元婷婷  薛忠林  賀敏敏 

（寶武集團(tuán)八鋼公司煉鐵分公司）

摘  要  本文基于武漢科技大學(xué)對(duì)鐵焦研究成果的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，通過(guò)與歐冶爐生產(chǎn)過(guò)程中焦炭質(zhì)量及生產(chǎn)實(shí)績(jī)對(duì)比，提出鐵焦用于歐冶爐生產(chǎn)的可行性分析，為歐冶爐提高生產(chǎn)效率及降低能耗提出生產(chǎn)指導(dǎo)建議。

關(guān)鍵詞  鐵焦  歐冶爐  生產(chǎn)  可行性

關(guān)于鐵焦的研究國(guó)內(nèi)外已有一些報(bào)道。早在20世紀(jì)50年代，朝鮮就在焦?fàn)t中生產(chǎn)了鐵焦并在高爐上應(yīng)用。2012年5～6月日本JFE 公司采用壓塊-豎爐法在30t/d的中試廠累計(jì)生產(chǎn)2500t鐵焦,在千葉廠5153m3 高爐上進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)百天的冶煉試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程操作穩(wěn)定,高爐燃料比降低。國(guó)內(nèi)武漢科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室制備鐵焦上做了相關(guān)的研究，并對(duì)鐵焦的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到一定的實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

目前國(guó)內(nèi)尚未報(bào)道關(guān)于高爐或COREX爐應(yīng)用鐵焦進(jìn)行生產(chǎn)的試驗(yàn),而對(duì)與COREX爐或八鋼歐冶爐來(lái)講，鐵焦用于歐冶爐，一方面可以提高入爐鐵料的金屬化率,減少氣化爐直接還原耗碳。另一方面為實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)節(jié)能減排,努力發(fā)展歐冶爐綠色煉鐵工藝，大力減少CO2 、粉塵顆粒物等大氣污染物的排放，達(dá)到城市與鋼廠共容的目標(biāo)。歐冶爐加入鐵焦，可降低噸鐵礦耗、在保持燒結(jié)單耗的前提下降低噸鐵球團(tuán)單耗，降低歐冶爐噸鐵成本。為此，本文研究通過(guò)在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，與歐冶爐生產(chǎn)實(shí)績(jī)數(shù)據(jù)比對(duì)，試圖找到用焦?fàn)t法煉制適合歐冶爐冶煉的鐵焦的工藝方案,為鐵焦在歐冶爐實(shí)際生產(chǎn)中的使用提供理論依據(jù)。

1  鐵焦的制備實(shí)驗(yàn)

1.1  鐵焦制備的配合煤及鐵精粉性質(zhì)

煉焦用煤為武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化公司的配合煤,其性質(zhì)如表1所示。煤樣用雙輥破碎機(jī)粉碎,然后過(guò)3mm 篩。

煉焦配煤中添加的3種鐵精粉分別為加拿大精礦粉、澳大利亞FMG粉和鄂西高磷鐵精粉(以下分別簡(jiǎn)稱為加礦、澳礦和鄂西礦),化學(xué)成分如表2所示。3種礦粉中,加礦因本身粒度較細(xì)而不作處理，鄂西礦和澳礦均先壓碎后過(guò)0.2mm篩。加入配煤中的3種礦粉粒度分布為澳礦粒度<鄂西礦粒度<加礦粒度；澳礦粒度分布范圍窄,小于0.074mm 的顆粒粒度分布達(dá)69.52%；加礦顆粒相對(duì)較粗,0.15～0.56mm 范圍內(nèi)的顆粒占72.84%；鄂西礦在0.045～0.1mm 范圍內(nèi)的顆粒占66.91%。

1.2  實(shí)驗(yàn)室制備鐵焦的操作流程

煉焦試驗(yàn)在5kg實(shí)驗(yàn)室焦?fàn)t中進(jìn)行,焦?fàn)t的加熱元件為硅碳棒。將配合煤粉和3種鐵精粉分別按一定比率加水混勻后放入鐵箱(水分控制在10%),用搗固錘搗打鐵箱中的煤至其堆密度為1.1kg/m3。當(dāng)爐墻溫度升至800 ℃時(shí),將鐵箱送至焦?fàn)t中,焦餅中心溫度達(dá)到950 ℃后,保持90min后出焦。出爐的焦炭采用濕法熄焦后備用。

1.3  實(shí)驗(yàn)室制備鐵焦的化學(xué)成分

根據(jù)添加鐵精粉比例的不同,將所得焦炭分別命名為焦炭(未加鐵精粉)、鐵焦1～鐵焦4(添加加礦),其化學(xué)成分如表3所示。在煉焦過(guò)程中,鐵精粉中的鐵氧化物大部分會(huì)還原成金屬鐵,這是使用鐵焦可提高爐反應(yīng)效率和降低燃料消耗的原因之一。由表3可知,本試驗(yàn)中添加20%礦粉所制鐵焦4的還原率最高,金屬化率可達(dá)79.25%。

1.4  實(shí)驗(yàn)室制備鐵焦的顯微強(qiáng)度

相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明鐵焦的顯微強(qiáng)度與焦炭無(wú)明顯差別,添加加礦對(duì)焦炭氣孔壁的強(qiáng)度沒(méi)有影響。配煤中添加鐵精粉,所得焦炭的真、假相對(duì)密度均增加,這是因?yàn)榻固恐薪饘勹F與焦質(zhì)緊密結(jié)合,使得焦炭更加致密,且鐵比炭質(zhì)材料密度大造成鐵焦的相對(duì)密度較正常冶金焦大。與焦炭相比,添加鐵精粉制得鐵焦的氣孔率與鐵精粉的平均粒度有關(guān)。平均粒度相對(duì)較大,影響其與液相產(chǎn)物的接觸狀態(tài),從而降低了煤料間結(jié)合的緊密程度,導(dǎo)致所煉鐵焦的氣孔率增大,而鐵精粉的平均粒度相對(duì)較小,有可能在煉焦過(guò)程中被液相組分所包覆而參與形成氣孔壁,對(duì)焦炭的氣孔率影響??；另一方面金屬鐵具有較好的遷移性,可填充焦炭的氣孔,最終導(dǎo)致焦炭的氣孔率降低。

1.5 實(shí)驗(yàn)室制備鐵焦的冷強(qiáng)度與熱強(qiáng)度變化

與焦炭相比,鐵焦的抗碎強(qiáng)度M25減小,耐磨強(qiáng)度M10增大。當(dāng)鐵礦配比由15%增加到20%時(shí),M25陡然下降,M10陡然升高,焦炭冷強(qiáng)度明顯變差,這可能是因?yàn)殍F精粉的存在使得煤顆粒的膨脹性下降,導(dǎo)致煤顆粒間的結(jié)合能力變?nèi)?從而使焦炭強(qiáng)度變差。鐵焦3與焦炭相比,M25從89.17%降至85.07%,M10從7.17%增至9.13%,表明添加15%加礦對(duì)焦炭的冷強(qiáng)度削弱不多,還足夠滿足其作為冶金爐入爐焦炭使用。與添加澳礦和鄂西礦相比,添加加礦所制鐵焦的冷態(tài)強(qiáng)度最好,主要原因可能是因?yàn)榧拥V的含鐵品位最高、脈石含量最低(見(jiàn)表2),帶入配煤中的惰性物質(zhì)最少。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)鐵焦冷強(qiáng)度與所添加鐵精粉的粒度組成有關(guān)。試驗(yàn)所用澳礦和鄂西礦的品位相差不大,但因澳礦的粒度范圍窄而平均粒度較細(xì),帶入的脈石易富集在小粒級(jí)的煤料顆粒之中,對(duì)煤的黏結(jié)性起破壞作用,故添加澳礦所制鐵焦的冷強(qiáng)度較差。（具體相關(guān)性趨勢(shì)如圖1所示）

1.6  實(shí)驗(yàn)室制備鐵焦的氣化反應(yīng)性能分析

鐵焦的反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度隨配煤中鐵精粉添加量的變化情況。隨著鐵精粉添加量的增加,當(dāng)添加量不超過(guò)15%時(shí),所制鐵焦的反應(yīng)性增強(qiáng)而反應(yīng)后強(qiáng)度減小,但當(dāng)添加量超過(guò)15%后,添加澳礦和加礦所制鐵焦的反應(yīng)性不再增強(qiáng)。另外，即使鐵焦的熱強(qiáng)度稍差于歐冶焦實(shí)際焦炭,鐵焦也可以作為目前供應(yīng)量不足的焦丁的補(bǔ)充,可以采用和鐵精粉混裝入爐的方式加以利用,充分發(fā)揮其反應(yīng)性高的優(yōu)勢(shì)。（具體相關(guān)性趨勢(shì)如圖2所示）

2  八鋼制備鐵焦的質(zhì)量預(yù)測(cè)

2.1  八鋼制備鐵焦的配合煤性質(zhì)選擇

根據(jù)武漢科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)室制備鐵焦的配合煤性質(zhì)分析結(jié)論，八鋼制備鐵焦用配合煤可根據(jù)八鋼自有煤種進(jìn)行配煤結(jié)構(gòu)調(diào)整。為保證成品鐵焦轉(zhuǎn)股強(qiáng)度，可選用32-36小時(shí)結(jié)焦時(shí)間，配合煤中配加5%清河蒙古煤作為主焦煤，其他煤種由自產(chǎn)氣肥煤代替保證粘結(jié)指數(shù)，按照煤耗1.408計(jì)算，配煤成本為709元，成本略高于新區(qū)焦化冶金焦配煤成本。

2.2 八鋼制備鐵焦用鐵精粉性質(zhì)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室用鐵精粉的粒度分布、化學(xué)成分分析及對(duì)制備的鐵焦冷、熱強(qiáng)度、反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度對(duì)比，可優(yōu)選加礦精粉。八鋼蒙庫(kù)精粉粒度分布及成分對(duì)比與加礦相類似，因此八鋼制備鐵焦優(yōu)選蒙庫(kù)精粉。八鋼蒙庫(kù)精粉化學(xué)成分對(duì)比如表5所示：

2.3  八鋼制備鐵焦工藝流程

根據(jù)八鋼焦化廠煉焦工藝流程，制備鐵焦分為先破碎、備煤、鐵精粉。配合煤按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況經(jīng)過(guò)翻車機(jī)加入至圓形倉(cāng)，通過(guò)取料機(jī)皮帶輸送至預(yù)粉碎機(jī)室，預(yù)粉碎后送入中間倉(cāng)，中間倉(cāng)后經(jīng)膠帶輸送機(jī)送入二級(jí)粉碎機(jī)進(jìn)行二次粉碎，達(dá)到指標(biāo)要求后送入相應(yīng)配煤槽。鐵精粉利用原三地坑進(jìn)入配煤罐。根據(jù)配合煤與鐵精粉試驗(yàn)配比計(jì)劃，單種煤或鐵精粉通過(guò)配煤槽下設(shè)置的圓盤給料機(jī)給料到電子配料皮帶秤，經(jīng)膠帶輸送機(jī)將配合煤送入焦?fàn)t煤塔。整體系統(tǒng)由原煤的初破碎、兩級(jí)粉碎系統(tǒng)、配煤及自動(dòng)配煤系統(tǒng)、煤塔頂層布料系統(tǒng)、煤制樣室以及相應(yīng)的帶式輸送機(jī)通廊和轉(zhuǎn)運(yùn)站組成，如圖3所示。

2.4 八鋼制備鐵焦質(zhì)量預(yù)測(cè)

根據(jù)八鋼2014-2015年新區(qū)焦化全疆內(nèi)煤煉焦工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)可知：全疆內(nèi)煤煉焦過(guò)程可通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)焦時(shí)間至36小時(shí)和干熄焦工藝配合，可保證冶金焦M40大于89%，并且高爐生產(chǎn)順行穩(wěn)定，煉鐵成本進(jìn)一步降低。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室加礦精粉與八鋼蒙庫(kù)鐵精粉成分對(duì)比、實(shí)驗(yàn)室配合煤與八鋼現(xiàn)階段配合煤的質(zhì)量成分對(duì)比，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可推測(cè)八鋼制備鐵焦中配加20%蒙庫(kù)精粉可制得鐵焦成分與新區(qū)冶金焦和歐冶焦對(duì)比如表6所示。

3 八鋼歐冶爐配加鐵焦的可行性分析

3.1 燃料特性結(jié)構(gòu)拓展

八鋼歐冶爐具有靈活的上料系統(tǒng)，燃料經(jīng)過(guò)煤線系統(tǒng)裝入氣化爐，鐵料及輔料通過(guò)礦線系統(tǒng)裝入豎爐。氣化爐用冶金焦質(zhì)量要求如表7所示，體積占約為35%。2017年生產(chǎn)中，歐冶爐煤線配加橡膠塊、塊煤、沫煤、弱粘煤、等16種燃料的工業(yè)試驗(yàn)，通過(guò)分析歐冶爐工廠運(yùn)行參數(shù)，且取得大量工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 歐冶爐原料結(jié)構(gòu)拓展

2015年試生產(chǎn)中，氣化爐配加少量的污泥球團(tuán)，試驗(yàn)消納廠內(nèi)一般廢棄物，冶煉參數(shù)平穩(wěn)。2017年總結(jié)數(shù)據(jù)、完善工藝，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的目標(biāo)，氣化爐配加廠內(nèi)廢油混合污泥制成的油泥球團(tuán)，拓展歐冶爐原料結(jié)構(gòu)多樣化。其成分如下：

試驗(yàn)過(guò)程從生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，油泥球團(tuán)配加20 -30 kg/t.HM左右。實(shí)際油泥球團(tuán)配加后并不影響冷煤氣質(zhì)量。對(duì)豎爐壓差、拱頂溫度、風(fēng)口氧氣單耗等無(wú)影響。油泥球團(tuán)配加穩(wěn)定后，原料礦耗由正常生產(chǎn)時(shí)的平均1660kg/t,降至后期1630 kg/t，礦耗降低1.8%，從油泥球團(tuán)含鐵49%分析，其基本可替代部分燒結(jié)礦，使用效果看，基本與分析一致。

3.3 歐冶爐用鐵焦的理論可行性分析

使用高反應(yīng)性焦炭可提高爐內(nèi)還原效率并降低能源消耗,這是由于高反應(yīng)性焦炭能在較低的溫度下開(kāi)始?xì)饣?從而降低高爐熱儲(chǔ)備區(qū)溫度,使浮氏體還原反應(yīng)的平衡點(diǎn)向氣體利用率較高的一側(cè)移動(dòng),提高煤氣中CO2 組分的平衡濃度,這樣就增大了氣體中的實(shí)際CO2 濃度與還原反應(yīng)平衡CO2 濃度的差值,導(dǎo)致FeO 氣相還原的驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng),進(jìn)而提高了爐內(nèi)冶煉的反應(yīng)效率。在煉焦過(guò)程中，鐵礦粉中的鐵氧化物大部分還原成金屬鐵，這是使用鐵焦可提高高爐反應(yīng)效率和降低燃料消耗的主要原因之一。

鐵焦具有金屬化率高、含碳高、且在氣化爐高溫裂解后，燃燒產(chǎn)生的CO與Fe接觸反應(yīng)，具有還原歷程短的特點(diǎn)，可降低豎爐礦耗、提升金屬化率、降低焦比、降低風(fēng)口氧氣單耗、對(duì)歐冶爐降[Si]有利，節(jié)約成本，提高歐冶爐競(jìng)爭(zhēng)力。結(jié)合歐冶爐燃料結(jié)構(gòu)特性、鐵焦的工業(yè)試驗(yàn)理化性能，以歐冶爐配加油泥球團(tuán)、污泥球團(tuán)、含鋅污泥、橡膠塊等危險(xiǎn)廢棄物的環(huán)保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐點(diǎn)，歐冶爐配加鐵焦，可代替相同體積的燃料與原料，減輕裝料系統(tǒng)負(fù)荷，增加產(chǎn)量，具有可行性。

3.4 鐵焦用于開(kāi)爐替代粒鋼的原料結(jié)構(gòu)分析

2015年開(kāi)爐實(shí)績(jī)粒鋼比例90%，球團(tuán)比例10%，焦炭體積50%，第三段料粒鋼比例降至70%，焦炭體積比降至40%。2017年開(kāi)爐豎爐裝填料底部為100%的粒鋼，焦炭體積比為50%，豎爐填充使用的焦炭為焦丁。開(kāi)爐用的粒鋼（單價(jià)1900元/噸）堆密度高、粒度不均勻且有片狀存在，容易造成DRI螺旋本體卡堵和DRI螺旋排料率與風(fēng)口實(shí)際排料率不符，影響爐熱發(fā)展方向，對(duì)開(kāi)爐初期爐況調(diào)整造成一定的波動(dòng)。鐵焦的物理形態(tài)類似焦炭，強(qiáng)度略低于冶金焦，在開(kāi)爐、豎爐清空后的填料、單氣化爐生產(chǎn)時(shí)可配加比例鐵焦置換部分粒鋼，一方面減輕爐況負(fù)荷，另一方面可縮短豎爐引煤氣時(shí)間歷程，參考2015年和2017年單氣化爐生產(chǎn)初期的燃料比1200kg/t.HM，僅用3天時(shí)間降到900 kg/t.HM，也充分考慮豎爐金屬化率的重要性，提前發(fā)揮豎爐預(yù)熱和間接還原的工作職能，提高金屬化率，為降[Si]做基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

3.5 八鋼配加鐵焦試驗(yàn)的爐況參數(shù)指標(biāo)預(yù)測(cè)

開(kāi)展工業(yè)試驗(yàn)前的基本爐況如下：熔煉率140t/h，渣比300kg/tHM，燃料比850kg/tHM，包括100kg/tHM焦丁，200kg/tHM南疆焦，50kg/tHM歐冶焦，500kg/tHM煤沫。風(fēng)口氧氣流量36500Nm3/h，粉塵燒嘴流量22000Nm3/h，還原豎爐煤氣溫度850-860℃，拱頂溫度實(shí)際在1030-1050℃之間，頂煤氣流量220000Nm3/h，頂煤氣單耗950Nm3/t-ORE，豎爐爐料金屬化率約40%。試驗(yàn)過(guò)程如下；

鐵焦用于歐冶爐工業(yè)試驗(yàn)可將鐵焦通過(guò)焦炭地坑上至礦煤槽7B料倉(cāng)，由煤線配加進(jìn)氣化爐。

試驗(yàn)過(guò)程中收集和統(tǒng)計(jì)以下數(shù)據(jù)：豎爐煤氣含塵量、冷煤氣洗滌污泥量、拱頂溫度、粉塵燒嘴氧量、豎爐壓差、風(fēng)口環(huán)管壓力、礦耗等，并及時(shí)根據(jù)爐溫變化進(jìn)行調(diào)劑。

3.6 配加鐵焦對(duì)歐冶爐噸鐵成本的影響分析

通過(guò)對(duì)鐵焦配加入歐冶爐物料平衡及熱量平衡計(jì)算，并將計(jì)算數(shù)據(jù)代入歐冶爐配料模型核算，鐵焦比例折合焦比（歐冶焦）數(shù)據(jù)分析，歐冶鐵焦配加40%時(shí)，歐冶焦全部替換為鐵焦，冶金焦比例維持不變。配比渣系符合生產(chǎn)實(shí)績(jī)，且礦耗降低4.71%，燒結(jié)量不變，降低球團(tuán)量配比，折合噸鐵可降低64.4元。歐冶鐵焦配加78%時(shí)，冶金焦負(fù)荷150kg/t.hm維持基礎(chǔ)爐況，可滿足氣化爐用焦量，達(dá)到最經(jīng)濟(jì)配比，噸鐵可降低124元。

4  結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室制備鐵焦的數(shù)據(jù)分析，結(jié)合八鋼焦化生產(chǎn)設(shè)備工藝技術(shù)流程，根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)備條件，八鋼具備生產(chǎn)鐵焦的可行性。

（1）鐵焦的冷態(tài)強(qiáng)度比未添加鐵精粉所制焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度差。與添加澳礦和鄂西礦相比,添加加礦所制焦的冷態(tài)強(qiáng)度最優(yōu),且配比以15%為宜,超過(guò)15%,其冷態(tài)強(qiáng)度明顯惡化，配加精粉20%制得鐵焦強(qiáng)度可滿足現(xiàn)歐冶爐生產(chǎn)需求。

（2）結(jié)合實(shí)驗(yàn)室用配合煤和礦的物理形態(tài)、化學(xué)分析，確定八鋼制鐵焦的配煤結(jié)構(gòu)比例，選擇配加蒙庫(kù)鐵精粉。八鋼可利用現(xiàn)有制備干熄焦裝置制備鐵焦，蒙庫(kù)鐵精粉配加15-20%可配得理想鐵焦成分。

（3）歐冶爐配加鐵焦，可代替相同體積的燃料與原料，減輕裝料系統(tǒng)負(fù)荷，增加產(chǎn)量，配加鐵焦40%時(shí)，歐冶焦全部被置換，配比78%時(shí)，金焦負(fù)荷150kg/t.hm，礦耗降低8.54%，達(dá)到最經(jīng)濟(jì)配比，噸鐵可降低124元。

（4）鐵焦具有金屬化率高、固定炭高的性能，可代替粒鋼用于歐冶爐長(zhǎng)周期檢修后開(kāi)爐、豎爐清空等恢復(fù)爐況。

（5）鐵焦可拓展應(yīng)用于礦熱爐制備鐵合金等工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)踐。