铁矿粉对铁焦性能的影响及机理

为促进铁焦的工业化应用,利用40 kg试验焦炉制备铁焦,研究了铁矿粉成分、配比对铁焦灰分、硫分、机械强度、热反应性等性能的影响,利用热重分析了铁焦的碳溶损反应,并利用SEM扫描电镜和光学显微镜对铁焦的微观形貌和光学组织进行了分析。结果表明,添加铁矿粉,铁焦的灰分明显增加,硫分变化不大,机械强度降低,热反应性提高,反应后强度降低,添加配比不宜超过10%;铁矿粉具有催化焦炭与CO_2反应、降低起始反应温度的作用,铁质量分数越高,催化性越强;炭化还原后得到的金属铁及铁氧化物以不规则的尺寸和形态分布在铁焦气孔壁和碳基质中,充当催化中心和裂纹中心作用,导致CRI上升,CSR降低。     

铁焦与铁矿石混装对高炉初渣形成的影响

 软熔带的形状和位置是影响高炉稳定运行的关键因素之一。研究了综合炉料中混入高反应性铁焦对高炉初成渣形成过程的影响。针对综合炉料进行研究,结果表明,铁焦的加入导致试样的变形开始温度降低,这是由于在较低温度下铁焦即开始与CO2反应,增加了煤气中的CO浓度与平衡浓度的差值,加速了铁矿石的间接还原。铁焦的加入一般使软化结束温度升高、滴落温度下降,使得软熔区间大幅度收窄,表明向铁矿石中混入铁焦能够显著改善高炉料柱的透气性。加入铁焦还使滴落熔铁中的碳含量明显提高。优先考虑对料柱透气性的影响,建议使用加入20%(质量分数)矿粉A的铁焦。     

铁焦性能的影响因素及富氢高炉使用铁焦的探讨

铁焦是一种新型碳铁复合炉料,相比普通焦炭,其具有高反应性,能降低高炉热储备区温度,提高工作效率。铁焦的性能受制备原料的种类、配比和工艺参数等因素的影响。对于高炉富氢冶炼,因其铁矿石还原及成渣过程改变,需要加速初渣熔化和金属铁渗碳过程;而铁焦的气化反应温度低,有利于碳黑的析出和促进金属铁的渗碳,因此将铁焦代替部分焦炭应用于富氢高炉冶炼可以发挥铁焦和氢气的双重节能减排优势。系统讨论了制备因素对铁焦性能的影响,并探讨了铁焦在富氢高炉应用的可行性和优势。结果表明,铁矿粉对铁焦的反应性具有正向催化作用,加入一定配比的黏结剂可使铁焦结构致密,炭化温度会影响铁焦金属化率,适当的炭化时间可提高铁焦抗压强度和反应后强度。部分铁焦代替焦炭应用于富氢高炉,在发挥其高反应性作用的同时,还可以保护焦炭,加速铁水的渗碳过程并改善高炉的透气性。建议深入探索铁焦在富氢高炉内的反应行为和性能演变特点,并结合富氢高炉对铁焦的性能要求和制备铁焦的影响因素,研究适用于高炉富氢冶炼的铁焦制备技术,以推动高炉低碳冶炼技术的实施。     

炭化工艺参数对铁焦冶金性能的影响

复合铁焦被认为是实现低碳高炉炼铁的革新技术之一。为了获得高质量的铁焦,需要采用适宜的炭化工艺条件。研究了炭化工艺参数对铁焦机械强度、反应性和反应后强度等冶金性能的影响,并对炭化后铁焦的金属化率、微观结构和碳微晶结构进行了解析。结果表明,炭化温度的升高可以提高铁焦的抗压强度和反应性。当温度为900～1 000℃时,铁焦的抗压强度和反应性较优。炭化时间的延长可以使铁焦的抗压强度提高,反应性降低。当炭化时间为3～4 h时,铁焦抗压强度和反应性较优。升温速度越快,铁焦的机械强度越低。适宜的升温速度为:Ⅰ段(室温至550℃)小于7℃/min,Ⅱ段(550℃至1 000℃)小于5℃/min。为防止铁焦冶金性能因碳气化溶损反应而劣化,在CO和CO_2混合炭化气氛中,CO_2与CO体积比(V(CO_2)/V(CO))应控制在0.11以下。在优化的炭化工艺条件下,制备的铁焦抗压强度大于3 500 N,反应性大于60%,反应后强度在16%左右。     

炭化工艺参数对铁焦冶金性能的影响

摘要：复合铁焦被认为是实现低碳高炉炼铁的革新技术之一。为了获得高质量的铁焦,需要采用适宜的炭化工艺条件。研究了炭化工艺参数对铁焦机械强度、反应性和反应后强度等冶金性能的影响,并对炭化后铁焦的金属化率、微观结构和碳微晶结构进行了解析。结果表明,炭化温度的升高可以提高铁焦的抗压强度和反应性。当温度为900～1000℃时,铁焦的抗压强度和反应性较优。炭化时间的延长可以使铁焦的抗压强度提高,反应性降低。当炭化时间为3～4h时,铁焦抗压强度和反应性较优。升温速度越快,铁焦的机械强度越低。适宜的升温速度为:Ⅰ段（室温至550℃）小于7℃/ min,Ⅱ段（550℃至1000℃）小于5℃/min。为防止铁焦冶金性能因碳气化溶损反应而劣化,在CO和CO2混合炭化气氛中,CO2与CO体积比(V(CO2)/V(CO))应控制在0.11以下。在优化的炭化工艺条件下,制备的铁焦抗压强度大于3500N,反应性大于60%,反应后强度在16%左右。     

炼焦工艺条件对铁焦性能影响的试验

 在加拿大铁矿粉配比为10%的条件下,系统研究了炼焦工艺条件（堆积密度、升温速度和焖炉时间）对铁焦性能（气孔率、机械强度、热性质和铁矿石还原程度）的影响。结果表明,炼焦工艺条件对铁焦性能的影响显著：堆积密度为1.1 t/m3时,铁焦的性能最佳;升温速度为2.5 ℃/min时,焦炭的机械强度和热性质最佳,而铁矿石还原程度随升温速度的提高而增大;焖炉时间为120～150 min时,铁焦的各种性能均最佳;改变炼焦工艺条件可以得到具有不同性能的铁焦。     

铁焦初始反应温度的降低及其机理

 在铁矿粉配比为10%的条件下,系统地研究了加矿粉、澳矿粉和鄂矿粉对铁焦的反应性、初始反应温度和活化能等的影响。试验结果表明,与传统焦炭相比,加矿铁焦、澳矿铁焦和鄂矿铁焦的初始反应温度明显降低,降低的幅度取决于铁矿粉的种类和性质;其原因是铁矿粉的催化作用使铁焦的活化能降低,也致使焦炭的反应性提高;初始反应温度、活化能和反应性三者之间具有良好的相关性。     

高炉使用铁焦的㶲分析

 中国钢铁生产主要以高能耗和高排放的高炉-转炉长流程为主,节能减排压力较大。因此,积极研发高炉低碳炼铁技术,促进高炉工序CO₂减排尤为重要。铁焦是将含铁原料加入适宜的煤中,经焦化或炭化后成型的新型碳铁复合炉料,其高反应性可以显著降低热储备区温度、降低碳消耗,高炉使用适量的铁焦可实现一定程度的节能降碳。基于现场生产数据,采用㶲分析理论,建立高炉使用铁焦的㶲平衡模型,探索铁焦添加量对高炉物料消耗及能量利用效率的影响。结果表明,高炉使用铁焦后,炉内间接还原得到发展,碳利用率提高,炉内灰分量降低,冶炼单位生铁的碳素消耗和炉渣量均会降低,与未使用铁焦相比,高炉使用114 kg铁焦后,吨铁碳素消耗降低25.95 kg,渣量降低11.28 kg。此外,铁焦内部的金属铁仅需熔化,节省还原所需的㶲量,焦炭和鼓风带入㶲会显著降低,因此高炉冶炼吨铁消耗的总㶲量降低,同时,炉内传热也得到改善,内部㶲损失有效降低,与未使用铁焦相比,高炉使用114 kg/t铁焦后,目的㶲效率由46.14%提高至48.87%,热力学完善度由87.46%提高到88.02%。在此条件下,高炉吨铁的内部㶲损失降低192.63 MJ,实现节能6.57 kg(标煤)。     

铁焦中铁氧化物还原特性的研究

采用压块-传统炼焦工艺生产铁焦,重点考察了铁精矿加入量、焦化温度、煤粉粒度及煤种对铁焦中铁氧化物还原的影响及金属铁分布形态的影响研究。实验表明,铁精矿加入量、焦化温度、煤种类对铁氧化物还原的影响较大,煤粉粒度对其影响相对较小。     

日本钢铁业研究的减排CO2炼铁新技术

日本钢铁业在减排CO2的炼铁技术开发中,近期主要以开发新型炉料为主,新型炉料包括高反应性焦炭、铁焦复合球团、预还原烧结矿等;长期主要以氢气还原铁矿石的高炉炼铁技术为主,还包括与氢还原相配套的新型焦炭技术等。本文介绍了高反应性焦炭、铁焦复合球团和预还原烧结矿对高炉降低还原剂比的作用及其在高炉中的用法,阐述了氢气还原铁矿石的高炉炼铁技术及与之相配套的新型焦炭技术的研究进展,指出我们应借鉴其高反应性焦炭概念、在矿焦混装时使用高反应性焦炭,以及应着手开发类似HPC的粘结剂技术。     

Performance Optimization and Efficient Application of Highly Reactive Iron Coke: Research Progress and Future Trend

Iron coke has emerged as a promising raw material for low-carbon ironmaking. However, the structure and properties of iron coke are still obstacles to practical application in blast furnaces, especially the strength of iron coke. Herein, investigations on the preparation and properties of iron coke are reviewed and an integrated system for the performance optimization and efficient utilization of iron coke is proposed. First, the characteristics of different preparation processes for iron coke are compared; then the advantages and limitations of the three processes are summarized. Afterward, the evolution mechanism of iron coke strength and the catalytic mechanism of Fe on the gasification reaction of iron coke are explored in depth. In addition, the coupling mechanism of iron coke gasification and iron ore reduction is analyzed and discussed. The influence of iron coke on the melting–dropping properties of blast furnace charge and the mathematical simulation of using iron coke in the blast furnace are analyzed and summarized. Finally, a comprehensive strategy for the performance optimization of iron coke and its efficient application in the blast furnace is proposed, in which the sequence slicing 3D reconstruction method is applied to analyze the relationship between microstructure and performance of iron coke.     

铁焦制备与高炉应用的研究进展

 钢铁工业长期面临着资源短缺和环境污染的的发展现状,实现节能减排和绿色冶金是钢铁工业实现可持续发展的重点。而高炉炼铁是钢铁工业节能减排的关键,急需研发低碳高炉炼铁新技术。复合铁焦是实现低碳高炉炼铁的一种新型碳铁复合炉料。高炉使用铁焦后可降低热储备区温度,提高冶炼效率,降低焦比,从而实现CO₂减排。综述了国内外铁焦制备与应用的研究进展,主要包括铁焦的制备工艺和高炉应用。归纳了各种铁焦制备工艺的特点。同时提出并研究了矿煤压块-竖炉炭化-高炉应用的冷压型铁焦制备与应用新技术。重点进行了冷压型铁焦的制备及冶金性能优化、高炉应用冷压型铁焦等试验研究。冷压型铁焦制备适宜的工艺条件为,质量分数为30%铁矿粉、45%烟煤1、10%烟煤2、10%烟煤3、5%无烟煤、5%沥青类黏结剂B混合加热至60 ℃,并进行冷压成型;成型压块再经竖炉1 000 ℃炭化4 h;获得抗压强度3 977 N、I型转鼓强度77.7%、反应性69.7%、反应后强(固定气化溶损量20%)42%的优质铁焦。高炉综合炉料中添加质量分数20%~30%冷压型铁焦,综合炉料熔滴性能明显改善。以上研究为铁焦实现工业化生产与低碳高炉炼铁应用提供了参考。     

高炉使用含碳复合炉料的原理

 高炉炼铁正朝着高产、低污染、低能耗的方向发展,为了实现这一目标,包括高炉使用含碳复合炉料等一些革新的炼铁技术已经被提出或实际应用。铁焦、热压含碳球团是将铁矿粉和煤粉按一定比例混合后制成的新型含碳复合炉料。研究结果指出,含碳复合炉料相比于传统的高炉炉料（烧结矿和球团矿）具有高温强度高、还原性能好以及原料适应性强等优势。阐明了高炉使用含碳复合炉料的基本原理,介绍了铁焦制备的工艺流程及应用情况,重点进行了热压含碳球团制备工艺流程、冷态冶金性能、高温冶金性能、高炉使用热压含碳球团等试验研究,最后利用多流体高炉数学模型对高炉使用热压含碳球团操作进行了模拟研究。研究表明,高炉使用一定量的含碳复合炉料可以降低热空区温度,增加产量,降低焦比,高炉热利用效率明显提高,操作性能得到有效改善。     

Blast Furnace Operating Conditions Manipulation for Reducing Coke Consumption and CO2 Emission

A comparative reduction behavior of wüstite samples prepared from iron ore sinter was investigated to find the optimum way for reducing coke consumption and CO₂ emission in blast furnace technology. A series of wüstite reduction experiments was carried out using different gas mixtures. A correlation between the experimental results and real data of blast furnaces at Egyptian Iron and Steel Company (EISCO) was demonstrated in order to optimize the coke consumption inside blast furnaces. Different theoretical models were applied on real data of blast furnaces to calculate the effect of operation parameters on the coke consumption. It was found that the wüstite reducibility can be controlled and enhanced using certain ratio of H₂ and CO gases. Such kind of enhancement decreases the remaining quantity of unreduced wüstite which descends to the high temperature region of blast furnace. The theoretical analysis of real data using certain values of H₂ and CO shows that increasing the amount of natural gas injection in blast furnace of EISCO will decrease the degree of direct reduction of iron oxide and consequently will decrease the amount of coke consumption.     

链条炉改造煤——煤气混燃的流化床锅炉的实践

将链条锅炉改造成以煤矸石和煤气(焦炉煤气和高炉煤气)为燃料的低速、低循环倍率流化床锅炉,将焦铁企业洗选剩下的煤矸石、炼焦炉排放出来的焦炉煤气和炼铁炉排放出来的高炉煤气用于流化床锅炉发电以供给炼铁高炉风机等用电设备使用;锅炉排出的冷渣、飞灰收集起来作为生产水泥和矸石砖的原料,实现了节能减排和资源的综合利用。     

添加铁矿粉对焦炭质量影响的研究

高反应性焦炭能够降低高炉焦比,减少CO2的排放量,改善高炉内铁矿石还原反应的反应效率。研究了在配合煤中添加碱性铁矿粉和酸性铁矿粉炼焦,铁矿粉的配入量对焦炭热性能的影响规律。试验结果表明,随着铁矿粉配入量的提高,焦炭的反应性增大,随后增幅放缓,且添加碱性矿粉的焦炭反应性高于添加酸性矿粉的焦炭,反应后强度与机械强度均有明显劣化;焦炭的灰分增大、硫含量逐步下降;焦炭的各向异性指数不断下降。     

高炉冶炼预还原炉料能耗分析

 通过建立高炉冶炼预还原炉料数学模型,计算了原料铁品位、预还原炉料金属化率和铁的存在形态对高炉冶炼能耗的影响,比较了高炉冶炼预还原炉料和传统高炉的能耗。计算结果表明：针对不同铁品位原料,有一个适合高炉冶炼的炉料最佳金属化率,使高炉冶炼焦比最低;预还原炉料中的铁以硅酸铁形式存在时,主要进行直接还原,冶炼焦比较高;与传统高炉相比,高炉冶炼预还原炉料,可以大幅度降低焦比,但燃料比升高。     

Reduction of Pellets‐Nut Coke Mixture under Simulating Blast Furnace Conditions

In recent years an intensive work has been carried out to decrease the coke losses of the blast furnace through mixing small‐sized coke called “nut coke” in the iron ore burden layers. In order to clarify the influence of nut coke on the pellets reducibility, industrial iron ore pellets were reduced with and without nut coke participation under different temperatures and atmospheres. Isothermal and non‐isothermal reduction tests under simulating blast furnace conditions were performed using an experimental laboratory rig. Furthermore, reflected light microscopy, scanning electron microscopy and X‐ray technique were applied to characterize the microstructure and different phases developed in the origin and reduced pellets. Pellets reduced isothermally without nut coke participation exhibited reduction retardation (RR) at elevated temperature (≥1373 K) whereas the presence of nut coke had a positive effect of preventing such phenomena. The non‐isothermal reduction of pellets showed that, as the amount of nut coke in pellets bed increased, the reducibility of pellets increased, too. The rate controlling mechanism of pellets and pellets‐nut coke mixtures was predicted from the correlation between apparent activation energy calculations and microstructure examination.