠，显示出良好的结果重复性。螺旋压块因含碳量高，具备自还原特性。与参照样品不同，在长达260min的试验过程中，螺旋压块能够完全还原为金属铁，且其还原速度远超参照样品。实际上，这些压块在40min等温处理之前便已完成还原，在此阶段，样品的重量损失仅为1.1%。试验初期，重量即开始下降，这可能是由于熟石灰与CO₂发生碳酸化反应所致。根据FESEM-EDS分析，每个样品仍残留少量煤的痕迹，但得益于等温期间的气化作用，其含量已显著减少。

压块出现轻微膨胀，尽管存在轻微的开裂现象，但样品依然保持整体性。在完全还原试验中，压块膨胀幅度达到5%-11%；当钨钛矿被还原成金属铁时，压块在超过1000℃的高温下发生开裂。相比之下，参照压块的膨胀更为显著，膨胀度约为24%。在500℃和800℃的温度条件下，螺旋压块的结构几乎未发生明显变化。

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结论

研究和试验结果显示，采用真空螺旋压块技术，能够生产出具备优异高温性能的高炉压块。AMCOM集团进行的冷态强度测试结果同样令人满意。结果表明，该压块含碳量高，属于自还原型，质量均匀，结构坚固，膨胀性低。目前，尚未发现对高炉洗涤塔有害成分的存在。