炼焦煤性质对铁焦性能影响的试验研究

史世庄，林志龙，毕学工，李 鹏，罗永辉，汪恭二（武汉科技大学．湖北省煤转化与新型炭材料重点实验室，．钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，武汉430081）



炼焦煤性质对铁焦性能影响的试验研究

史世庄a，林志龙a，毕学工b，李 鹏b，罗永辉a，汪恭二a
（武汉科技大学a．湖北省煤转化与新型炭材料重点实验室，
b．钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，武汉430081）

摘 要：在铁矿粉质量分数10%的条件下，系统地研究了炼焦煤性质（灰分，硫分，挥发分，粘结指数）对铁焦性能（灰分，硫分，气孔率，机械强度，热性质和铁矿粉还原程度）的影响。结果表明，炼焦煤性质对铁焦性能的影响显著：铁焦的灰分、硫分取决于炼焦煤的灰分和硫分；随着挥发分增加，铁焦的气孔率和铁矿粉的还原程度均单调增大；铁焦的机械强度在w（V(daf)）＝28%，G＝81附近取得最佳值；铁焦的热性质在w（V(daf)）＝27．64%～29．84%，G＝70．00～81．19时较好；通过改变炼焦煤的性质可以生产出具有不同性能的铁焦。

关键词：炼焦煤；铁焦；影响因素；回归方程

铁焦，是指用含铁物料与炼焦煤配合炼制的焦炭，含铁物料包括高炉灰、转炉烟尘、金属废渣和铁矿粉等［1］。因铁焦的反应性较高，故有时称之为高反应性铁焦。高反应性铁焦可以控制FeO—Fe还原平衡点（浮氏体还原平衡点，W点），降低高炉热储备区温度，从而可使碳溶损反应在较低的温度下

进行，达到减少CO2排放的目的［2－5］。铁焦的使用，能有效利用低品质铁矿石和低品质炼焦煤，有利于自然资源的合理利用，降低焦比和生产成本，减少燃料消耗并提高高炉产量，实现节能减排［5－6］。影响铁焦性能的因素众多，如含铁物料（本研究采用铁矿粉）的种类［7］、铁矿粉的配比［7］、炼焦工艺条件［8］、炼焦煤性质等。为了得到能满足高炉要求的铁焦，就必须弄清楚各种因素的具体影响。本文试图弄清楚炼焦煤的性质对铁焦性能的影响，为铁焦的开发和

生产奠定基础。

1　实验方法

1．1 实验原料

实验原料包括炼焦煤和铁矿粉。

炼焦煤包括配合煤和单种煤，均取自武钢焦化公司。配合煤包括6m、7m和7．63m焦炉所用的入炉煤；将取回的配合煤进一步粉碎至细度大于90%。单种煤包括气煤、气肥煤、1／3焦煤、肥煤、焦煤和瘦煤。将取回的单种煤进行分析，粉碎至细度大于90%，供配煤使用。

铁矿粉取自武钢从加拿大进口的铁矿粉。将取回的铁矿粉粉碎至1mm以下，并进行组成分析。铁矿粉的组成见表1。

表1　铁矿粉化学分析（质量分数）Table 1 Chemical analysis of the iron ore（mass fraction）　%

1．2 配煤方案

根据试验的需要，共选用7个实验室配煤方案。各配煤方案的挥发分质量分数w（Vdaf）＝24．02% ～34．57%，粘结指数G＝79．3～89．5，胶质层厚度Y＝16．1～19．6 mm，灰分的质量分数w（Ad）＝9．13%～9．97%，硫分的质量分数w（St，d）＝0．71% ～1．06%。气肥煤用量较多、煤质范围较宽。

3个配合煤的挥发分质量分数w（Vdaf）＝26．89%～28．30%，粘结指数G＝83．8～84．8，胶质层厚度Y＝16．5～17．6 mm，灰分的质量分数

w（Ad）＝9．36%～9．51%，硫分的质量分数w（St，d）

＝0．81%～0．87%．

1．3 铁焦炼制

炼焦实验在武汉科技大学实验焦炉上进行。称取6．3kg炼焦煤料（干基）和0．7kg铁矿粉混合均匀，并将混合煤料的水分调至10%，装入200mm× 200mm×250mm的铁箱，装煤的堆积密度为1．1 t／m3。当炉膛温度为800℃时，将铁箱装入焦炉，程序升温，按规定的炭化时间出炉，湿法熄焦。焦炭经落下试验后，进行各项性能指标的检测和分析。

1．4 分析方法

原料煤、铁矿粉和铁焦的各项质量指标均严格按照国家标准测定，个别指标如铁焦的机械强度参照国家相关标准采用试验转鼓测定。

2　结果与讨论

铁焦还处于开发阶段，还没有建立起质量评价体系，只能参照传统焦炭的质量指标加以讨论。因此，铁焦的性能指标应包括灰分w（AJd）、硫分w（SJt，d）、挥发分w（VJdaf）、气孔率（显气孔率Ps、总气孔率Pt）、机械强度（抗碎强度M25、耐磨强度M10）、热性质（反应性CRI、反应后强度CSR）、铁矿粉的还原程度（铁焦的金属铁质量分数w（MFe）及其与铁焦的全铁质量分数w（TFe）的比值w（MFe）／w（TFe））等。铁成熟，挥发分稳定，本文不予讨论。

炼焦煤的性质包括灰分w（AMd）、硫分w（SMt，d）、挥发分w（Vdaf）、粘结指数G、胶质层厚度Y等。因为G和Y同为粘结性指标，对铁焦的影响规律相同，故本文只讨论G的影响。

2．1 铁焦的灰分w（AJd）和硫分w（SJt，d）

焦炭的灰分和硫分来源于炼焦煤的灰分和硫分。炼焦煤中的灰分全部转入焦炭，硫分部分转入焦炭、部分转入荒煤气。而铁焦的灰分和硫分既来源于炼焦煤，也来源于配入的铁矿粉。铁焦的灰分w（AJd）和硫分w（SJt，d）与炼焦煤的灰分w（AMd）和硫分w（SMt，d）的关系如图1所示。

图1　铁焦的灰分w（AJd）、硫分w（SJt，d）与炼焦煤的灰分w（AdM）、硫分w（StM，d）的关系Fig．1 Relationship between ash and sulfur content of iron coke and ash and sulfur content of coal charge

由图1可知，铁焦的灰分和硫分与炼焦煤的灰分和硫分有良好的相关性，随着炼焦煤的灰分、硫分的增加而增大。铁焦的灰分高达23%～25%，这是由炼焦煤的灰分和配入的铁矿粉转入铁焦的灰分所致。在炼焦过程中，配入的铁矿粉中的氧化铁（Fe2O3和FeO）部分还原成金属铁，而在灰分的测定中又氧化成Fe2O3，因此，铁焦的灰分应大于炼焦煤带入的灰分和配入的铁矿粉之和。而且，铁焦的灰分已不同于传统焦炭的灰分，铁焦的灰分中含有大量的Fe2O3，在焦质中部分是以金属铁的形式存在，这也许是“铁焦”名称的由来。铁焦的硫分来源于炼焦煤和配入的铁矿粉；由于铁矿粉的硫含量很低，因此其主要来源于炼焦煤。

2．2 铁焦的显气孔率Ps和总气孔率Pt

焦炭的气孔由煤熔融部分在结焦过程中因气体析出受阻等而形成［9］。气孔率包括显气孔率Ps和总气孔率Pt。气孔率的大小直接影响焦炭的强度和反应性。铁焦的显气孔率Ps和总气孔率Pt与炼焦煤的挥发分w（Vdaf）和粘结指数G的关系如图2所示。

由图2可知，随着w（Vdaf）和G的增加，铁焦的Ps和Pt均显著增大。这是因为，w（Vdaf）增大时，结焦过程中气体析出剧烈；而G增大时，胶质层变厚，气体析出受阻，导致气孔增多、变大，Ps和Pt均增大。此外，配入的铁矿粉为惰性物质，在结焦过程中，不会软化熔融，颗粒间的孔隙增多，也导致铁焦的气孔率增大，但这种影响应处于次要地位。

2．3 铁焦的抗碎强度M25和耐磨强度M10

焦炭的抗碎强度和耐磨强度统称为机械强度，是焦炭的重要质量指标，也应是铁焦的重要质量指标。生产实践表明，其主要取决于炼焦煤的煤化度指标（Vdaf）和粘结性指标（G或Y）。铁焦的抗碎强度M25、耐磨强度M10与炼焦煤的挥发分w（Vdaf）和粘结指数G之间的关系如图3所示。

图2　铁焦的Ps、Pt与炼焦煤的w（Vdaf）、G之间的关系Fig．2 Relationship between porosities of iron coke and properties of coal charge

图3　铁焦的M25、M10与炼焦煤的w（Vdaf）、G之间的关系Fig．3 Relationship between mechanical strength of iron coke and properties of coal charge

由图3可知，随着w（Vdaf）和G的增加，铁焦的M25先增后减，M10先减后增，在w（Vdaf）＝28%、G＝81附近有极值。这是因为，在配入质量分数10%铁矿粉的条件下，当w（Vdaf）＜28%和G＜81时，炼焦煤的w（Vdaf）偏低、粘结能力不足，熔融性较差，使得其M25和M10较差，故随着w（Vdaf）和G的提高，粘结能力改善，熔融性提高，铁焦的M25和M10均得以改善。当w（Vdaf）＝28%、G＝81附近时，铁焦的M25和M10达到最佳。此后，随着w（Vdaf）的进一步提高，铁焦的收缩量增大、裂纹增多、气孔率增大，这时G的增大不足以克服w（Vdaf）的作用，致使铁焦的M25和M10均快速降低。

将图3的绘图数据进行多元回归分析可得：

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附近时，铁焦的M25和M10取得最佳值。

2．4 铁焦的反应性CRI和反应后强度CSR

焦炭的反应性和反应后强度通常称为焦炭的热性质。生产实践表明，焦炭的反应性和反应后强度主要取决于炼焦煤的煤化度指标（Vdaf）、粘结性指标（G、Y）以及灰成分的催化指数MCI［10－11］。铁焦也

应如此。但是，配入质量分数10%加拿大铁矿粉后，混合煤料的催化指数已是炼焦煤自身的10倍以上，催化能力已足够大，由炼焦煤灰成分引起的微小变化已不足以影响铁焦的反应性。因此，本研究不考虑催化指数MCI对铁焦反应的影响。

铁焦的反应性CRI、反应后强度CSR与炼焦煤的挥发分w（Vdaf）和粘结指数G之间的关系如图4所示。

由图4可知，随着w（Vdaf）和G增加，铁焦的CRI迅速增大、CSR相应减小。这是因为，w（Vdaf）增大时，铁焦的收缩量增大，裂纹增多，气孔率增大，致使铁焦的CRI增大、CSR降低。同时，G增大是因为多配了气肥煤，而气肥煤的胶质体稳定性差，分解量增大，也导致铁焦的裂纹增多，气孔率增大，因此铁焦的CRI增大、CSR变小。

将图4的绘图数据进行多元回归分析可得：CRI＝22．69－0．393 27（w（Vdaf）－29．84）2＋0．090 48（G－70．00）2，R2＝0．980 36；（3）

图4　铁焦的CRI、CSR与炼焦煤的w（Vdaf）、G之间的关系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，当w（Vdaf）＝27．64%～29．84%、G＝70．00～80．19时，CRI、CSR较好。

比较式（1）、（2）和式（3）、（4）可知，在炼焦煤的w（Vdaf）＝28%附近，铁焦的M25、M10、CRI和CSR均取得最佳值，这与常规炼焦的规律一致［10－11］。这表明，对于本研究的配煤，炼焦煤的w（Vdaf）对铁焦的M25、M10、CRI和CSR的影响要强于炼焦煤的G。

2．5 铁焦的w（MFe）和w（MFe）／w（TFe）

铁焦中铁矿粉的还原程度通常表示为铁焦的金属铁质量分数w（MFe）和金属铁质量分数与全铁质量分数的比值w（MFe）／w（TFe）。在炼焦过程中，铁矿粉中的氧化铁部分地被还原成金属铁，其还原程度要受各种因素的影响，而炼焦煤的性质应该是重要因素之一。

铁焦中的金属铁质量分数w（MFe）和金属铁与全铁质量分数的比值w（MFe）／w（TFe）与炼焦煤的挥发分w（Vdaf）和粘结指数G之间的关系如图5所示。

由图5可知，随着w（Vdaf）和G的增加，铁焦的金属铁质量分数w（MFe）增大，金属铁质量分数与全铁质量分数的比值w（MFe）／w（TFe）也增大。其

图5　铁焦的w（MFe）、w（MFe）／w（TFe）与炼焦煤的w（Vdaf）、G之间的关系Fig．5 Relationship between reduction degree of iron ore in iron coke and properties of coal charge

原因可能有三：一是随着炼焦煤的w（Vdaf）的增加，碳的活性增大，促进了氧化铁的还原和金属铁的生成；二是随着G的增大，炼焦煤料膨胀性增大，铁矿粉颗粒受到挤压，与煤粒之间接触紧密，有利于氧化铁的还原和金属铁的生成；三是随着w（Vdaf）的增加，在铁焦的半焦收缩阶段脱氢剧烈，氢是氧化铁的还原剂，气氛中氢气浓度增加有利于氧化铁的还原和金属铁的生成。随着金属铁的生成量增加，铁焦中w（MFe）／w（TFe）也随之增加，其比值在70%左右，与Seiji Nomura的试验结果一致［12］。

综上可知，铁焦的各项质量指标与炼焦煤的性质关系密切，通过改变炼焦煤的性质可以改变铁焦的性能。换言之，改变炼焦煤的性质可以生产出具有不同性能的铁焦。

3　结论

1）铁焦的灰分、硫分来源于炼焦煤和铁矿粉，其含量取决于炼焦煤的灰分和硫分。

2）炼焦煤的性质对铁焦的各项质量指标影响显著，在本研究条件下，其煤化度指标居主导地位，粘结性指标处次要地位。随着挥发分增加，铁焦的显气孔率、总气孔率、金属铁含量以及金属铁含量与全铁含量的比值均单调增大；铁焦的抗碎强度和耐磨强度在w（Vdaf）＝28%、G＝81附近取得最佳值；铁焦的反应性和反应后强度在w（Vdaf）＝27．64%～29．84%、G＝70．00～81．19时较好。

3）改变炼焦煤的性质，可以生产出具有不同性能的铁焦。

参考文献：

［1］ 炼焦化工卷编辑委员会．中国冶金百科全书：炼焦化工［M］．北京：冶金工业出版社，1992：361－362．

［2］ Masaki Naito，Akira Okamoto，Kazuyoshi Yamaguchi，et．al．Improvement of blast furnace reaction efficiency by temperature control of thermal reserve zone［J］．Nippon Steel Technical Report，2006：94－98．

［3］ Seiji Nomura，Kenich Higuchi，Kazuya Kunitomo，et al．Reaction behavior of formed iron coke and its effect on decreasing thermal reserve zone temperature in blast furnace［J］．ISIJ International，2010，50（10）：1388－1393．

［4］ 刘竹林，毕学工，史世庄．21世纪生态高炉的发展［J］．钢铁，2008，43（7）：1－6．

［5］ Nomura Seiji，Higuchi Kenichi，Kunimoto Kazuya，et．al．Enhancement of low－temperature gasification and reduction by using iron－coke in laboratory scale tests［J］．ISIJ International，2011，51（7）：1308－1313．

［6］ 张国富．日本开发铁焦新技术［J］．燃料与化工，2010，41（3）：58．

［7］ 史世庄，孙超祺，毕学工，等．铁矿粉配比对铁焦性能影响的试验研究［J］．钢铁，2014，49（5）：7－12．

［8］ 史世庄，董晴雯，毕学工，等．炼焦工艺条件对铁焦性能影响的试验研究［J］．钢铁，2015，50（4）：9－13．

［9］ 姚昭章，郑明东．炼焦学［M］．北京：冶金工业出版社，2005：37－41．

［10］ 杨俊和，冯安祖，杜鹤桂．矿物质催化指数与焦炭反应性关系［J］．钢铁，2001，36（6）：5－9．

［11］ 史世庄，吴琼，毕学工，等．焦炭热性质的预测及影响因素分析［J］．钢铁，2013，48（9）：8－15．

（编辑：张红霞）

［12］ Seiji Nomura，Hidetoshi Terashima，Eiji Sato，et al．Some fundamental aspects of highly reactive iron coke production［J］．ISIJ International，2007，47（6）：823－828．

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

作者简介：史世庄（1956－），男，河南开封人，硕士，教授，主要从事煤化工研究，（E－mail）shisz1956＠126．com

基金项目：国家自然科学基金资助项目：高反应性铁焦的生产与高炉冶炼应用基础（51174149）

收稿日期：＊2014－06－28

文章编号：1007－9432（2015）03－0283－05

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

文献标识码：A

中图分类号：TQ522．1