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.

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 FCad Aad Vad Mad 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

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

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.

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%.

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 ℃.

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 ℃.

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.

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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