本發明涉及鋼鐵冶金與資源綜合利用領域，尤其涉及一種電弧爐發泡用生物質炭壓塊的制備方法。

背景技術：

1、電弧爐（eaf）造泡沫渣的核心在于碳熱還原反應所產生的一系列含一氧化碳的氣體流（主要為c?+?feo→fe?+?co，并通過feo?+?co→fe?+?co2與co2?+?c?2co的布杜阿反應循環維持），該氣體在爐渣-金屬界面成核、長大并被渣體黏度所“滯留”，形成具有熱-聲-電屏蔽效應的泡層。穩定的泡層能夠顯著遮蔽電弧、降低二次輻射熱損、抑制飛濺與噪聲，并減少電極燒損與爐襯沖刷，從而帶來電耗降低、冶煉時間縮短與耐材壽命提升的綜合效益。上述效應受多因素耦合控制：渣中feo活度與傳質、渣黏度與表面張力窗口、碳源的化學反應性/孔結構/幾何穩定性、以及加料節拍與攪拌強度等。其中，碳源的反應速率和氣體釋放方式直接決定起泡誘導期、泡層穩態高度與壽命，是實現“可控起泡-持久穩泡”的關鍵。

2、在“碳達峰-碳中和”的政策約束與成本約束下，鋼鐵工業正加速向短流程、電爐化、低碳化轉型。相較長流程，高比例廢鋼+eaf的路徑具備顯著的單位碳排與能耗優勢；而在eaf內部，泡沫渣被公認為提升熱效率與裝備安全性的第一性手段之一。傳統造泡碳源（無煙煤、焦粉、石油焦等）依賴化石碳，碳足跡高且反應溫度高、誘導期長、穩泡波動大。采用生物質碳部分或替代化石碳，不僅可直接降低原生化石碳用量與過程碳排放，還可通過對生物質炭的孔結構與灰分組成工程化設計，在保持或提升泡沫渣性能的同時，改善渣系與耐材相容性，實現能效-減排-穩定性的統一。

3、現階段工業與學術界的造泡實踐主要集中在三類路徑：其一，化石碳粉/塊直接投加或噴吹，優點是來源廣、成本低，但存在起反應溫度高、誘導期難控、粉化揚塵與強度不足等問題；其二，復合壓塊/噴吹粉（如碳+石灰/白云石）以期兼顧補渣與造泡，但常因灰分與目標渣c/s、mgo飽和度不匹配而導致渣黏度偏離最佳窗口，出現“快起快滅”或“過泡外溢”；其三，生物質炭引入的探索雖可提升反應活性、具可再生屬性，卻普遍受制于堿金屬含量高（致升黏/侵蝕）、機械與熱穩定性不足、反應過快難以穩泡等瓶頸。

4、因此，針對現有技術的不足，需要提供一種適用于煉鋼造泡沫渣的穩定與高效控制的生物質炭壓塊。

技術實現思路

1、鑒于現有技術中存在的問題，本發明提供了一種電弧爐發泡用生物質炭壓塊的制備方法，該壓塊通過礦相與孔結構協同調控、適配高feo爐渣體系，有利于高效煉鋼造渣和可持續發展。

2、為達此目的，本發明采用以下技術方案：

3、第一方面，發明提供了一種電弧爐發泡用生物質炭壓塊的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

4、在惰性氣氛下對粉末生物質進行第一炭化，獲得半焦；所述半焦與渣相適配劑、反應調速劑和孔結構/強度調控劑混合得到混合物料；對所述混合物料進行加壓成型和干燥，得到塊體；在惰性氣氛下對所述塊體進行二次炭化，得到生物質炭壓塊。

5、本發明提供的生物質炭壓塊的制備方法，通過“灰分成分匹配-孔結構梯度-微催化”協同設計，所制壓塊兼具力學與熱穩定性、渣系相容性及可持續性，在eaf高feo渣中實現可控氣體釋放與穩泡，提升泡沫指數，降低電耗，適用于電弧爐短流程煉鋼造泡沫渣的穩定與高效控制。

6、作為本發明的一個優選技術方案，所述生物質包括木質和/或果殼，例如可以是椰殼、木枝木屑、竹子、玉米秸稈或農林剩余物等。

7、優選地，所述生物質中的堿金屬k2o+na2o含量<1.0?wt%。

8、優選地，所述惰性氣體包括氮氣和/或氬氣，濃度≥99.9%。

9、優選地，所述粉碎處理后生物質粒徑為0.5~2.0mm。

10、優選地，所述第一炭化前還進行預處理，所述預處理包括對生物質進行清洗、干燥和粉碎過篩，采用去離子水清洗1~3次后在105~120℃下進行2~6h的干燥處理，粉碎過篩的篩孔徑為0.5~3mm。

11、作為本發明的一個優選技術方案，所述第一炭化的溫度為350~600℃，例如可以是350℃、400℃、450℃、500℃、550℃或600℃等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

12、優選地，所述炭化的升溫速度為3~15℃·min-1，例如可以是3℃·min-1、7℃·min-1、11℃·min-1或15℃·min-1等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

13、優選地，所述炭化的保溫時間為20~120?min，例如可以是30?min、60?min、80?min、90?min或120min等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用，優選時間為30~90?min。

14、本發明所述半焦的目標揮發分≤12?wt%，固定碳≥70?wt%。

15、優選地，所述半焦的灰分中k2o+na2o≤1.0?wt%。

16、作為本發明的一個優選技術方案，所述渣相適配劑包括cao、mgo或al2o3中的任意一種或兩種的組合，其中典型但非限制性的組合為cao和mgo的組合、cao和al2o3的組合、mgo和al2o3的組合，

17、優選地，以混合物料計，所述渣相適配劑中含有cao?12~28%，例如可以是12%、16%、20%、24%或28%等；含有mgo?2~10%，例如可以是2%、4%、6%、8%或10%等；含有al2o3?0~6%，例如可以是0%、2%、4%或6%等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

18、本發明中，以終渣計，渣相適配劑使壓塊灰分經換算后在eaf目標渣系中呈現基本度c/s=1.6~2.2、mgo?8~15?wt%的補給效應。

19、優選地，所述反應調速劑為含鐵氧化物，以壓塊計，其用量為2~4?wt%，例如可以是2wt%、3wt%或4wt%等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

20、優選地，所述含鐵氧化物選自fe2o3和/或fe3o4。

21、優選地，所述含鐵氧化物的粒度d50為1~5μm，例如可以是1μm、2μm、3μm、4μm或5μm等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

22、本發明所述含鐵氧化物的前驅體是可以原位生成cafe2o4的鈣鐵復合鹽溶液或溶膠，所述溶液由鈣鹽與鐵鹽按ca:fe=1:2（摩爾比）配置，可選自硝酸鈣和硝酸鐵的組合、乳酸鈣和乳酸鐵的組合以及檸檬酸鈣和檸檬酸鐵的組合，其固含量按cafe2o4計為0.5~3.0wt%（以混合物料計），例如可以是0.5%、1%、1.5%、2%、2.4%或3%等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

23、優選地，所述孔結構/強度調控劑包括有機黏結劑和孔劑。

24、優選地，所述有機黏結劑包括木質素磺酸鹽和/或糖蜜。

25、優選地，所述孔劑包括淀粉和/或cmc。

26、優選地，以質量分數計，所述混合物料中含有半焦55~80%，例如可以是55%、60%、65%、70%、75%或80%等；含有渣相適配劑12~44%，例如可以是12%、16%、20%、24%、28%、32%、36%、40%和44%等；含有含鐵氧化物1~6%，例如可以是1%、2%、3%、4%、5%或6%等；含有機黏結劑3~8%，例如可以是3%、4%、5%、6%、7%和8%等；含有孔劑0.5~4%，例如可以是0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%和4.0%等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

27、本發明中，所述混合采用5~15min的高剪切混合，所述高剪切混合包括干法或濕法混合，其中濕基含水6~12%，顆粒溫度<6℃。

28、作為本發明的一個優選技術方案，所述加壓成型的壓力為80~120?mpa，例如可以是80?mpa、90?mpa、100?mpa、110?mpa或120mpa等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

29、優選地，所述加壓成型的時間為30~60?min，例如可以是30?min、40?min、50?min或60min等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

30、本發明所述加壓成型后置于120~180℃熱風中干燥1~3h，使得表觀含水量≤3%，塊體為枕形、圓柱形或片狀之一，特征尺寸為長（或直徑）30~60?mm、厚（或高）15~40mm。

31、作為本發明的一個優選技術方案，所述二次炭化的溫度為800~950℃，例如可以是800℃、830℃、860℃、890℃、920℃或950℃等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

32、優選地，所述保溫時間為20~60min，例如可以是20min、30min、40min、50min或60min等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

33、優選地，所述二次炭化后還包括5~20?min水汽活化，例如可以是5min、10min、15min和20min等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

34、本發明所述水汽活化使所述壓塊bet比表面積達80~250m2/g，平均孔徑1~10μm，貫通孔比例≥40%，形成“內核高活性-外層中等活性”的梯度孔結構。

35、作為本發明的一個優選技術方案，所述二次炭化后還進行表面處理。

36、優選地，所述處理表面采用溶液噴涂表面并烘干。

37、優選地，所述溶液包括水玻璃和/或膠體硅溶液。

38、優選地，所述覆膜壓塊的表層薄膜厚度≤50μm，例如可以是10μm、20μm、30μm、40μm或50μm等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

39、優選地，所述表層薄膜的渣基sio2引入量≤0.2?wt%。

40、第二方面，本發明提供了一種生物質炭壓塊，所述生物質炭壓塊通過第一方面提供的制備方法制備得到。

41、本發明所制備的生物質炭壓塊具備貫通孔比例≥40?%、平均孔徑1~10μm、比表面積80~250?m2·g-1、落下強度（1m，自由落體）≥3次完好。

42、第三方面，本發明提供了一種生物質炭壓塊的應用，所述生物質炭壓塊應用于于電弧爐冶煉中。

43、優選地，所述生物質炭壓塊分段投加于成渣與熔池形成階段。

44、本發明所述分段投加是將所述壓塊以0.8~2.0?kg·t-1鋼的總量分2~8次加入爐渣中，使爐渣中渣溫保持在1550~1650℃、黏度控制在0.25~0.60?pa·s，從而建立并維持穩定泡層。所述壓塊的分段投加節拍份為“引泡-穩泡-保泡”三個階段：熔池初成時單次0.10~0.30?kg·t-1鋼引泡，隨后每1~3?min補加0.10~0.25?kg·t-1鋼以穩泡，并在臨近出鋼前視泡層狀況進行一至兩次小劑量保泡。

45、優選地，所述爐渣中feo的質量分數為20~30?%，例如可以是20%、22%、24%、26%、28%或30%等，但并不僅限于所列舉的數值，該數值范圍內其他未列舉的數值同樣適用。

46、優選地，所述分段投加生物質炭壓塊過程中還加入石灰/白云石。

47、優選地，所述電弧爐內的發泡高度采用鋼棒沾取法監測。

48、本發明所述鋼棒沾取法監測發泡高度的步驟為：

49、采用耐溫刻度鋼棒（φ6~8mm，前端90°擋肩，刻度1mm），表面刷涂薄層al2o3懸浮液并干燥以提高泡沫/渣附著可視性；以坩堝上口為固定支點，配定位環確保每次插入角度與深度一致；在無泡狀態下，緩慢觸及實際渣面并迅速拔出，記錄棒體“濕痕/結渣痕”位置，得到基線高度h0；在引泡投加階段，投入本發明壓塊進行首次沾取，輕觸泡層上沿即撤出，讀取泡層上沿“濕痕”高度h1(t)；泡層高度差：δh(t)=h1(t)-h0。

50、本發明所述的數值范圍不僅包括上述例舉的點值，還包括沒有例舉出的上述數值范圍之間的任意的點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。

51、與現有技術方案相比，本發明至少具有以下有益效果：

52、（1）本發明采用生物質炭替代傳統的化石碳，降低了原生化石的碳用量和碳排放，解決傳統造泡碳源碳足跡高、反應溫度高、誘導期長且穩泡波動大的問題，有利于可持續發展。其與石灰/白云石常規造渣制度協同實施，通過微量含鐵氧化物料的補給使t.fe維持在合理范圍內，以獲得可重復的起泡誘導與穩泡平臺、降低電耗并減緩渣線耐材侵蝕，有效提升了爐內多元渣系的化學相容性與結構穩定性；

53、（2）本發明提供的生物質炭壓塊中具有“核-殼”多尺度貫通孔，巨大的比表面積和豐富的反應位點，能夠降低c-feo反應的表觀能壘、縮短誘導期并平滑氣體通量，使發泡反應更迅速、爐渣發泡更均勻穩定，從而大幅提升熱效率；

54、（3）本發明在生物質炭壓塊表面引入一層致密的涂層，能夠在早期傳質受限階段實現溫和起泡、減少粉化揚塵與投加損失。