工业硅生产用碳质还原剂球团的制备研究

木炭灰分低、化学活性强、孔隙率高、比电阻大、高温下不易石墨化，是工业硅生产的最佳碳质还原剂。目前，森林资源的日益匮乏，国家对生态环境保护愈加重视，诸多木炭厂停产，对工业硅生产造成严重影响，因此，寻找替代木炭的碳质还原剂迫在眉睫。石油焦固定碳含量高（一般85%以上）、比电阻大（近乎绝缘）、灰分低（一般0.5%～0.8%）、孔隙率较高（30%～35%）以上特性都非常适合作为工业硅生产用碳质还原剂[1]。石油焦在大容量电炉的使用粒度为（5～20）mm，小容量的电炉中使用粒度为（3～10）mm。本实验以石油焦粉为原料，为保证炉料具有良好的透气性[2]，高的比电阻以及大的反应面积，需要将石油焦粉压制成团方能使用。

1 实验

1.1 实验原料

本实验采用的是云南某厂提供的石油焦粉，其化学成分分析如表1所示。

表1 石油焦粉化学成分Tab.1 The chemical component of petroleum coke powder%成分 固定碳 水分 挥发分 灰分 CaO Fe Al2O3含量 88.22 0.27 11.08 0.43 ＜0.005 0.14 4.88

1.2 成型过程

将石油焦粉、微硅粉以及粘结剂按混匀，并加入润湿介质，待固液两相充分混合后，置入模具，通过冷压成型制备成圆柱体，其直径45 mm，高（55～66）mm。实验流程如图1所示。成型过程中，影响球团性能的因素主要为：微硅粉含量、润湿介质的种类、含水率、成型压力、润湿介质浓度、粘结剂含量，本实验研究以上因素对球团性能的影响。

图1 实验流程图Fig.1 The experiment flow chart

1.3 性能检测

本实验考察球团湿球抗压强度、干球抗压强度、抗碎率、热强度以及孔隙率。湿球抗压强度和干球抗压强度使用WHY型抗压强度测试仪进行测试。球团脱模后，立即进行湿球抗压强度测试。将球团在室温下放置至质量变化小于1%时，进行干球抗压强度、抗碎率、热强度和孔隙率的测试。将干燥的球团从2 m处下落至一定厚度的钢板3次，＞25 mm的筛上部分含量作为抗碎率的检测指标。将球团直接置入1 000℃的井式炉中，炉温在8 min内升温至1 000℃，保温30 min后取出，冷却至室温，将烧结球团从2 m下落至一定厚度的钢板1次，＞13 mm的筛上部分含量作为热强度的检测标准。孔隙率采用石蜡法进行检测[3，4]。

2 实验结果分析

2.1 微硅粉含量对球团性能的影响

工业硅生产过程中，矿热炉内产生的SiO2气体和Si气体具有很强的挥发性，气体排放后在空气中迅速氧化并冷凝。在相变过程中，因受表面张力作用，形成无定形球状颗粒，微观形貌如图2所示。微硅粉主要成分为SiO2[5]，呈非晶态，平均粒径 （100～300）nm，比表面积 （2.0～2.8）×104m2/kg，化学反应活性强[6]。

图2 微硅粉微观形貌图Fig.2 The microtopography of microsilica

NaOH溶液浓度为4.0 mol/L，含量取8.0%；成型压力为20 MPa，粘结剂含量为3.0%。微硅粉含量对球团性能的影响如图3所示。实验结果表明：加入微硅粉后，球团的性能大幅提升。这是由于大量结构不规则分子和原子存在于微硅粉颗粒的表面，使其化学反应活性很高，与润湿介质NaOH溶液具有很强的反应能力，其反应方程式如式（1）所示。生成物Na2O·SiO2为凝胶体，是粘结剂水玻璃的主要成分。此外，微硅粉颗粒会填充球团成型过程中的微小孔隙，进一步提高球团的强度。当微硅粉含量过高时，会造成生产过程渣量增加，影响炉况，适量添加对生产负面影响小[7]。

当微硅粉的含量＜8.0%时，除孔隙率外，其他性能随着微硅粉含量的增加而增加，当其含量＞8.0时，以上性能均有不同程度下降。抗碎率在微硅粉含量为3.5%时最大，然后随微硅含量的增加而略有降低，综合考虑，选择微硅粉的含量为8.0%。

2.2 润湿介质对球团性能的影响

微硅粉含量为8.0%，成型压力为20 MPa，不同条件下，球团性能如表2所示。

图3 微硅粉含量对球团性能的影响Fig.3 The effect of microsilica content on pelleting performance

表2 不同润湿介质下球团性能Tab.2 The pelleting performance with the different wetted media润湿介质性能序号 粘结剂含量/%孔隙率/%1# - - 10.0 442.4 3 050.1 17.30 0 26.20水含量/%NaOH 溶液（4.0 mol/L）含量/%湿球抗压强度/N干球抗压强度/N抗碎率/%热强度/%2# - 10.0 - 414.3 2 013.5 0 0 26.89 3# 3.0 - 10.0 626.2 5 066.2 96.07 60.42 26.20 4# 3.0 10.0 - 372.0 5 008.2 0 6.21 27.31

将1#与3#、2#与4#球团分别做比较，结果表明当以水和NaOH溶液为润湿介质时，粘结剂的添加均有利于球团性能的提高。在不加入粘结剂的情况下也能够成型。水分子被石油焦颗粒吸附成水化膜，颗粒通过水化膜连接而成型。在球团干燥过程中，随着含水率的降低，水化膜变薄，其表面张力增加，分子间范德华力增加，石油焦颗粒间摩擦力增大，并产生一定的机械啮合力。随着球团含水率的下降，分子间范德华力和颗粒间的机械啮合力使球团强度进一步提高。

文章来源：《烧结球团》 网址: http://www.sjqtzz.cn/qikandaodu/2021/0730/560.html