2017, Vol. 8引用本文 |
| 配加碱化甘蔗渣对冷压含碳球团机械强度的影响 |  [PDF全文] |
转底炉直接还原技术是一种能高效处理钢铁厂含铁废料(如：高炉布袋灰、电炉灰、转炉尘泥等)和复合铁矿资源(如：钒钛磁铁矿、红土镍矿、硼铁矿等)的炼铁新工艺[1-4]，在其生产过程中，需要将含铁原料与碳质还原剂(煤粉、焦粉等)混合均匀后，在一定压力作用下制成含碳球团[5-7]，球团在被送入转底炉进行高温还原前，需经过多道输运以及存储、布料工序[8-9]，为了防止球团在此类过程中发生破碎，从而影响到整个生产环节的成品率，一般会在造球过程中配加黏结剂提高生球强度[10].目前在配加黏结剂的种类选择上，膨润土由于固结能力良好，且价格低廉、来源广泛，在造球过程中被广泛采用[11]，然而配加膨润土对直接还原过程亦有负面效应，最显著的影响就是降低原料的含铁品位，同时使矿石的还原性能下降；淀粉等有机物质也具有较强的黏结效果，且主要成分为碳氢化合物，热解后生成的气体具有一定还原性，能加快反应速率，但由于成本较高，其工业应用一直受到限制[12-13].
甘蔗渣是制糖工业的主要副产品，是重要的生物质原料，中国作为产糖大国，蔗渣年产量能达到700万t，但由于转化技术水平较低，现实中甘蔗渣经常被废弃或用作燃料，不仅造成浪费，更污染环境[14]；目前国内外以生物质改性物作为黏结剂有大量的研究[15-16]；蔗渣来源集中、产量大、收集简单、运输半径小、成分稳定、性质均一，预处理过程可采用造纸、氯碱等工业产生的酸性或碱性废水，形成产业链接.因此以甘蔗渣为原料生产含碳球团黏结剂具有良好前景[17].
采用NaOH稀溶液作为甘蔗渣碱化试剂，以干燥后生球的落下强度与抗压强度为评价指标，考察溶液浓度、碱化时间、碱化温度和造球压力对蔗渣黏结效果的影响，阐明此类影响的内在机制，并找到碱化工艺的最优方案，最终验证其作为含碳球团黏结剂的工业可行性.
1 试验原料及方法 1.1 实验原料试验用蔗渣取自广东某蔗糖厂，经4~5次水洗除去残留糖分，在120 ℃干燥脱水后进行破碎，，取1 mm筛网筛下物作为后续原料，碱化所用NaOH为化学纯试剂；造球用铁矿粉由莱芜钢铁有限公司提供，主要成分和粒度分布见表 1和图 1，以粒度 < 1 mm的无烟煤作为还原剂，其工业分析与灰分分析见表 2.
| 表1 铁精矿化学成分/（质量分数，%） Table 1 Chemical composition of iron concentrate /(mass fraction, %) |
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| 图 1 铁精矿的粒度分布 Fig. 1 Distribution of grain size of iron concentrate |
| 表2 无烟煤的灰分分析/（质量分数，%） Table 2 Ash analysis of pulverized coal /(mass fraction, %) |
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1.2 试验设备及方法
JM-B2003电子天平，DF-101S集热式恒温加热电磁搅拌器，YLD-6000电热鼓风干燥箱，GJ100-1密封式化验制样粉碎机，油压千斤顶，抗压强度测试仪.
按液固质量比6:1将蔗渣与质量浓度为7 %的NaOH溶液混合，搅拌均匀后装入广口瓶密封，采用恒温油浴方法进行碱化改性处理，得到黏结剂料浆；将铁精矿粉与无烟煤粉按碳氧摩尔比1.0混和，配入适量黏结剂料浆，搅拌均匀后装入钢制模具中，在20 MPa压力下制成尺寸为∅16 mm×12 mm的含碳球团.
制备的生球于120 ℃下干燥5 h用于强度测试试验.每组抗压或落下强度测定试验的样本容量均为8个.抗压强度的测定方法为：在抗压强度测定仪上对试样从径向匀速加压，直至其破碎为止，以其从接受载荷到破碎过程中所受最大压力为评价指数；落下强度的测定方法为：从0.5 m高度将球团摔落至厚度为15 mm铁板上，以球团摔裂落下次数为评价指数.
以球团落下强度和抗压强度为考核指标，通过正交实验综合考察造球压力、NaOH质量浓度和碱化时间等因素对球团机械强度的影响规律，并采用极差分析法确定各因素的主次顺序，找出适宜的工艺参数.本正交试验中的4个因素分别是造球压力、NaOH浓度、碱化温度和碱化时间，各因素设置4个水平，选用L16(44)正交表设计实验.正交试验表如表 3所示.
| 表3 正交试验因素水平 Table 3 actor level of orthogonal test |
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2 结果与讨论 2.1 碱化时间对球团机械强度的影响
图 2所示为温度95 ℃，NaOH质量浓度7 %条件下，碱化时间对球团机械强度的影响规律.由图 2可知，随着碱化时间的延长，含碳球团抗压强度和落下强度均呈现先增大后逐渐降低的趋势，并在碱化时间为5 h处达到69.7 N与19.2次/0.5 m最高值.分析认为，甘蔗渣中含有大量纤维素和少量半纤维素与木质素，NaOH改性处理使木质素与半纤维素逐渐降解剥离，形成大量的微小纤维，该纤维可提高含碳球团基体中颗粒界面的黏附效应，从而令球团的机械强度增大[18]；另一方面，蔗渣残存糖分在碱化作用下可生成果胶、单宁以及其他糖类物质，在球团孔隙中以溶胶形式存在，干燥脱水后在矿粉、煤粉颗粒之间形成桥连接，令干球受到外界载荷或冲击时保持完整而不破裂，而原本填充在纤维素结构单位之间、具有巨大空间网状结构的木质素，在高温碱性环境下通过亲核反应被分解为较小单元，亲水基团数量上升，固结效果较好.但碱化时间过长，具有较强黏结能力的纤维素发生部分水解，纤维结构受到破坏，其连结、拉伸作用被弱化，而分解得到的液体糖类物质的黏结效果差，导致含碳球团的机械强度下降[19-21].
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| 图 2 蔗渣碱化时间对含碳球团机械强度的影响 Fig. 2 Influences of alkalization time of bagasse on cool strength of carbon-bearing pellet |
2.2 NaOH质量浓度及碱化温度对球团机械强度的影响
固定温度为95 ℃，碱化时间为5 h，考察NaOH质量浓度对含碳球团机械强度的影响.由图 3可知，NaOH质量浓度对球团机械性能的作用效果强于碱化时间.当NaOH质量浓度达到7 %时，落下与抗压性能达到最大值，分别为70.3 N与19.7次/0.5 m，这是因为：在NaOH质量浓度低于7 %时，随着NaOH质量浓度的上升，甘蔗渣中木质素和木聚糖的含量逐渐降低，具有较强黏结能力的纤维素仅发生部分水解，并且水解产物是具有较强黏结能力的糖类物质[15, 22]，使得球团的抗压与落下强度均随NaOH质量浓度的上升而增加，当NaOH质量浓度大于7 %时，NaOH会加剧纤维素的水解，破坏纤维素的结构.因此，碱化蔗渣的黏结性能随着碱化浓度的上升而下降；如图 4所示为碱化温度对球团强度的影响，曲线变化趋势与前两个因素相似但相对平缓.碱化温度的升高能促进植物纤维中脱木质素和碳水化合物的溶出，但温度过高会破坏纤维素和木质素结构，使得黏结能力减弱.
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| 图 3 NaOH质量浓度对含碳球团机械强度的影响 Fig. 3 Influence of concentration of NaOH on cool strength of carbon-bearing pellet |
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| 图 4 碱化温度对含碳球团机械强度的影响 Fig. 4 Influence of alkalization temperature on cool strength of carbon-bearing pellet |
2.3 造球压力对球团机械强度的影响
图 5所示为碱化时间5 h，温度95 ℃，NaOH质量浓度7 %条件下造球压力对含碳球团抗压强度与落下强度的作用关系.结果表明：球团强度随成型压力的增大呈现先增大然后逐渐降低的趋势，压力值在15 MPa时两项强度指数达到最大值，分别为15.0次/0.5 m与89.4 N.当成球压力小于15 MPa时，造球压力越大，球团内部孔隙隙越小，接触越紧密，原料之间的毛细黏结力和内摩擦力得到提升，同时压力的上升使得不同部位的液体黏结剂相互接触，促使更大范围内的原料颗粒成为一个受力整体，因此球团机械强度呈上升趋势[23-25].当成球压力超过15 MPa时，原料颗粒发生脆化开裂，而新生成的表面之间的内聚力较小，球团结构的连续性遭到破坏，同时，较大压力容易破坏蔗渣纤维结构，弱化其对球团基体的界面黏附效应；此外，压力过高致使球团内部液体黏结剂被挤压至球团表面，起不到固结作用，造成脱模困难，，也会降低球团强度.
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| 图 5 造球压力对含碳球团机械强度的影响 Fig. 5 Influence of pelletizing pressure on the cool strength of carbon-bearing pellet |
2.4 正交试验
如表 4所列为正交试验的结果，可见当造球压力为15 MPa，NaOH质量浓度为9 %，碱化温度为105 ℃，碱化时间为4 h时，含碳球团的落下强度与抗压强度同时达到最大值，分别为22.6次/0.5 m与79.3 N/个.以落下强度为例，对表 4中试验结果进行分析，以SA1表示因素A在水平1的落下强度之和，SA2表示因素A在水平2的落下强度之和，SA3表示因素A在水平3的落下强度之和，SA4表示因素A在水平4的落下强度之和，即：
| 表4 正交试验结果 Table 4 Results of orthogonal test |
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| $ {S_{A1}} = 13.5 + 16.3 + 12.4 + 17.9 = 60.1 $ | (1) |
| $ {S_{A2}} = 11.3 + 8.8 + 13.1 + 10.9 = 44.1 $ | (2) |
| $ {S_{A3}} = 13.2 + 16.7 + 18.3 + 17.9 = 66.1 $ | (3) |
| $ {S_{A4}} = 8.5 + 17.2 + 22.6 + 18.2 = 60.9 $ | (4) |
将SA1、SA2、SA3与SA4分别除以各因素的水平数得到：
| $ \overline {{K_{A1}}} = {S_{A1}}/4 = 15.025 $ | (5) |
| $ \overline {{K_{A2}}} = {S_{A2}}/4 = 11.025 $ | (6) |
| $ \overline {{K_{A3}}} = {S_{A3}}/4 = 16.525 $ | (7) |
| $ \overline {{K_{A4}}} = {S_{A4}}/4 = 16.725 $ | (8) |
其中
| 表5 正交试验结果（落下强度/次） Table 5 Results of orthogonal test (drop strength) |
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| 表6 正交试验结果（抗压强度/N） Table 6 Results of orthogonal test (compressive strength /N) |
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3 结论
1) 单因素实验表明：随着造球压力和NaOH浓度的增大、碱化温度升高以及碱化时间的延长，生球的落下强度和抗压强度均表现为先升高后降低.
2) 通过正交试验分析了造球压力、NaOH质量浓度、碱化温度和碱化时间这4个因素对含碳球团机械强度的影响，结果表明：影响抗压强度的主要因素亦为NaOH质量浓度与造球压力，其次为碱化时间，而影响程度最小的是碱化温度.
3) 正交试验结果表明：当造球压力为15 MPa，NaOH质量浓度为9 %，碱化温度为105 ℃，碱化时间为4 h时，含碳球团的落下强度与抗压强度同时达到了最大值，分别为22.6次/0.5 m与79.3 N，完全满足转底炉生产要求.
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