工艺参数对热压铁焦抗压强度的影响

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王宏涛, 储满生, 赵伟, 柳政根
东北大学冶金学院，辽宁沈阳 110819
收稿日期: 2015-09-09
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(50804008).
作者简介: 王宏涛(1990-)，男，安徽霍山人，东北大学博士研究生;
储满生(1973-)，男，安徽岳西人，东北大学教授，博士生导师。

摘要: 热压铁焦是一种新型含碳复合炉料，高炉使用铁焦有助于降低热空区温度、减少CO₂排放.研究了工艺参数对热压铁焦抗压强度的影响，并分析其作用机理.研究结果表明，在一定范围内，铁焦抗压强度随着铁矿粉配比增加先增加后降低，在矿粉配比15%时取得较大值3 490.89 N；随着烟煤配比的增加而提高；随着热压温度的提高而提高，在热压温度350 ℃时取得较大值4 305.50 N；随着炭化温度的提高先降低后提高；随着炭化时间的增加先提高后降低，在炭化时间4 h时取得较大值3 518.80 N.从抗压强度角度考虑，热压铁焦合适的制备工艺参数为10%~15%铁矿粉，60%~70%烟煤，热压温度300~350 ℃，炭化温度1 000~1 100 ℃，炭化时间2~4 h.
关键词：热压铁焦抗压强度工艺参数CO₂减排高炉炼铁
Effect of Process Parameters on the Compressive Strength of Iron Coke Hot Briquette
WANG Hong-tao, CHU Man-sheng, ZHAO Wei, LIU Zheng-gen
School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: CHU Man-sheng, E-mail: chums@smm.neu.edu.cn
Abstract: Iron coke hot briquette (ICHB) is a new type carbon iron composite, which is beneficial for blast furnace to decrease the temperature of thermal reserve zone and reduce CO₂ emission. In this paper, the effect of process parameters on the compressive strength of ICHB was investigated, associated with their functional mechanisms. The results showed that with the increase of iron ore addition ratio, the compressive strength of ICHB increased first and then decreased, which reached a higher value of 3 490.89 N with 15% iron ore addition. With increasing coal addition ratio, the compressive strength of ICHB increased, similar to the effect of hot briquetting temperature. When the hot briquetting temperature was 350 ℃, the compressive strength was up to 4 305.50 N. With the increase of carbonization temperature, the compressive strength of ICHB decreased first and then increased. However, the compressive strength increased first and then decreased with increasing carbonization time. Especially, when the carbonization time was 4 h, the strength reached 3 518.80 N. Therefore, as the compressive strength is concerned, the reasonable preparation process parameters of ICHB are 10%~15% iron ore, 60%~70% bituminous coal, 300 ℃~350 ℃ hot briquetting temperature, 1 000 ℃~1 100 ℃ carbonization temperature and 2~4 h carbonization time.
Key Words: iron coke hot briquette (ICHB)compressive strengthprocess parameterCO₂ emission reductionblast furnace ironmaking
近年来，全球经济迅速发展，同时全球变暖等环境问题愈来愈严重.钢铁工业是社会发展的支柱产业之一，其CO₂排放量占全球CO₂排放总量的5%~7%^[1].在未来相当长一段时期内，钢铁生产主要以高炉-转炉流程为主^[2-3]，其中高炉CO₂排放量占整个钢铁工业的70%左右^[2].因此，高炉炼铁是钢铁工业降低能耗和减少CO₂排放的关键所在.
目前，冶金工作者提出一些高炉炼铁CO₂减排技术，如使用含碳复合炉料等^[4-7].铁焦是一种将铁矿粉混合于配合煤中，利用炼焦工艺或热压工艺制得^[8-9]的新型含碳复合炉料.高炉使用铁焦可降低热储备区温度，减少CO₂排放，提高冶炼效率^[10].含碳复合炉料应有一定的强度以防止炉料在处理、运输和转运过程中出现破裂现象^[11].日本JFE钢铁公司将铁矿粉和煤粉混合后利用热压工艺制得铁焦产品，其抗压强度大于2 000 N^[9].而国内关于铁焦抗压强度的研究较少.本文提出热压铁焦(iron coke hot briquette,ICHB)制备工艺，该工艺将铁矿粉添加至弱黏结性煤和非黏结性煤中，利用热压工艺制得铁焦.研究了工艺参数对热压铁焦抗压强度的影响机制，得到了适宜的热压铁焦制备工艺参数，补充了铁焦理论，为铁焦实际应用提供理论技术支撑.
1 实验1.1 实验原料实验原料包括铁精矿粉、烟煤和无烟煤.铁精矿粉的化学成分见表 1.烟煤和无烟煤的工业分析见表 2，其中烟煤为弱黏结性煤，无烟煤为非黏结性煤.热压铁焦制备工艺如图 1所示.将三种原料干燥后破碎筛分至合适粒度，然后按比例混合，再将混合物加热到一定温度，利用热压系统得到热压块，最后将热压块进行炭化处理，炭化产物冷却后得到热压铁焦.
表 1(Table 1)

表 1 铁矿粉化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of iron ore fines (mass fraction)

%
TFe	FeO	SiO₂	CaO	Al₂O₃	MgO	其他
66.69	26.40	5.31	0.18	0.31	1.80	0.06

表 1 铁矿粉化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of iron ore fines (mass fraction)

表 2(Table 2)

表 2 煤粉工业分析(质量分数)Table 2 Proximate analysis of coal fines (mass fraction)

%
煤种	FC_ad	A_ad	V_ad	M_ad
烟煤	61.52	8.75	28.25	1.48
无烟煤	80.63	9.25	8.81	1.31

表 2 煤粉工业分析(质量分数) Table 2 Proximate analysis of coal fines (mass fraction)

图 1(Fig. 1)

图 1 热压铁焦制备工艺Fig.1 Preparation process of iron coke hot briquette

1.2 实验方案实验考虑铁矿粉配比、烟煤配比、热压温度、炭化温度和炭化时间等对铁焦抗压强度的影响，且其他影响因素保持不变.各因素水平如表 3所示.由表 3可知，每个因素均考虑5个水平，其中基准实验条件为铁矿粉配比20%，烟煤配比60%，热压温度200 ℃，炭化温度1 000 ℃，炭化时间5 h.检测不同参数下制备的热压铁焦抗压强度，同时对实验结果进行分析.为减小实验误差，每组实验测定12个热压铁焦，去除最大值和最小值后求得平均值作为实验结果.
表 3(Table 3)

表 3 实验因素水平Table 3 Levels and factors in experiments

水平	矿粉配比/%	烟煤配比/%	热压温度/℃	炭化温度/℃	炭化时间/h
1	0	50	150	700	1
2	5	55	200	800	3
3	10	60	250	900	5
4	15	65	300	1 000	7
5	20	70	350	1 100	9

表 3 实验因素水平 Table 3 Levels and factors in experiments

2 实验结果与分析2.1 铁矿粉配比对抗压强度的影响铁矿粉配比对热压铁焦抗压强度影响见图 2.随着铁矿粉配比的增加，热压铁焦抗压强度先提高后降低.当矿粉配比15%时，热压铁焦获得较大抗压强度3 490.89 N.合适的铁矿粉配比为10%~15%.
图 2(Fig. 2)

图 2 铁矿粉配比对热压铁焦抗压强度的影响Fig.2 Effect of iron ore addition ratio on compressive strength of ICHB

在炭化过程中，大部分铁矿粉还原为金属铁.根据塑性成焦理论，金属铁能够被胶质体包覆参与焦炭气孔壁的形成，共同构成铁焦的骨架.因此，在铁矿粉配比0~15%时，随着铁矿粉配比的增加，热压铁焦的抗压强度不断提高.另一方面，铁矿粉为无机矿物质，铁矿粉的增加使煤粉的膨胀性降低^[11].因此当铁矿粉过多时，胶质体不足以包覆更多的铁矿粉，铁焦结构将变得松散，强度下降.图 3是铁矿粉配比0和15%条件下热压铁焦的微观结构.未添加铁矿粉时，热压铁焦内部结构较为松散，气孔较多.当铁矿粉配比15%时，热压铁焦内部结构致密，铁和焦结合较好.
图 3(Fig. 3)

图 3 不同铁矿粉配比条件下热压铁焦SEM及EDS图Fig.3 SEM and EDS of ICHB with different addition ratios of iron ore (a)—矿粉0；(b)—矿粉15%；(c)—A点EDS；(d)—B点EDS；(e)—C点EDS；(f)—D点EDS.

2.2 烟煤配比对抗压强度的影响烟煤配比对热压铁焦抗压强度的影响见图 4.在一定范围内，热压铁焦抗压强度随着烟煤配比的增加而提高.当烟煤配比70%时，热压铁焦抗压强度达到3 985.17 N.合适的烟煤配比为60%~70%.
图 4(Fig. 4)

图 4 烟煤配比对热压铁焦抗压强度的影响Fig.4 Effect of bituminous coal addition ratio on compressive strength of ICHB

在炭化过程中，随着烟煤配比的增加，无烟煤的加入量随之减少.铁焦内部能够生成更多胶质体，很好地填充于固体颗粒间隙，抗压强度逐渐提高.另外，炭化过程中，析出的挥发分增多，形成更多的气孔(见图 5)，有利于铁焦内部气相向外扩散，为铁氧化物还原创造了良好的动力学条件.因此，随着烟煤配比的增加，炭化过程中生成较多金属铁，强化了铁焦内部骨架结构，抗压强度逐渐提高.
图 5(Fig. 5)

图 5 不同烟煤配比条件下热压铁焦SEM图Fig.5 SEM of ICHB with different addition ratios of bituminous coal (a)—烟煤50%; (b)—烟煤70%.

2.3 热压温度对抗压强度的影响热压温度对热压铁焦抗压强度的影响见图 6.随着热压温度的提高，热压铁焦强度逐渐提高.当热压温度为350 ℃时，热压铁焦强度达到较大值4 305.40 N.合适的热压温度为300~350 ℃.
图 6(Fig. 6)

图 6 热压温度对热压铁焦抗压强度的影响Fig.6 Effect of hot briquetting temperature on compressive strength of ICHB

实验所用烟煤的最大流动度温度在450 ℃左右.当热压温度为350 ℃时，烟煤生成较多的胶质体，热压铁焦获得较高的强度.当热压温度较低时，胶质体尚未充分形成，而且形成的胶质体黏度大、流动性差，颗粒间的结合相对较差.图 7是200 ℃和350 ℃条件下热压铁焦的微观结构.低温(200 ℃)热压时，焦颗粒和铁颗粒的结合相对较差，尤其是在大颗粒金属铁周围，焦、铁颗粒间存在较多裂纹.高温(350 ℃)热压时，颗粒间结合相对较好.
图 7(Fig. 7)

图 7 不同热压温度条件下热压铁焦的SEM图Fig.7 SEM of ICHB with different hot briquetting temperatures (a)—热压温度200 ℃；(b)—热压温度350 ℃.

2.4 炭化温度对抗压强度的影响炭化温度对热压铁焦抗压强度的影响见图 8.随着炭化温度的提高，热压铁焦的抗压强度先降低后提高.当炭化温度800 ℃时，铁焦强度为2 515.56 N.当炭化温度1 100 ℃时，铁焦强度达到3 424.00 N.合适的炭化温度为1 000~1 100 ℃.
图 8(Fig. 8)

图 8 炭化温度对热压铁焦抗压强度的影响Fig.8 Effect of carbonization temperature on compressive strength of ICHB

烟煤在不同温度下具有不同的收缩系数^[12].在炭化过程中，热压铁焦在400 ℃附近收缩很快，600~700 ℃收缩趋于缓慢，700~800 ℃又加剧，当温度超过800 ℃时收缩逐渐变缓，900 ℃后则完全停止.因此，热压铁焦在700~800 ℃炭化时，由于内部收缩加剧，出现微裂纹，抗压强度降低；当炭化温度超过800 ℃时，铁焦内部无明显收缩，且半焦逐渐固化，使得铁焦内部微观结构得到强化，抗压强度逐渐提高.图 9是800 ℃炭化和1 100 ℃炭化下热压铁焦的微观结构.
图 9(Fig. 9)

图 9 不同炭化温度条件下热压铁焦的SEM图Fig.9 SEM of ICHB with different carbonization temperatures (a)—炭化温度800 ℃；(b)—炭化温度1 100 ℃.

2.5 炭化时间对抗压强度的影响炭化时间对热压铁焦抗压强度的影响见图 10.随着炭化时间增加，铁焦强度先提高后降低.炭化4 h时，铁焦强度达到较大值3 518.80 N.合适的炭化时间为2~4 h.
图 10(Fig. 10)

图 10 炭化时间对热压铁焦抗压强度的影响Fig.10 Effect of carbonization time on compressive strength of ICHB

随着炭化时间的增加，热压铁焦的焦化程度提高，内部结构更加致密，铁焦抗压强度提高.在炭化过程中，不仅存在煤到焦的转变过程，而且存在铁矿粉的还原过程.随着炭化时间的增加，还原出来的金属铁数量增加，增强了铁焦内部结构.当炭化时间较长时，随着铁氧化物的还原，铁焦中的碳逐渐消耗，形成较多的气孔和空洞，且尺寸更大(见图 11)，铁焦抗压强度下降.
图 11(Fig. 11)

图 11 不同炭化时间条件下热压铁焦的SEM图Fig.11 SEM of ICHB with different carbonization time (a)—炭化时间4 h；(b)—炭化时间9 h.

3 结论1) 在一定范围内，热压铁焦的抗压强度随铁矿粉配比的增加先提高后降低，随烟煤配比的增加逐渐提高，随热压温度的提高而提高，随炭化温度的提高先降低后提高，随炭化时间的增加先提高后降低.
2) 适当增加铁矿粉配比有利于加强铁焦骨架；增加烟煤配比和提高热压温度有助于铁焦内部胶质体的生成，从而提高抗压强度；提高炭化温度，铁焦内部膨胀较小，有利于强化铁焦内部结构；适当延长炭化时间，铁焦的焦化程度增大，金属铁量增多，有利于提高铁焦强度.
3) 从抗压强度角度考虑，热压铁焦合适的制备工艺参数为10%~15%铁矿粉，60%~70%烟煤，热压温度300~350 ℃，炭化温度1 000~1 100 ℃，炭化时间2~4 h.
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