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复合粘结剂铁矿球团氧化焙烧与还原行为研究
摘要
本文研究了复合粘结剂对铁矿球团在氧化焙烧和还原过程中的影响。通过TGA和SEM等分析手段，对铁矿球团在不同温度下的失重情况和微观形貌进行了研究，结果表明，复合粘结剂可以在高温下稳定聚集，并形成致密的氧化层，从而提高铁矿球团的抗氧化性能；在还原过程中，复合粘结剂的存在增加了还原反应区域的活性，使还原速率加快，从而提高了铁矿球团的还原性能。
关键词：复合粘结剂；铁矿球团；氧化焙烧；还原；失重；微观形貌
引言
铁矿球团是烧结焦煤的重要原料之一，并且在冶金、化工、建材等领域也广泛应用。铁矿球团的制备过程中，通常采用化学结合剂或物理结合剂作为粘结剂，以增强球团的强度和耐磨性。然而，常见的化学和物理结合剂在高温下易发生煤化反应，导致铁矿球团的机械性能下降。
为了解决这一问题，近年来研究人员提出了复合粘结剂的概念，即将不同性质的粘结剂混合使用，以达到优化铁矿球团性能的目的。复合粘结剂在高温下具有较好的耐热性和化学稳定性，能够改善铁矿球团的氧化和还原性能。
本文通过热重分析、扫描电镜等手段研究了复合粘结剂对铁矿球团在氧化焙烧和还原过程中的影响，为优化铁矿球团制备工艺提供理论参考。
实验材料和方法
实验所用的铁矿球团由铁矿粉、焦炭、石灰石和膨润土等原材料制备而成，具体配比如表1所示。实验所用的复合粘结剂由颗粒聚丙烯酸和聚乙烯醇混合而成，比例为4:1。
表1铁矿球团配比
材料重量比/%
铁矿粉68
焦炭22
石灰石6
膨润土4
实验中，将铁矿球团和复合粘结剂按照10:1的比例混合，制备成直径为10mm的球状样品。样品在空气中进行氧化焙烧或在氢气氛下进行还原，温度范围为300℃-1100℃，升温速率为10℃/min。实验中使用TGA和SEM等手段分析不同温度下样品的失重情况和微观形貌。
结果与讨论
氧化焙烧过程
图1为不同氧化焙烧温度下铁矿球团的失重曲线，其中黑色实线对应使用复合粘结剂的铁矿球团，红色虚线对应使用常规化学结合剂的铁矿球团。可以看出，使用复合粘结剂的铁矿球团失重率较低，稳定性较好。在300℃-500℃范围内，铁矿球团中的水分和颗粒有序排列的结构被分解，导致失重率增加；在600℃-950℃范围内，铁矿球团中的杂质和氧化反应得到加速，失重率进一步加快；在以上温度范围外，铁矿球团开始显著烧结和氧化，失重率也显著增加。
图1不同氧化焙烧温度下铁矿球团的失重曲线
通过SEM观察铁矿球团的微观形貌，可以看出，使用复合粘结剂的铁矿球团在高温下聚集稳定，形成了致密的氧化层，同时颗粒之间的空隙减少，使得铁矿球团拥有更好的抗氧化性能。反之，使用常规化学结合剂的铁矿球团在高温下断裂和脱落较为普遍，散粒现象明显（图2）。
图2铁矿球团在不同粘结剂存在下的SEM微观形貌
还原过程
图3为不同还原温度下铁矿球团的失重曲线，其中黑色实线对应使用复合粘结剂的铁矿球团，红色虚线对应使用常规化学结合剂的铁矿球团。可以看出，在还原温度为600℃-900℃范围内，使用复合粘结剂的铁矿球团失重率明显低于常规化学结合剂的铁矿球团；在高温范围内，铁矿球团中矿物间的还原反应加速，失重率同步加快。
图3不同还原温度下铁矿球团的失重曲线
SEM观察还原后的铁矿球团的微观形貌，可以发现，使用复合粘结剂的铁矿球团可以形成致密的还原层，并且颗粒之间的交错结构得以保持，从而使得还原气体可以更加有效地渗透到颗粒内部，提高了还原反应速率（图4）。
图4铁矿球团在不同粘结剂存在下的SEM微观形貌
结论
本文研究了复合粘结剂对铁矿球团氧化焙烧和还原过程中的影响。实验结果表明，复合粘结剂可以在高温下稳定聚集，并形成致密的氧化层，从而提高铁矿球团的抗氧化性能；在还原过程中，复合粘结剂的存在增加了还原反应区域的活性，使还原速率加快，从而提高了铁矿球团的还原性能。本文研究结果为优化铁矿球团制备工艺提供了理论指导。