鐵焦初始反應(yīng)溫度影響因素分析

史世莊，羅永輝，畢學(xué)工，李　鵬，毛彥高，鄭　齊，汪恭二，劉　威

(1.武漢科技大學(xué)煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢,430081；2.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢,430081)

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鐵焦初始反應(yīng)溫度影響因素分析

史世莊1，羅永輝1，畢學(xué)工2，李鵬2，毛彥高1，鄭齊1，汪恭二1，劉威2

(1.武漢科技大學(xué)煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢,430081；2.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢,430081)

摘要：通過在煉焦配煤中分別添加加拿大BLC、澳大利亞FMC和中國鄂西鐵礦粉煉制鐵焦，研究添加鐵礦粉的種類及配比、入爐煤的性質(zhì)和堆積密度等對(duì)鐵焦初始反應(yīng)溫度的影響。結(jié)果表明，在配煤中添加10%鐵礦粉所制鐵焦的初始反應(yīng)溫度顯著降低，其中添加鄂西鐵礦粉所制鐵焦的初始反應(yīng)溫度最低，比添加加拿大BLC鐵礦粉所制鐵焦的初始反應(yīng)溫度低54 ℃;鐵焦的初始反應(yīng)溫度隨鐵礦粉中 SiO2含量的增加而降低；隨著煉焦配煤中添加鐵礦粉比例的增加，鐵焦的初始反應(yīng)溫度呈線性降低，當(dāng)添加20%加拿大BLC鐵礦粉時(shí)，鐵焦的初始反應(yīng)溫度較未添加時(shí)低255 ℃；入爐煤的性質(zhì)和堆積密度對(duì)鐵焦初始反應(yīng)溫度的影響較小。

關(guān)鍵詞：鐵焦；初始反應(yīng)溫度；影響因素；鐵礦粉；添加；煉焦配煤

鐵焦不僅具有高反應(yīng)性焦炭的性能，還具有還原鐵的特性[1]。鐵焦內(nèi)部含有 50 μm 以下的超微細(xì)金屬鐵粉末[1-2]，其催化作用使碳溶損反應(yīng)的活化能下降、反應(yīng)溫度降低[3-5]，在高爐上使用時(shí)，能降低熱儲(chǔ)備區(qū)的溫度[6-7]，使還原反應(yīng)速度加快，還原鐵礦石的反應(yīng)在較低溫度下也能開始進(jìn)行，可大幅降低燃料比，減少CO2排放[1,8]。研究表明，向鐵礦石中混入鐵焦可使高爐爐料軟化結(jié)束溫度升高、滴落溫度下降，使得軟熔區(qū)間大幅收窄，能夠顯著改善高爐料柱的透氣性[4]。日本JFE公司的工業(yè)試驗(yàn)表明，在高爐冶煉時(shí)，用30%的鐵焦替代傳統(tǒng)焦炭與礦石混裝，一方面可以提高礦石的反應(yīng)速率，另一方面對(duì)普通焦炭起保護(hù)作用，使之下降到高爐下部時(shí)仍有較好的強(qiáng)度，提高下部的透氣性[1,4]。

焦炭的初始反應(yīng)溫度是指焦炭與CO2開始反應(yīng)的溫度，它是高爐內(nèi)鐵氧化物在上部的間接還原和下部直接還原的分界溫度，它決定了高爐熱儲(chǔ)備區(qū)的溫度，影響上下部的溫度分布和區(qū)域熱平衡[8,9]。較低的初始反應(yīng)溫度是鐵焦的重要特性之一。焦炭初始溫度每下降100 ℃，高爐內(nèi)還原劑消耗量將減少2.1 kg/t，煤氣利用效率將提高0.35%[8]。為了開發(fā)具有較低初始反應(yīng)溫度的鐵焦,需要弄清各種因素對(duì)鐵焦初始反應(yīng)溫度的影響。為此，本研究通過在煉焦配煤中添加3種鐵礦粉煉制鐵焦，分析添加鐵礦粉的種類及配比、入爐煤的性質(zhì)等因素對(duì)鐵焦初始反應(yīng)溫度的影響，以期為鐵焦在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣使用提供依據(jù)。

1試驗(yàn)

1.1原料

煉焦用煤為武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化有限責(zé)任公司的配合煤，其配比和性質(zhì)如表1所示。煤樣用顎式破碎機(jī)和雙輥破碎機(jī)粉碎，然后過3 mm篩。

表1　配合煤的配比和性質(zhì)

煉焦配煤中添加的3種鐵礦粉分別為加拿大BLC、澳大利亞FMC和中國鄂西鐵礦粉(以下分別簡稱為加礦粉、澳礦粉和鄂礦粉)，化學(xué)成分如表2所示。將3種礦粉均先壓碎后過1 mm篩。

表2　鐵礦粉的化學(xué)成分(wB/%)

1.2鐵焦的制備

煉焦試驗(yàn)在5 kg實(shí)驗(yàn)室焦?fàn)t中進(jìn)行。按一定質(zhì)量比稱取配合煤和鐵礦粉(鐵礦粉的占比分別為0、4%、8%、10%、12%、16%和20%)，混勻后向混合料中加水(水分控制在10%)，放入200 mm×220 mm×250 mm的鐵箱，用搗固錘搗打鐵箱中的混合料，搗固至規(guī)定的堆積密度(堆積密度分別為0.7、0.8、0.9、1.0、1.1和1.2 t/m3)。當(dāng)爐膛溫度升至800 ℃時(shí)，將鐵箱送至焦?fàn)t中，程序升溫，炭化6 h后出爐，出爐的焦炭采用濕法熄焦后備用。

根據(jù)添加鐵礦粉種類的不同，將所得焦炭分別命名為常規(guī)焦炭(未加鐵礦粉)、加礦鐵焦(添加加礦粉)、澳礦鐵焦(添加澳礦粉)和鄂礦鐵焦(添加鄂礦粉)。

1.3分析測試

鐵焦初始反應(yīng)溫度測定所用鐵焦樣的制備按照GB/T4000—2008進(jìn)行。鐵焦初始反應(yīng)溫度的測定在由武漢科技大學(xué)與武漢四方光電科技公司聯(lián)合研制的XS-100型焦炭碳溶損速率測定儀上進(jìn)行。該測定儀由控制系統(tǒng)、反應(yīng)爐和尾氣測定儀等部分構(gòu)成，其中控制系統(tǒng)由質(zhì)量流量控制子系統(tǒng)、溫度控制子系統(tǒng)和控制電腦構(gòu)成；反應(yīng)爐按GB/T4000—2008所用反應(yīng)爐型設(shè)計(jì)；尾氣測定儀為Gasboard-3500型紅外氣體分析儀。將鐵焦置于反應(yīng)爐中，通入CO2氣體，按10 ℃/min的速率升溫，尾氣測定儀在線監(jiān)測尾氣中CO2、CO的濃度，以CO含量為1%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為鐵焦的初始反應(yīng)溫度。

2結(jié)果與討論

2.1鐵礦粉種類對(duì)焦炭初始反應(yīng)溫度的影響

在采用1#煤樣、入爐煤堆積密度為1.1 t/m3和添加10%鐵礦粉的條件下煉制鐵焦，所制鐵焦和常規(guī)焦炭的初始反應(yīng)溫度如圖1所示。從圖1中可以看出，在煉焦配煤中添加鐵礦粉后使得鐵焦的初始反應(yīng)溫度顯著降低，與未加鐵礦粉的常規(guī)焦炭相比，加礦鐵焦、澳礦鐵焦和鄂礦鐵焦的初始反應(yīng)溫度分別降低142、192、196 ℃，其中鄂礦鐵焦的初始反應(yīng)溫度最低，比加礦鐵焦的初始反應(yīng)溫度低54 ℃，這與所添加鐵礦粉中SiO2的含量有關(guān)。研究表明，當(dāng)溫度低于780 ℃時(shí)，與Fe2O3、CaO、MgO、Al2O3相比，SiO2對(duì)碳?xì)饣拇呋芰ψ顝?qiáng)，降低碳的氣化起始溫度的作用最大[10]。由表2可知，鄂礦粉中SiO2的含量最高、澳礦粉次之、加礦粉最低，而鄂礦鐵焦的初始反應(yīng)溫度最低，加礦鐵焦的初始反應(yīng)溫度最高。由此表明，鐵焦的初始反應(yīng)溫度隨鐵礦粉中 SiO2含量的增加而降低，即與添加鐵礦粉的種類和性質(zhì)有關(guān)。

圖1　鐵礦粉的種類對(duì)焦炭初始反應(yīng)溫度的影響

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

2.2鐵礦粉配比對(duì)鐵焦初始反應(yīng)溫度的影響

圖2　配煤中鐵礦粉配比對(duì)鐵焦初始反應(yīng)溫度的影響

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

2.3入爐煤性質(zhì)對(duì)鐵焦初始反應(yīng)溫度的影響

分別在1#～6#煤樣中添加10%的加礦粉，采用入爐煤堆積密度為1.1 t/m3的條件下煉制鐵焦。圖3為常規(guī)焦炭和添加加礦粉所制鐵焦的初始反應(yīng)溫度。從圖3中可以看出，對(duì)每組煤樣而言，鐵焦的初始反應(yīng)溫度較常規(guī)焦炭均大幅度降低，最大降幅達(dá)142 ℃；隨著入爐煤性質(zhì)的改變，常規(guī)焦炭與鐵焦的初始反應(yīng)溫度均有變化，但變化的幅度不大，常規(guī)焦炭的初始反應(yīng)溫度在776 ～807 ℃范圍內(nèi)，最大溫差為31 ℃；鐵焦的初始反應(yīng)溫度在655～675 ℃范圍內(nèi)，最大溫差為20 ℃。這是因?yàn)?，煤料的變質(zhì)程度不同，生成焦炭的光學(xué)顯微組織不同，不同光學(xué)組織受催化的作用也不同。隨著煤料變質(zhì)程度的提高，煤分子結(jié)構(gòu)的縮合度增加、芳核增大，所得焦炭的光學(xué)顯微組織中各向同性組分減少、各向異性組分增多，使得焦炭的反應(yīng)性降低、初始反應(yīng)溫度升高[13]。由表1可知，1#～6#煤樣中，變質(zhì)程度較高的焦煤和瘦煤的配比逐漸減少，使得煤樣變質(zhì)程度逐漸降低，焦炭組織中各向異性組分減少、各向同性組分增多，催化劑對(duì)焦炭各向異性組分的催化作用大于對(duì)各向同性組分的催化作用[13]，故向1#～6#煤樣中添加相同比例的加礦粉所制鐵焦的初始反應(yīng)溫度的降低幅度也逐漸縮小。

圖3　入爐煤性質(zhì)對(duì)鐵焦初始反應(yīng)溫度的影響

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

2.4入爐煤堆積密度對(duì)鐵焦初始反應(yīng)溫度的影響

在1#煤樣中添加10%的加礦粉煉制鐵焦。圖4為入爐煤的堆積密度對(duì)常規(guī)焦炭和鐵焦的初始反應(yīng)溫度的影響。從圖4中可以看出，隨著入爐煤堆積密度的增加，鐵焦的初始反應(yīng)溫度先降低后升高，但變化的幅度不大，最大溫差為20 ℃，當(dāng)入爐煤的堆積密度為1.1 t/m3時(shí)，鐵焦的初始反應(yīng)溫度最低。這是因?yàn)?，隨著入爐煤堆積密度的增加，鐵焦中鐵礦粉的還原率和金屬鐵含量先增大后減小，在1.1 t/m3處出現(xiàn)最大值[14]；與氧化鐵比較，金屬鐵的催化作用更強(qiáng)[15]，而且其粒度微小，可在焦質(zhì)中均勻分布并與之緊密接觸，增加反應(yīng)活性中心，所以金屬鐵含量較高時(shí)鐵焦的初始反應(yīng)溫度較低。

圖4　入爐煤堆積密度對(duì)鐵焦初始反應(yīng)溫度的影響

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

另外，焦炭的氣孔率隨著入爐煤堆積密度增大而降低。從圖4中還可看出，常規(guī)焦炭的初始反應(yīng)溫度基本無變化，表明氣孔率的變化對(duì)常規(guī)焦炭的初始反應(yīng)溫度沒有影響，由此推測，焦炭氣孔率的變化對(duì)鐵焦的初始反應(yīng)溫度影響很小。

3結(jié)論

(1)與常規(guī)焦炭相比，在煉焦配煤中添加鐵礦粉所制鐵焦的初始反應(yīng)溫度顯著降低，在配煤中分別添加10%的3種鐵礦粉煉制鐵焦，鄂礦鐵焦的初始反應(yīng)溫度最低，比加礦鐵焦低54 ℃。鐵焦的初始反應(yīng)溫度隨鐵礦粉中 SiO2含量的增加而降低。

(2)隨著煉焦配煤中添加鐵礦粉配比的增加，鐵焦的初始反應(yīng)溫度呈線性降低。當(dāng)添加20%加礦粉時(shí)，鐵焦的初始反應(yīng)溫度較未添加時(shí)低255 ℃。

(3)入爐煤的性質(zhì)和堆積密度對(duì)鐵焦的初始反應(yīng)溫度的影響相對(duì)較弱。

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[責(zé)任編輯張惠芳]

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

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174149).

作者簡介：史世莊(1956-)，男，武漢科技大學(xué)教授.E-mail:shisz1956@126.com

中圖分類號(hào)：TQ522.16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-3644(2016)02-0098-04