元婷婷  薛忠林  賀敏敏 

（寶武集團八鋼公司煉鐵分公司）

摘  要  本文基于武漢科技大學(xué)對鐵焦研究成果的實驗基礎(chǔ)，通過與歐冶爐生產(chǎn)過程中焦炭質(zhì)量及生產(chǎn)實績對比，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)于鐵焦的研究國內(nèi)外已有一些報道。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的中試廠累計生產(chǎn)2500t鐵焦,在千葉廠5153m3 高爐上進行了長達百天的冶煉試驗,試驗過程操作穩(wěn)定,高爐燃料比降低。國內(nèi)武漢科技大學(xué)實驗室制備鐵焦上做了相關(guān)的研究，并對鐵焦的相關(guān)數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，得到一定的實驗室基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。

目前國內(nèi)尚未報道關(guān)于高爐或COREX爐應(yīng)用鐵焦進行生產(chǎn)的試驗,而對與COREX爐或八鋼歐冶爐來講，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單耗，降低歐冶爐噸鐵成本。為此，本文研究通過在試驗研究的基礎(chǔ)上，與歐冶爐生產(chǎn)實績數(shù)據(jù)比對，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,為鐵焦在歐冶爐實際生產(chǎn)中的使用提供理論依據(jù)。

1  鐵焦的制備實驗

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。煤樣用雙輥破碎機粉碎,然后過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69.52%；加礦顆粒相對較粗,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  實驗室制備鐵焦的操作流程

煉焦試驗在5kg實驗室焦?fàn)t中進行,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,將鐵箱送至焦?fàn)t中,焦餅中心溫度達到950 ℃后,保持90min后出焦。出爐的焦炭采用濕法熄焦后備用。

1.3  實驗室制備鐵焦的化學(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。在煉焦過程中,鐵精粉中的鐵氧化物大部分會還原成金屬鐵,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,本試驗中添加20%礦粉所制鐵焦4的還原率最高,金屬化率可達79.25%。

1.4  實驗室制備鐵焦的顯微強度

相關(guān)實驗表明鐵焦的顯微強度與焦炭無明顯差別,添加加礦對焦炭氣孔壁的強度沒有影響。配煤中添加鐵精粉,所得焦炭的真、假相對密度均增加,這是因為焦炭中金屬鐵與焦質(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較小,有可能在煉焦過程中被液相組分所包覆而參與形成氣孔壁,對焦炭的氣孔率影響??；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 實驗室制備鐵焦的冷強度與熱強度變化

與焦炭相比,鐵焦的抗碎強度M25減小,耐磨強度M10增大。當(dāng)鐵礦配比由15%增加到20%時,M25陡然下降,M10陡然升高,焦炭冷強度明顯變差,這可能是因為鐵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%加礦對焦炭的冷強度削弱不多,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)強度最好,主要原因可能是因為加礦的含鐵品位最高、脈石含量最低(見表2),帶入配煤中的惰性物質(zhì)最少。試驗中還發(fā)現(xiàn)鐵焦冷強度與所添加鐵精粉的粒度組成有關(guān)。試驗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的煤料顆粒之中,對煤的黏結(jié)性起破壞作用,故添加澳礦所制鐵焦的冷強度較差。（具體相關(guān)性趨勢如圖1所示）

1.6  實驗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15%時,所制鐵焦的反應(yīng)性增強而反應(yīng)后強度減小,但當(dāng)添加量超過15%后,添加澳礦和加礦所制鐵焦的反應(yīng)性不再增強。另外，即使鐵焦的熱強度稍差于歐冶焦實際焦炭,鐵焦也可以作為目前供應(yīng)量不足的焦丁的補充,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。（具體相關(guān)性趨勢如圖2所示）

2  八鋼制備鐵焦的質(zhì)量預(yù)測

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)實驗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)八鋼自有煤種進行配煤結(jié)構(gòu)調(diào)整。為保證成品鐵焦轉(zhuǎn)股強度，可選用32-36小時結(jié)焦時間，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)

通過實驗室用鐵精粉的粒度分布、化學(xué)成分分析及對制備的鐵焦冷、熱強度、反應(yīng)性及反應(yīng)后強度對比，可優(yōu)選加礦精粉。八鋼蒙庫精粉粒度分布及成分對比與加礦相類似，因此八鋼制備鐵焦優(yōu)選蒙庫精粉。八鋼蒙庫精粉化學(xué)成分對比如表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)場實際情況經(jīng)過翻車機加入至圓形倉，通過取料機皮帶輸送至預(yù)粉碎機室，預(yù)粉碎后送入中間倉，中間倉后經(jīng)膠帶輸送機送入二級粉碎機進行二次粉碎，達到指標(biāo)要求后送入相應(yīng)配煤槽。鐵精粉利用原三地坑進入配煤罐。根據(jù)配合煤與鐵精粉試驗配比計劃，單種煤或鐵精粉通過配煤槽下設(shè)置的圓盤給料機給料到電子配料皮帶秤，經(jīng)膠帶輸送機將配合煤送入焦?fàn)t煤塔。整體系統(tǒng)由原煤的初破碎、兩級粉碎系統(tǒng)、配煤及自動配煤系統(tǒng)、煤塔頂層布料系統(tǒng)、煤制樣室以及相應(yīng)的帶式輸送機通廊和轉(zhuǎn)運站組成，如圖3所示。

2.4 八鋼制備鐵焦質(zhì)量預(yù)測

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)實踐數(shù)據(jù)可知：全疆內(nèi)煤煉焦過程可通過延長結(jié)焦時間至36小時和干熄焦工藝配合，可保證冶金焦M40大于89%，并且高爐生產(chǎn)順行穩(wěn)定，煉鐵成本進一步降低。通過實驗室加礦精粉與八鋼蒙庫鐵精粉成分對比、實驗室配合煤與八鋼現(xiàn)階段配合煤的質(zhì)量成分對比，結(jié)合實驗室實驗結(jié)論，可推測八鋼制備鐵焦中配加20%蒙庫精粉可制得鐵焦成分與新區(qū)冶金焦和歐冶焦對比如表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)過煤線系統(tǒng)裝入氣化爐，鐵料及輔料通過礦線系統(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，通過分析歐冶爐工廠運行參數(shù)，且取得大量工業(yè)試驗數(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，試驗消納廠內(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，拓展歐冶爐原料結(jié)構(gòu)多樣化。其成分如下：

試驗過程從生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，油泥球團配加20 -30 kg/t.HM左右。實際油泥球團配加后并不影響冷煤氣質(zhì)量。對豎爐壓差、拱頂溫度、風(fēng)口氧氣單耗等無影響。油泥球團配加穩(wěn)定后，原料礦耗由正常生產(chǎn)時的平均1660kg/t,降至后期1630 kg/t，礦耗降低1.8%，從油泥球團含鐵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始?xì)饣?從而降低高爐熱儲備區(qū)溫度,使浮氏體還原反應(yīng)的平衡點向氣體利用率較高的一側(cè)移動,提高煤氣中CO2 組分的平衡濃度,這樣就增大了氣體中的實際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)動力增強,進而提高了爐內(nèi)冶煉的反應(yīng)效率。在煉焦過程中，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，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、對歐冶爐降[Si]有利，節(jié)約成本，提高歐冶爐競爭力。結(jié)合歐冶爐燃料結(jié)構(gòu)特性、鐵焦的工業(yè)試驗理化性能，以歐冶爐配加油泥球團、污泥球團、含鋅污泥、橡膠塊等危險廢棄物的環(huán)保實驗數(shù)據(jù)為支撐點，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 鐵焦用于開爐替代粒鋼的原料結(jié)構(gòu)分析

2015年開爐實績粒鋼比例90%，球團比例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。開爐用的粒鋼（單價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)口實際排料率不符，影響爐熱發(fā)展方向，對開爐初期爐況調(diào)整造成一定的波動。鐵焦的物理形態(tài)類似焦炭，強度略低于冶金焦，在開爐、豎爐清空后的填料、單氣化爐生產(chǎn)時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 八鋼配加鐵焦試驗的爐況參數(shù)指標(biāo)預(yù)測

開展工業(yè)試驗前的基本爐況如下：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%。試驗過程如下；

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

試驗過程中收集和統(tǒng)計以下數(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，并及時根據(jù)爐溫變化進行調(diào)劑。

3.6 配加鐵焦對歐冶爐噸鐵成本的影響分析

通過對鐵焦配加入歐冶爐物料平衡及熱量平衡計算，并將計算數(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，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)實績，且礦耗降低4.71%，燒結(jié)量不變，降低球團量配比，折合噸鐵可降低64.4元。歐冶鐵焦配加78%時，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，達到最經(jīng)濟配比，噸鐵可降低124元。

4  結(jié)論

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

（2）結(jié)合實驗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，選擇配加蒙庫鐵精粉。八鋼可利用現(xiàn)有制備干熄焦裝置制備鐵焦，蒙庫鐵精粉配加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，歐冶焦全部被置換，配比78%時，金焦負(fù)荷150kg/t.hm，礦耗降低8.54%，達到最經(jīng)濟配比，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周期檢修后開爐、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)實踐。