铁焦初始反应温度影响因素分析

史世庄，罗永辉，毕学工，李　鹏，毛彦高，郑　齐，汪恭二，刘　威

(1.武汉科技大学煤转化与新型炭材料湖北省重点实验室，湖北 武汉,430081；2.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉,430081)



铁焦初始反应温度影响因素分析

史世庄1，罗永辉1，毕学工2，李鹏2，毛彦高1，郑齐1，汪恭二1，刘威2

(1.武汉科技大学煤转化与新型炭材料湖北省重点实验室，湖北 武汉,430081；2.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉,430081)

摘要：通过在炼焦配煤中分别添加加拿大BLC、澳大利亚FMC和中国鄂西铁矿粉炼制铁焦，研究添加铁矿粉的种类及配比、入炉煤的性质和堆积密度等对铁焦初始反应温度的影响。结果表明，在配煤中添加10%铁矿粉所制铁焦的初始反应温度显著降低，其中添加鄂西铁矿粉所制铁焦的初始反应温度最低，比添加加拿大BLC铁矿粉所制铁焦的初始反应温度低54 ℃;铁焦的初始反应温度随铁矿粉中 SiO2含量的增加而降低；随着炼焦配煤中添加铁矿粉比例的增加，铁焦的初始反应温度呈线性降低，当添加20%加拿大BLC铁矿粉时，铁焦的初始反应温度较未添加时低255 ℃；入炉煤的性质和堆积密度对铁焦初始反应温度的影响较小。

关键词：铁焦；初始反应温度；影响因素；铁矿粉；添加；炼焦配煤

铁焦不仅具有高反应性焦炭的性能，还具有还原铁的特性[1]。铁焦内部含有 50 μm 以下的超微细金属铁粉末[1-2]，其催化作用使碳溶损反应的活化能下降、反应温度降低[3-5]，在高炉上使用时，能降低热储备区的温度[6-7]，使还原反应速度加快，还原铁矿石的反应在较低温度下也能开始进行，可大幅降低燃料比，减少CO2排放[1,8]。研究表明，向铁矿石中混入铁焦可使高炉炉料软化结束温度升高、滴落温度下降，使得软熔区间大幅收窄，能够显著改善高炉料柱的透气性[4]。日本JFE公司的工业试验表明，在高炉冶炼时，用30%的铁焦替代传统焦炭与矿石混装，一方面可以提高矿石的反应速率，另一方面对普通焦炭起保护作用，使之下降到高炉下部时仍有较好的强度，提高下部的透气性[1,4]。

焦炭的初始反应温度是指焦炭与CO2开始反应的温度，它是高炉内铁氧化物在上部的间接还原和下部直接还原的分界温度，它决定了高炉热储备区的温度，影响上下部的温度分布和区域热平衡[8,9]。较低的初始反应温度是铁焦的重要特性之一。焦炭初始温度每下降100 ℃，高炉内还原剂消耗量将减少2.1 kg/t，煤气利用效率将提高0.35%[8]。为了开发具有较低初始反应温度的铁焦,需要弄清各种因素对铁焦初始反应温度的影响。为此，本研究通过在炼焦配煤中添加3种铁矿粉炼制铁焦，分析添加铁矿粉的种类及配比、入炉煤的性质等因素对铁焦初始反应温度的影响，以期为铁焦在实际生产中的推广使用提供依据。

1试验

1.1原料

炼焦用煤为武汉平煤武钢联合焦化有限责任公司的配合煤，其配比和性质如表1所示。煤样用颚式破碎机和双辊破碎机粉碎，然后过3 mm筛。

表1　配合煤的配比和性质

炼焦配煤中添加的3种铁矿粉分别为加拿大BLC、澳大利亚FMC和中国鄂西铁矿粉(以下分别简称为加矿粉、澳矿粉和鄂矿粉)，化学成分如表2所示。将3种矿粉均先压碎后过1 mm筛。

表2　铁矿粉的化学成分(wB/%)

1.2铁焦的制备

炼焦试验在5 kg实验室焦炉中进行。按一定质量比称取配合煤和铁矿粉(铁矿粉的占比分别为0、4%、8%、10%、12%、16%和20%)，混匀后向混合料中加水(水分控制在10%)，放入200 mm×220 mm×250 mm的铁箱，用捣固锤捣打铁箱中的混合料，捣固至规定的堆积密度(堆积密度分别为0.7、0.8、0.9、1.0、1.1和1.2 t/m3)。当炉膛温度升至800 ℃时，将铁箱送至焦炉中，程序升温，炭化6 h后出炉，出炉的焦炭采用湿法熄焦后备用。

根据添加铁矿粉种类的不同，将所得焦炭分别命名为常规焦炭(未加铁矿粉)、加矿铁焦(添加加矿粉)、澳矿铁焦(添加澳矿粉)和鄂矿铁焦(添加鄂矿粉)。

1.3分析测试

铁焦初始反应温度测定所用铁焦样的制备按照GB/T4000—2008进行。铁焦初始反应温度的测定在由武汉科技大学与武汉四方光电科技公司联合研制的XS-100型焦炭碳溶损速率测定仪上进行。该测定仪由控制系统、反应炉和尾气测定仪等部分构成，其中控制系统由质量流量控制子系统、温度控制子系统和控制电脑构成；反应炉按GB/T4000—2008所用反应炉型设计；尾气测定仪为Gasboard-3500型红外气体分析仪。将铁焦置于反应炉中，通入CO2气体，按10 ℃/min的速率升温，尾气测定仪在线监测尾气中CO2、CO的浓度，以CO含量为1%时对应的温度为铁焦的初始反应温度。

2结果与讨论

2.1铁矿粉种类对焦炭初始反应温度的影响

在采用1#煤样、入炉煤堆积密度为1.1 t/m3和添加10%铁矿粉的条件下炼制铁焦，所制铁焦和常规焦炭的初始反应温度如图1所示。从图1中可以看出，在炼焦配煤中添加铁矿粉后使得铁焦的初始反应温度显著降低，与未加铁矿粉的常规焦炭相比，加矿铁焦、澳矿铁焦和鄂矿铁焦的初始反应温度分别降低142、192、196 ℃，其中鄂矿铁焦的初始反应温度最低，比加矿铁焦的初始反应温度低54 ℃，这与所添加铁矿粉中SiO2的含量有关。研究表明，当温度低于780 ℃时，与Fe2O3、CaO、MgO、Al2O3相比，SiO2对碳气化的催化能力最强，降低碳的气化起始温度的作用最大[10]。由表2可知，鄂矿粉中SiO2的含量最高、澳矿粉次之、加矿粉最低，而鄂矿铁焦的初始反应温度最低，加矿铁焦的初始反应温度最高。由此表明，铁焦的初始反应温度随铁矿粉中 SiO2含量的增加而降低，即与添加铁矿粉的种类和性质有关。

图1　铁矿粉的种类对焦炭初始反应温度的影响

Fig.1 Effect of kinds of iron ore powder on initial reaction temperature of coke

2.2铁矿粉配比对铁焦初始反应温度的影响

图2　配煤中铁矿粉配比对铁焦初始反应温度的影响

Fig.2 Effect of mixture ratio of iron ore powders in blended coal on initial reaction temperature of ferro-coke

2.3入炉煤性质对铁焦初始反应温度的影响

分别在1#～6#煤样中添加10%的加矿粉，采用入炉煤堆积密度为1.1 t/m3的条件下炼制铁焦。图3为常规焦炭和添加加矿粉所制铁焦的初始反应温度。从图3中可以看出，对每组煤样而言，铁焦的初始反应温度较常规焦炭均大幅度降低，最大降幅达142 ℃；随着入炉煤性质的改变，常规焦炭与铁焦的初始反应温度均有变化，但变化的幅度不大，常规焦炭的初始反应温度在776 ～807 ℃范围内，最大温差为31 ℃；铁焦的初始反应温度在655～675 ℃范围内，最大温差为20 ℃。这是因为，煤料的变质程度不同，生成焦炭的光学显微组织不同，不同光学组织受催化的作用也不同。随着煤料变质程度的提高，煤分子结构的缩合度增加、芳核增大，所得焦炭的光学显微组织中各向同性组分减少、各向异性组分增多，使得焦炭的反应性降低、初始反应温度升高[13]。由表1可知，1#～6#煤样中，变质程度较高的焦煤和瘦煤的配比逐渐减少，使得煤样变质程度逐渐降低，焦炭组织中各向异性组分减少、各向同性组分增多，催化剂对焦炭各向异性组分的催化作用大于对各向同性组分的催化作用[13]，故向1#～6#煤样中添加相同比例的加矿粉所制铁焦的初始反应温度的降低幅度也逐渐缩小。

图3　入炉煤性质对铁焦初始反应温度的影响

Fig.3 Effect of properties of coal charge on initial reaction temperature of ferro-coke

2.4入炉煤堆积密度对铁焦初始反应温度的影响

在1#煤样中添加10%的加矿粉炼制铁焦。图4为入炉煤的堆积密度对常规焦炭和铁焦的初始反应温度的影响。从图4中可以看出，随着入炉煤堆积密度的增加，铁焦的初始反应温度先降低后升高，但变化的幅度不大，最大温差为20 ℃，当入炉煤的堆积密度为1.1 t/m3时，铁焦的初始反应温度最低。这是因为，随着入炉煤堆积密度的增加，铁焦中铁矿粉的还原率和金属铁含量先增大后减小，在1.1 t/m3处出现最大值[14]；与氧化铁比较，金属铁的催化作用更强[15]，而且其粒度微小，可在焦质中均匀分布并与之紧密接触，增加反应活性中心，所以金属铁含量较高时铁焦的初始反应温度较低。

图4　入炉煤堆积密度对铁焦初始反应温度的影响

Fig.4 Effect of bulk density of coal charge on initial reaction temperature of ferro-coke

另外，焦炭的气孔率随着入炉煤堆积密度增大而降低。从图4中还可看出，常规焦炭的初始反应温度基本无变化，表明气孔率的变化对常规焦炭的初始反应温度没有影响，由此推测，焦炭气孔率的变化对铁焦的初始反应温度影响很小。

3结论

(1)与常规焦炭相比，在炼焦配煤中添加铁矿粉所制铁焦的初始反应温度显著降低，在配煤中分别添加10%的3种铁矿粉炼制铁焦，鄂矿铁焦的初始反应温度最低，比加矿铁焦低54 ℃。铁焦的初始反应温度随铁矿粉中 SiO2含量的增加而降低。

(2)随着炼焦配煤中添加铁矿粉配比的增加，铁焦的初始反应温度呈线性降低。当添加20%加矿粉时，铁焦的初始反应温度较未添加时低255 ℃。

(3)入炉煤的性质和堆积密度对铁焦的初始反应温度的影响相对较弱。

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[责任编辑张惠芳]

Factors influencing initial reaction temperature of ferro-coke

ShiShizhuang1，LuoYonghui1,BiXuegong2,LiPeng2，MaoYangao1,ZhengQi1,WangGonger1，LiuWei2

(1. Hubei Coal Conversion and New Carbon Materials Key Laboratory,Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China；2. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education,Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Abstract:Ferro-cokes were prepared by adding 3 kinds of iron ore powder, i.e. Canadian BLC ore, Australian FMC ore and Chinese E’xi ore into coke-making blend coal,respectively. The effects of kind and mixture ratio of iron ore powder as well as properties and bulk density of the coal charge on the initial reaction temperature of ferro-coke were investigated. The results show that the initial reaction temperature of ferro-coke decreases obviously by adding 10% of different iron ore powders, and the initial reaction temperature of ferro-coke prepared by adding E’xi iron ore powder is the lowest, which is 54 ℃ lower than that of ferro-coke prepared by adding Canadian BLC ore powder. The initial reaction temperature of ferro-coke decreases with the increase of SiO2 content in iron ore powder.It decreases linearly with the increase of adding ratio of iron ore powder,and the initial reaction temperature of ferro-coke prepared by adding 20% of Canadian BLC iron ore powder is 255 ℃ lower than that of non-ferrous coke. Properties and bulk density of the coal charge have little influence on the initial reaction temperature of ferro-coke.

Key words：ferro-coke; initial reaction temperature; influencing factor; iron ore powder; addition; coal blending for coking

收稿日期：2015-11-29

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51174149).

作者简介：史世庄(1956-)，男，武汉科技大学教授.E-mail:shisz1956@126.com

中图分类号：TQ522.16

文献标志码：A

文章编号：1674-3644(2016)02-0098-04