轧钢厂氧化铁皮废料的球团化研究：烧结机制的热力学解析及其在氢基直接还原中的应用价值

本文聚焦轧钢氧化铁皮(Mill scale)的回收利用，通过钠基膨润土(Na-bentonite)和羧甲基纤维素(CMC)两种粘结剂的球团化实验，结合X射线衍射(XRD)、穆斯堡尔谱等技术分析800-1200℃烧结过程中矿物相演变。研究采用FactSage 8.3热力学模拟揭示了钙铁酸盐(CaFe2O4/Ca2Fe2O5)的形成机制，为氢基直接还原(H2-DRI)提供高孔隙度(>30%)且抗压强度(>300N)的优质原料，对钢铁工业低碳转型具有重要实践意义。

　　

亮点

材料特性

实验采用的轧钢氧化铁皮来自西班牙CELSA公司，经原子吸收光谱测定含铁量达72%（主要为方铁矿FeO、磁铁矿Fe₃O₄和赤铁矿α-Fe₂O₃），平均粒径21.5μm，含油量7.5g/kg。穆斯堡尔谱分析否定了金属铁的存在，这与XRD初步检测结果形成有趣对比。

烧结过程热力学计算

氧化反应的热力学模拟揭示了两条关键路径：

6FeO + O₂ → 2Fe₃O₄ (ΔH° = -319.7 kJ/mol)

2Fe₃O₄ + ?O₂ → 3Fe₂O₃ (ΔH° = -110.5 kJ/mol)

FactSage模拟显示这两个反应在800-1200℃均能自发进行（ΔG°<0），赤铁矿的形成解释了烧结后球团机械强度提升的现象。

钙铁酸盐的生成

在800℃的CaO-Fe-O₂三元相图中，钙铁酸盐CaFe₂O₄和Ca₂Fe₂O₅显示出热力学稳定性。有趣的是，XRD检测到非常规相CaFe₃O₅的微弱信号，这个未被FactSage数据库收录的"神秘物质"为后续研究提供了新方向。

氢基还原的应用前景

烧结过程不仅增强机械强度，更将难还原的FeO转化为易被H₂还原的Fe₂O₃/Fe₃O₄。研究指出，跳过烧结步骤将使直接还原时间延长3-4倍——这对工业化生产的能耗控制至关重要。

结论

钠基膨润土球团在800℃烧结时展现出300N抗压强度和>30%孔隙度的完美平衡，这种"刚柔并济"的特性使其成为氢基直接还原的理想原料。而热力学模拟与实验数据的相互验证，为钢铁废料回收工艺提供了可靠的理论框架。