中钢集团鞍山热能研究院有限公司对神木兰炭粉作为含碳球团还原剂进行了系统研究，在试验研究中，主要考虑如下两个问题：
（1）目前含碳球团中使用的还原剂通常为无烟煤粉或焦粉，试验中采用鞍钢焦粉、大安山无烟煤粉和神木兰炭粉进行对比；
（2）还原后的含碳球团用户主要是电炉炼钢，故含碳球团采用高品位国产铁精矿粉为原料。
4.1.3.1 试验原理
铁矿含碳球团系指由含铁粉料配以固体还原剂（煤粉和焦粉等）与适当的黏结剂经充分混合后，经造球机造球或压球机压制而成的一种含碳含铁的小球或含碳含铁的冷压块，简称为含碳球团。
含碳球团具有如下特点：取消了高温氧化球团生产环节；内配碳可自还原，只需外部提供很少的热量；反应速率快，因此生产率高；突破了铁矿石直接还原的温度障碍，还原温度可提高到1200℃以上仍能正常生产；原料适用广，含碳原料可以是木炭、焦粉、煤粉，含铁原料可以是普通铁矿，也可以是难选贫铁矿，还可以是高炉、转炉等生产过程中产生的粉尘。含碳球团由于其多种优越的特性已被广泛使用在直接还原、熔融还原和高炉冶炼中。
按碳热还原的二步还原机理，含碳球团的还原过程为：
则由公式（4-16）和公式（4-17）可得公式（4-18）：
还原剂对含碳球团还原过程的影响主要表现在还原温度和还原耗热量。在采用神木兰炭粉为铁矿含碳球团固体还原剂的试验研究中，分别采用两种试验技术，一种是综合热分析技术，另一种是含碳球团还原热重试验技术。研究内容主要为还原剂种类以及还原剂配比对含碳球团还原过程的影响。
4.1.3.2 试验内容
试验采用的原料为大磁铁精矿粉，化学成分见表4-14。还原剂为神木兰炭粉、焦粉和大安山无烟煤，其工业分析见表4-15。
表4-14 铁精矿化学成分 单位：%
表4-15 还原剂工业分析 单位：%
含碳球团的还原性与还原剂粒度有关，粒度愈细，表面活性愈大，还原性越好。为了评价不同还原剂的还原性能，在还原剂制粉时控制不同的还原剂的粒度及其组成，使其尽可能相近。采用激光粒度分布测量仪（GSL-101BⅡ）测得的兰炭粉、焦粉和无烟煤的粒度检测结果见表4-16。兰炭粉、焦粉和无烟煤的粒度在0.2～0.5μm的比例分别为90.39%、84.68%和82.51%，粒度组成基本相近。
表4-16 原料粒度分布（%）
按还原剂中固定碳与铁精矿中与铁氧化物结合的氧的摩尔比CFC／O（mol／mol）进行配料，人工混合后进行热分析还原试验和含碳球团造球与还原试验。CFC／O为1.1时不同还原剂的质量配比见表4-17，CFC／O分别为1.1、1.0、0.9、0.8时兰炭粉的质量配比见表4-18。
表4-17 碳氧比为1.1时含碳球团的不同还原剂质量配比 单位：%
表4-18 兰炭粉作还原剂不同碳氧比时含碳球团的还原剂质量配比 单位：%
含碳球团的制备：将还原剂、铁精粉和水玻璃（6%）根据试验所需要的配比进行混料，在直径为500 mm的圆盘造球机上对混合料进行造球；从中筛取出直径为11～13 mm的球团，在干燥箱内干燥12 h，干燥温度为110℃。
4.1.3.3 试验结果
（1）热分析试验结果。
1）还原剂的气化特性。(www.xing528.com)
三种不同还原剂气化特征参数见表4-19。由表4-19可见：
a.兰炭粉的气化开始温度和结束温度均低于焦粉和无烟煤；
b.兰炭粉的气化温度区间小于焦粉，但大于无烟煤；
c.兰炭粉最大气化速率对应的温度为1033℃，比焦粉和无烟煤的分别低103℃和87℃，表明兰炭粉的气化性能明显好于焦粉和无烟煤。
表4-19 不同还原剂的气化特征参数
2）还原剂的还原特征。
不同还原剂的还原特征参数见表4-20。由表4-20知：兰炭粉作为还原剂时的还原开始温度低于焦粉和无烟煤；还原最大速率与焦粉和无烟煤第一个峰值速率基本相同，低于焦粉和无烟煤第二个峰值速率；还原最大速率对应的温度为1012℃，与兰炭粉最大气化速率对应的温度1033℃也基本相近，比焦粉和无烟煤第二个还原峰值速率对应的温度分别低202℃和160℃；还原结束温度基本相同。
表4-20 不同还原剂还原铁矿粉的特征参数
（2）含碳球团还原试验结果。
1）还原剂的还原性。
还原剂配比为C／O＝1.1、还原温度为1250℃时还原后试样的化学分析结果和失重率见表4-21。由表4-21可见，兰炭粉作还原剂时还原后球团的金属化率与焦粉基本相同，比无烟煤的高，表明兰炭粉的还原性与焦粉基本相同，好于无烟煤。
表4-21 采用不同还原剂时还原后球团的化学分析结果（1250℃，C／O＝1.1）（质量分数）
2）兰炭的配比。
不同兰炭配比时还原后试样的化学分析结果和失重率见表4-22。由表4-22可见，碳氧比为1.1时的金属化率为92.94%，比碳氧比为1.0时的高0.75%；还原度为93.47%，比碳氧比为1.0时的高1.18%，明显高于碳氧比为0.9和碳氧比为0.8的金属化率和还原度。因此，用兰炭作还原剂时，合理的碳氧比为1.0。
表4-22 兰炭粉作还原剂时还原后球团的化学分析结果（1250℃兰炭作还原剂）（质量分数）
3）兰炭作还原剂时的还原温度。
兰炭作还原剂，碳氧比为1.0时不同还原温度还原后试样的化学分析结果和失重率见表4-23。
表4-23 兰炭作还原剂时不同还原温度下还原后球团的化学分析结果（碳氧比为1.0）（质量分数）
由表4-23可见，当温度为1250℃时，球团的金属化率为92.19%，比温度为1200℃和1150℃时分别高出4.58%、20.30%；温度为1250℃时还原度为92.29%，比温度为1200℃和1150℃时分别高出7.52%和6.18%。由此可见，兰炭含碳球团的适宜还原温度是1250℃。
兰炭粉代替焦粉或无烟煤粉与铁矿粉混合物的还原热分析试验和含碳球团的还原试验结果得出，用神木兰炭粉作为含碳球团还原剂是可行的，并具有如下优势：
a.兰炭粉气化性优于焦粉和无烟煤粉，与焦粉和无烟煤粉比较，还原开始温度和达到最高还原速率的温度低，还原过程由焦粉和无烟煤粉作还原剂时的二步还原转变为一步还原。
b.兰炭粉含碳球团中还原剂配比可按碳氧比1.0设置，还原温度为1250℃。
c.含碳球团内铁氧化物的碳热还原是通过碳气化和铁氧化物间接还原两个反应耦合完成的。还原前期，含碳球团的还原速率主要由碳气化速率控制，兰炭粉与焦粉和无烟煤粉比较，因其具有良好的还原性，还原反应一步完成，还原最大速率对应的温度区域比焦粉和无烟煤粉的低150℃。因此，兰炭含碳球团在还原前期的耗热可用低品质的热源提供。但是，还原后期含碳球团还原速率由碳气化转变为铁氧化物还原，为了保证还原后球团有较高的金属化率，还原最高温度不能降低，仍然为1250℃左右。
d.用兰炭作还原剂的含碳球团，因在还原过程中可用低品质的热源，是一种优良的还原剂。
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