煉焦煤性質(zhì)對(duì)鐵焦性能影響的試驗(yàn)研究

史世莊，林志龍，畢學(xué)工，李 鵬，羅永輝，汪恭二（武漢科技大學(xué)．湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，．鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430081）

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煉焦煤性質(zhì)對(duì)鐵焦性能影響的試驗(yàn)研究

史世莊a，林志龍a，畢學(xué)工b，李 鵬b，羅永輝a，汪恭二a
（武漢科技大學(xué)a．湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，
b．鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430081）

摘 要：在鐵礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的條件下，系統(tǒng)地研究了煉焦煤性質(zhì)（灰分，硫分，揮發(fā)分，粘結(jié)指數(shù)）對(duì)鐵焦性能（灰分，硫分，氣孔率，機(jī)械強(qiáng)度，熱性質(zhì)和鐵礦粉還原程度）的影響。結(jié)果表明，煉焦煤性質(zhì)對(duì)鐵焦性能的影響顯著：鐵焦的灰分、硫分取決于煉焦煤的灰分和硫分；隨著揮發(fā)分增加，鐵焦的氣孔率和鐵礦粉的還原程度均單調(diào)增大；鐵焦的機(jī)械強(qiáng)度在w（V(daf)）＝28%，G＝81附近取得最佳值；鐵焦的熱性質(zhì)在w（V(daf)）＝27．64%～29．84%，G＝70．00～81．19時(shí)較好；通過改變煉焦煤的性質(zhì)可以生產(chǎn)出具有不同性能的鐵焦。

關(guān)鍵詞：煉焦煤；鐵焦；影響因素；回歸方程

鐵焦，是指用含鐵物料與煉焦煤配合煉制的焦炭，含鐵物料包括高爐灰、轉(zhuǎn)爐煙塵、金屬廢渣和鐵礦粉等［1］。因鐵焦的反應(yīng)性較高，故有時(shí)稱之為高反應(yīng)性鐵焦。高反應(yīng)性鐵焦可以控制FeO—Fe還原平衡點(diǎn)（浮氏體還原平衡點(diǎn)，W點(diǎn)），降低高爐熱儲(chǔ)備區(qū)溫度，從而可使碳溶損反應(yīng)在較低的溫度下

進(jìn)行，達(dá)到減少CO2排放的目的［2－5］。鐵焦的使用，能有效利用低品質(zhì)鐵礦石和低品質(zhì)煉焦煤，有利于自然資源的合理利用，降低焦比和生產(chǎn)成本，減少燃料消耗并提高高爐產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排［5－6］。影響鐵焦性能的因素眾多，如含鐵物料（本研究采用鐵礦粉）的種類［7］、鐵礦粉的配比［7］、煉焦工藝條件［8］、煉焦煤性質(zhì)等。為了得到能滿足高爐要求的鐵焦，就必須弄清楚各種因素的具體影響。本文試圖弄清楚煉焦煤的性質(zhì)對(duì)鐵焦性能的影響，為鐵焦的開發(fā)和

生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1．1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料包括煉焦煤和鐵礦粉。

煉焦煤包括配合煤和單種煤，均取自武鋼焦化公司。配合煤包括6m、7m和7．63m焦?fàn)t所用的入爐煤；將取回的配合煤進(jìn)一步粉碎至細(xì)度大于90%。單種煤包括氣煤、氣肥煤、1／3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤。將取回的單種煤進(jìn)行分析，粉碎至細(xì)度大于90%，供配煤使用。

鐵礦粉取自武鋼從加拿大進(jìn)口的鐵礦粉。將取回的鐵礦粉粉碎至1mm以下，并進(jìn)行組成分析。鐵礦粉的組成見表1。

表1　鐵礦粉化學(xué)分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical analysis of the iron ore（mass fraction）　%

1．2 配煤方案

根據(jù)試驗(yàn)的需要，共選用7個(gè)實(shí)驗(yàn)室配煤方案。各配煤方案的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（Vdaf）＝24．02% ～34．57%，粘結(jié)指數(shù)G＝79．3～89．5，膠質(zhì)層厚度Y＝16．1～19．6 mm，灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（Ad）＝9．13%～9．97%，硫分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（St，d）＝0．71% ～1．06%。氣肥煤用量較多、煤質(zhì)范圍較寬。

3個(gè)配合煤的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（Vdaf）＝26．89%～28．30%，粘結(jié)指數(shù)G＝83．8～84．8，膠質(zhì)層厚度Y＝16．5～17．6 mm，灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

w（Ad）＝9．36%～9．51%，硫分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（St，d）

＝0．81%～0．87%．

1．3 鐵焦煉制

煉焦實(shí)驗(yàn)在武漢科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)焦?fàn)t上進(jìn)行。稱取6．3kg煉焦煤料（干基）和0．7kg鐵礦粉混合均勻，并將混合煤料的水分調(diào)至10%，裝入200mm× 200mm×250mm的鐵箱，裝煤的堆積密度為1．1 t／m3。當(dāng)爐膛溫度為800℃時(shí)，將鐵箱裝入焦?fàn)t，程序升溫，按規(guī)定的炭化時(shí)間出爐，濕法熄焦。焦炭經(jīng)落下試驗(yàn)后，進(jìn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)的檢測(cè)和分析。

1．4 分析方法

原料煤、鐵礦粉和鐵焦的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)均嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定，個(gè)別指標(biāo)如鐵焦的機(jī)械強(qiáng)度參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用試驗(yàn)轉(zhuǎn)鼓測(cè)定。

2　結(jié)果與討論

鐵焦還處于開發(fā)階段，還沒有建立起質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，只能參照傳統(tǒng)焦炭的質(zhì)量指標(biāo)加以討論。因此，鐵焦的性能指標(biāo)應(yīng)包括灰分w（AJd）、硫分w（SJt，d）、揮發(fā)分w（VJdaf）、氣孔率（顯氣孔率Ps、總氣孔率Pt）、機(jī)械強(qiáng)度（抗碎強(qiáng)度M25、耐磨強(qiáng)度M10）、熱性質(zhì)（反應(yīng)性CRI、反應(yīng)后強(qiáng)度CSR）、鐵礦粉的還原程度（鐵焦的金屬鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（MFe）及其與鐵焦的全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（TFe）的比值w（MFe）／w（TFe））等。鐵成熟，揮發(fā)分穩(wěn)定，本文不予討論。

煉焦煤的性質(zhì)包括灰分w（AMd）、硫分w（SMt，d）、揮發(fā)分w（Vdaf）、粘結(jié)指數(shù)G、膠質(zhì)層厚度Y等。因?yàn)镚和Y同為粘結(jié)性指標(biāo)，對(duì)鐵焦的影響規(guī)律相同，故本文只討論G的影響。

2．1 鐵焦的灰分w（AJd）和硫分w（SJt，d）

焦炭的灰分和硫分來源于煉焦煤的灰分和硫分。煉焦煤中的灰分全部轉(zhuǎn)入焦炭，硫分部分轉(zhuǎn)入焦炭、部分轉(zhuǎn)入荒煤氣。而鐵焦的灰分和硫分既來源于煉焦煤，也來源于配入的鐵礦粉。鐵焦的灰分w（AJd）和硫分w（SJt，d）與煉焦煤的灰分w（AMd）和硫分w（SMt，d）的關(guān)系如圖1所示。

圖1　鐵焦的灰分w（AJd）、硫分w（SJt，d）與煉焦煤的灰分w（AdM）、硫分w（StM，d）的關(guān)系Fig．1 Relationship between ash and sulfur content of iron coke and ash and sulfur content of coal charge

由圖1可知，鐵焦的灰分和硫分與煉焦煤的灰分和硫分有良好的相關(guān)性，隨著煉焦煤的灰分、硫分的增加而增大。鐵焦的灰分高達(dá)23%～25%，這是由煉焦煤的灰分和配入的鐵礦粉轉(zhuǎn)入鐵焦的灰分所致。在煉焦過程中，配入的鐵礦粉中的氧化鐵（Fe2O3和FeO）部分還原成金屬鐵，而在灰分的測(cè)定中又氧化成Fe2O3，因此，鐵焦的灰分應(yīng)大于煉焦煤帶入的灰分和配入的鐵礦粉之和。而且，鐵焦的灰分已不同于傳統(tǒng)焦炭的灰分，鐵焦的灰分中含有大量的Fe2O3，在焦質(zhì)中部分是以金屬鐵的形式存在，這也許是“鐵焦”名稱的由來。鐵焦的硫分來源于煉焦煤和配入的鐵礦粉；由于鐵礦粉的硫含量很低，因此其主要來源于煉焦煤。

2．2 鐵焦的顯氣孔率Ps和總氣孔率Pt

焦炭的氣孔由煤熔融部分在結(jié)焦過程中因氣體析出受阻等而形成［9］。氣孔率包括顯氣孔率Ps和總氣孔率Pt。氣孔率的大小直接影響焦炭的強(qiáng)度和反應(yīng)性。鐵焦的顯氣孔率Ps和總氣孔率Pt與煉焦煤的揮發(fā)分w（Vdaf）和粘結(jié)指數(shù)G的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，隨著w（Vdaf）和G的增加，鐵焦的Ps和Pt均顯著增大。這是因?yàn)?，w（Vdaf）增大時(shí)，結(jié)焦過程中氣體析出劇烈；而G增大時(shí)，膠質(zhì)層變厚，氣體析出受阻，導(dǎo)致氣孔增多、變大，Ps和Pt均增大。此外，配入的鐵礦粉為惰性物質(zhì)，在結(jié)焦過程中，不會(huì)軟化熔融，顆粒間的孔隙增多，也導(dǎo)致鐵焦的氣孔率增大，但這種影響應(yīng)處于次要地位。

2．3 鐵焦的抗碎強(qiáng)度M25和耐磨強(qiáng)度M10

焦炭的抗碎強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度統(tǒng)稱為機(jī)械強(qiáng)度，是焦炭的重要質(zhì)量指標(biāo)，也應(yīng)是鐵焦的重要質(zhì)量指標(biāo)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，其主要取決于煉焦煤的煤化度指標(biāo)（Vdaf）和粘結(jié)性指標(biāo)（G或Y）。鐵焦的抗碎強(qiáng)度M25、耐磨強(qiáng)度M10與煉焦煤的揮發(fā)分w（Vdaf）和粘結(jié)指數(shù)G之間的關(guān)系如圖3所示。

圖2　鐵焦的Ps、Pt與煉焦煤的w（Vdaf）、G之間的關(guān)系Fig．2 Relationship between porosities of iron coke and properties of coal charge

圖3　鐵焦的M25、M10與煉焦煤的w（Vdaf）、G之間的關(guān)系Fig．3 Relationship between mechanical strength of iron coke and properties of coal charge

由圖3可知，隨著w（Vdaf）和G的增加，鐵焦的M25先增后減，M10先減后增，在w（Vdaf）＝28%、G＝81附近有極值。這是因?yàn)?，在配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%鐵礦粉的條件下，當(dāng)w（Vdaf）＜28%和G＜81時(shí)，煉焦煤的w（Vdaf）偏低、粘結(jié)能力不足，熔融性較差，使得其M25和M10較差，故隨著w（Vdaf）和G的提高，粘結(jié)能力改善，熔融性提高，鐵焦的M25和M10均得以改善。當(dāng)w（Vdaf）＝28%、G＝81附近時(shí)，鐵焦的M25和M10達(dá)到最佳。此后，隨著w（Vdaf）的進(jìn)一步提高，鐵焦的收縮量增大、裂紋增多、氣孔率增大，這時(shí)G的增大不足以克服w（Vdaf）的作用，致使鐵焦的M25和M10均快速降低。

將圖3的繪圖數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析可得：

M25＝85．786 4－0．066 11（w（Vdaf）－29．79）2－

0．184 16（G－81．70）2，R2＝0．927 79；（1）M10＝7．916－0．112（w（Vdaf）－26．89）2＋

0．136 4（G－80．24）2，R2＝0．846 26．（2）由式（1）、（2）可知，在w（Vdaf）＝28%、G＝81附近時(shí)，鐵焦的M25和M10取得最佳值。

2．4 鐵焦的反應(yīng)性CRI和反應(yīng)后強(qiáng)度CSR

焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度通常稱為焦炭的熱性質(zhì)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度主要取決于煉焦煤的煤化度指標(biāo)（Vdaf）、粘結(jié)性指標(biāo)（G、Y）以及灰成分的催化指數(shù)MCI［10－11］。鐵焦也

應(yīng)如此。但是，配入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%加拿大鐵礦粉后，混合煤料的催化指數(shù)已是煉焦煤自身的10倍以上，催化能力已足夠大，由煉焦煤灰成分引起的微小變化已不足以影響鐵焦的反應(yīng)性。因此，本研究不考慮催化指數(shù)MCI對(duì)鐵焦反應(yīng)的影響。

鐵焦的反應(yīng)性CRI、反應(yīng)后強(qiáng)度CSR與煉焦煤的揮發(fā)分w（Vdaf）和粘結(jié)指數(shù)G之間的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，隨著w（Vdaf）和G增加，鐵焦的CRI迅速增大、CSR相應(yīng)減小。這是因?yàn)?，w（Vdaf）增大時(shí)，鐵焦的收縮量增大，裂紋增多，氣孔率增大，致使鐵焦的CRI增大、CSR降低。同時(shí)，G增大是因?yàn)槎嗯淞藲夥拭?，而氣肥煤的膠質(zhì)體穩(wěn)定性差，分解量增大，也導(dǎo)致鐵焦的裂紋增多，氣孔率增大，因此鐵焦的CRI增大、CSR變小。

將圖4的繪圖數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析可得：CRI＝22．69－0．393 27（w（Vdaf）－29．84）2＋0．090 48（G－70．00）2，R2＝0．980 36；（3）

圖4　鐵焦的CRI、CSR與煉焦煤的w（Vdaf）、G之間的關(guān)系Fig．4 Relationship between thermal property of iron coke and properties of coal charge

CSR＝53．70＋0．805 29（w（Vdaf）－27．64）2－0．952 04（G－80．19）2，R2＝0．964 73．（4）由式（3）、（4）可知，當(dāng)w（Vdaf）＝27．64%～29．84%、G＝70．00～80．19時(shí)，CRI、CSR較好。

比較式（1）、（2）和式（3）、（4）可知，在煉焦煤的w（Vdaf）＝28%附近，鐵焦的M25、M10、CRI和CSR均取得最佳值，這與常規(guī)煉焦的規(guī)律一致［10－11］。這表明，對(duì)于本研究的配煤，煉焦煤的w（Vdaf）對(duì)鐵焦的M25、M10、CRI和CSR的影響要強(qiáng)于煉焦煤的G。

2．5 鐵焦的w（MFe）和w（MFe）／w（TFe）

鐵焦中鐵礦粉的還原程度通常表示為鐵焦的金屬鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（MFe）和金屬鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值w（MFe）／w（TFe）。在煉焦過程中，鐵礦粉中的氧化鐵部分地被還原成金屬鐵，其還原程度要受各種因素的影響，而煉焦煤的性質(zhì)應(yīng)該是重要因素之一。

鐵焦中的金屬鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（MFe）和金屬鐵與全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值w（MFe）／w（TFe）與煉焦煤的揮發(fā)分w（Vdaf）和粘結(jié)指數(shù)G之間的關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，隨著w（Vdaf）和G的增加，鐵焦的金屬鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（MFe）增大，金屬鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值w（MFe）／w（TFe）也增大。其

圖5　鐵焦的w（MFe）、w（MFe）／w（TFe）與煉焦煤的w（Vdaf）、G之間的關(guān)系Fig．5 Relationship between reduction degree of iron ore in iron coke and properties of coal charge

原因可能有三：一是隨著煉焦煤的w（Vdaf）的增加，碳的活性增大，促進(jìn)了氧化鐵的還原和金屬鐵的生成；二是隨著G的增大，煉焦煤料膨脹性增大，鐵礦粉顆粒受到擠壓，與煤粒之間接觸緊密，有利于氧化鐵的還原和金屬鐵的生成；三是隨著w（Vdaf）的增加，在鐵焦的半焦收縮階段脫氫劇烈，氫是氧化鐵的還原劑，氣氛中氫氣濃度增加有利于氧化鐵的還原和金屬鐵的生成。隨著金屬鐵的生成量增加，鐵焦中w（MFe）／w（TFe）也隨之增加，其比值在70%左右，與Seiji Nomura的試驗(yàn)結(jié)果一致［12］。

綜上可知，鐵焦的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)與煉焦煤的性質(zhì)關(guān)系密切，通過改變煉焦煤的性質(zhì)可以改變鐵焦的性能。換言之，改變煉焦煤的性質(zhì)可以生產(chǎn)出具有不同性能的鐵焦。

3　結(jié)論

1）鐵焦的灰分、硫分來源于煉焦煤和鐵礦粉，其含量取決于煉焦煤的灰分和硫分。

2）煉焦煤的性質(zhì)對(duì)鐵焦的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)影響顯著，在本研究條件下，其煤化度指標(biāo)居主導(dǎo)地位，粘結(jié)性指標(biāo)處次要地位。隨著揮發(fā)分增加，鐵焦的顯氣孔率、總氣孔率、金屬鐵含量以及金屬鐵含量與全鐵含量的比值均單調(diào)增大；鐵焦的抗碎強(qiáng)度和耐磨強(qiáng)度在w（Vdaf）＝28%、G＝81附近取得最佳值；鐵焦的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度在w（Vdaf）＝27．64%～29．84%、G＝70．00～81．19時(shí)較好。

3）改變煉焦煤的性質(zhì)，可以生產(chǎn)出具有不同性能的鐵焦。

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（編輯：張紅霞）

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Experimental Research of Effect of Coking Coal Quality on Iron Coke Performance

SHI Shizhuanga，LIN Zhilonga，BI Xuegongb，LI Pengb，LUO Yonghuia，WANG Gongera

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

Abstract：At mass fraction of iron ore powder of 10%，the study systematically analyzed the influence of coking coal properties（ash content，sulfur content，volatile content，and caking index）on iron coke properties（ash content，sulfur content，porosity，mechanical strength，thermal properties，and reducibility of iron ore）．The results show that the influence is remarkable：the ash and sulfur contents in the iron coke depend on the coking coal；the porosities of the iron coke and the reducibility of the iron ore both increase monotonously with the volatile content of the coking coal；while the iron coke has the best mechanical strength，when w（V(daf)）＝28%，G＝81，it has better thermal property，when w（V(daf)）＝27 64%～29 84%，G＝70 00～81 19．Therefore，the iron coke with different properties can be produced by adjusting the properties of the coking coal．

Key words：coking coal quality；iron coke；influence factors；regressive equations

作者簡介：史世莊（1956－），男，河南開封人，碩士，教授，主要從事煤化工研究，（E－mail）shisz1956＠126．com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：高反應(yīng)性鐵焦的生產(chǎn)與高爐冶煉應(yīng)用基礎(chǔ)（51174149）

收稿日期：＊2014－06－28

文章編號(hào)：1007－9432（2015）03－0283－05

DOI：10．16355／j．cnki．issn1007－9432tyut．2015．03．007

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TQ522．1