中国钢铁工业作为国民经济和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]，占所有工业CO₂排放的15%左右^[2].在今后相当长一段时期内，钢铁生产主要以高炉-转炉流程为主，其中约有70%的能耗和CO₂排放来自高炉炼铁工序^{[1, 3]}.因此，高炉炼铁是钢铁工业节能降耗和减少CO₂排放的主要环节.

目前，高炉炼铁CO₂减排技术研究主要集中于炉顶煤气循环^[4]、富氢气体喷吹^[5-6]和含碳复合炉料使用^[7-9]等.铁焦是一种新型含碳复合炉料.Naito等^[10]研究表明，高炉使用铁焦可降低热空区温度，提高反应效率，降低燃料比，减少CO₂排放.Nomura等^[11]研究了铁焦的气化溶损反应以及在高炉中的反应行为.结果表明，与焦炭相比，铁焦气化反应的开始温度低.然而，目前关于热压铁焦(ICHB)对高炉综合炉料熔滴性能的影响及其适宜的添加比例的研究未见报道.本文研究了热压铁焦对高炉综合炉料熔滴性能的影响，考察了热压铁焦对综合炉料熔滴性能的作用规律并进行了机理探讨，得到了合适的热压铁焦添加量，以期为铁焦的实际应用提供理论依据.

实验原料包括热压铁焦、烧结矿和球团矿.烧结矿化学组成(质量分数，%)为：TFe 56.21，FeO 11.41，SiO₂ 5.5，CaO 12，MgO 2.52，Al₂O₃ 0.95.球团矿化学组成(质量分数，%)为：TFe 65.48，FeO 0.48，SiO₂ 5.81，CaO 0.3，MgO 0.05，Al₂O₃ 0.36.热压铁焦由铁矿粉、烟煤和无烟煤制成，其中铁矿粉化学组成(质量分数，%)为：TFe 66.69，FeO 26.40，SiO₂ 5.31，CaO 0.18，MgO 1.8，Al₂O₃ 0.31，S 0.05，P 0.02；烟煤固定碳为61.52%，灰分为8.75%，挥发分为28.25%；无烟煤固定碳为80.63%，灰分为9.25%，挥发分为8.81%.热压铁焦的制备流程为：将65%烟煤、20%无烟煤以及15%铁矿粉干燥、破碎后混合，然后将混合物加入到热压模具中，并将模具置于加热炉中，当料温达到300℃时，立即取出模具置于热压系统中，将混合物压制成型，最后将成型物置于高温炉中在1 000℃下炭化4 h，炭化后冷却得到椭球形热压铁焦.热压铁焦尺寸为16 mm×14 mm×12 mm，其化学组成(质量分数，%)为：固定碳74.87，灰分9.52，全磷0.02，全硫0.24，金属铁11.1，全铁14.66.热压铁焦抗压强度达5 048.50 N.

根据高炉冶炼实际原则，在保持终渣碱度基本不变的条件下，按热压铁焦和焦炭中的固定碳含量计算热压铁焦添加量(质量分数，下同)，焦比取380 kg/t.热压铁焦添加量有0，10%，20%，30%和40%，对应编号分别为1^#，2^#，3^#，4^#和5^#.实验过程中，烧结矿350 g，球团矿150 g.装料时，热压铁焦、烧结矿和球团矿混合均匀.

实验时，含铁炉料装入内径为75 mm的石墨坩埚，其粒度范围为10~12.5 mm.炉料上下铺设焦炭，上、下层焦炭粒度分别为5~8 mm，8~10 mm.石墨坩埚下部有直径约为8 mm的滴落孔.装料完成后，将坩埚置于电炉恒温段进行实验.熔滴实验条件模拟实际高炉温度和气氛^[12].由于直接观察实验过程较为困难，因此引入一些参数来表征实验结果^[12].t₄和t₄₀分别表示炉料收缩率达到4%和40%时对应的温度；t_S和t_D分别表示料柱压差陡增温度(熔化开始温度)和滴落温度；t₄₀-t₄，t_D-t_S分别表示软化区间和熔化区间(软熔带)；滴落率为滴落渣和滴落铁总质量占含铁炉料理论可滴落总质量的百分数；滴落压差是滴落温度t_D对应的压差.这些参数均可由熔滴实验计算机控制系统自动读取.

图 1是热压铁焦配比对综合炉料软化性能的影响.随着热压铁焦配比增加，软化开始温度t₄从1 103.9℃降低至1 053.0℃；软化终了温度t₄₀从1 310.2℃降低到1 271.9℃；软化区间t₄₀-t₄从206.3℃增加到218.9℃.

综合炉料软化性能主要取决于进入软熔带前炉料中FeO含量.在综合炉料配比不变的情况下，进入软熔带前炉料中FeO含量与炉料的还原程度有关.对于综合炉料的软化开始温度t₄和软化终了温度t₄₀，随着热压铁焦配比增加，气相中CO浓度增加，有利于含铁炉料的还原，且还原加快，软化开始温度和软化终了温度均降低；而当炉料的收缩率达到40%时，炉料中的FeO部分被还原为金属铁，金属铁质量增加，渣中低熔点物质减少，导致软化终了温度下降幅度变缓.与之相比，软化开始温度t₄下降得更多，因此炉料软化区间t₄₀-t₄逐渐变宽.

图 1(Fig. 1)

图 1 热压铁焦配比对综合炉料软化性能的影响 Fig.1 Effect of ICHB addition ratio on softening property of mixed burden

热压铁焦配比对综合炉料熔化性能的影响如图 2所示.随着热压铁焦配比的增加，熔化开始温度t_S从1 281.0℃增加至1 299.0℃；滴落温度t_D由1 452.1℃降低到1 427.4℃；熔化区间t_D-t_S从171.1℃降低到124.8℃.图 3是热压铁焦配比对软熔带位置的影响.随着热压铁焦配比增加，软熔带收窄，位置下移，有利于高炉冶炼.

图 2(Fig. 2)

图 2 热压铁焦配比对综合炉料熔化性能的影响 Fig.2 Effect of ICHB addition ratio on melting property of mixed burden

图 3(Fig. 3)

图 3 热压铁焦配比对综合炉料软熔带的影响 Fig.3 Effect of ICHB addition ratio on the cohesive zone of mixed burden

炉料的熔化开始温度t_S主要取决于综合炉料的炉渣熔点，当炉料配比一定的情况下，炉渣中FeO含量对炉渣的熔点具有重要影响.随着热压铁焦配比增加，炉料还原速度加快.当炉料温度达到t_S附近时，炉渣中的FeO逐渐被还原为金属铁，渣中FeO的含量降低.图 4是CaO-SiO₂-FeO三元相图，由相图可看出，当炉渣碱度不变时，随着渣中FeO含量降低时，炉渣熔点升高，进而熔化开始温度t_S逐渐升高.滴落温度t_D主要取决于软熔滴落过程中较易滴落的相(初铁和初渣).图 5是滴落物外部形貌，由图可以看出，滴落物中铁相在下方，渣相分布于铁相上方，且初铁量远多于初渣量，因此滴落温度t_D应取决于初铁相.随着热压铁焦配比增加，初铁的渗碳量逐渐增加，根据铁碳相图可知，综合炉料的滴落温度t_D逐渐降低.t_S增加、t_D降低导致熔化区间t_D-t_S逐渐变窄.

图 4(Fig. 4)

图 4 CaO-SiO2-FeO三元相图 Fig.4 Phase diagram of CaO-SiO2-FeO

图 5(Fig. 5)

图 5 不同热压铁焦配比条件下综合炉料的滴落物形貌 Fig.5 Morphology of dripping substance of mixed burden with different ICHB addition ratio (a)—未添加铁焦；(b)—10%ICHB; (c)—20%ICHB；(d)—30%ICHB; (e)—40%ICHB.

热压铁焦配比对综合炉料滴落性能的影响如图 6所示.随着热压铁焦配比增加，滴落压差逐渐下降，从1.826 kPa下降到1.655 kPa，热压铁焦的加入改善了料层在滴落时的透气性；综合炉料的滴落率先升高后降低，在热压铁焦配比为30%时，滴落率达到较高值，为40.58%.因此，热压铁焦对综合炉料的滴落性能有促进作用，但超过一定范围后促进作用减弱.

图 6(Fig. 6)

图 6 热压铁焦配比对综合炉料滴落性能的影响 Fig.6 Effect of ICHB addition ratio on dripping property of mixed burden

综合炉料熔滴性能总特征值S值越小，表示料层透气性越好^[12].不同热压铁焦配比下，料层S值变化情况如图 7所示.随着热压铁焦配比的增加，S值逐渐降低，综合炉料透气性能改善.这主要是由于：①随着热压铁焦配比增加，气相CO浓度增加，有利于铁氧化物还原；在较低温度下铁氧化物能被还原成金属铁，而综合炉料在软化熔融滴落时的压差主要集中于软熔带，因此料层的透气性得到改善；②随着热压铁焦配比增加，综合炉料软熔带逐渐收窄，料层压差明显降低(如图 7所示)，有利于改善综合炉料的透气性；③炉料在熔融状态时未反应完的铁焦能改善料层的透气性.未滴落物的剖面如图 8所示.由图可以看出，当综合炉料达到软化熔融状态时，未反应完全的铁焦存在于未滴落物中，从而改善了料层的透气性，表现为综合炉料特征值S逐渐降低.

图 7(Fig. 7)

图 7 不同热压铁焦配比下综合炉料的S值 Fig.7 S-value of mixed burden with different ICHB addition (a)—未添加铁焦，S=1081.74 kPa·℃；(b)—添加10%ICHB，S=789.68 kPa·℃；(c)—添加20%ICHB，S=459.55 kPa·℃；(d)—添加30%ICHB，S=338.56 kPa·℃；(e)—添加40%ICHB，S=253.86 kPa·℃.

图 8(Fig. 8)

图 8 熔滴实验未滴落物剖面图 Fig.8 Profile of residual substance of every softening-melting and dripping test (a)—未添加铁焦；(b)—10%ICHB；(c)—20%ICHB；(d)—30%ICHB；(e)—40%ICHB.

1)随着热压铁焦配比增加，软化开始温度t₄逐渐降低，从1 103.9℃降低至1 053.0℃；软化终了温度t₄₀从1 310.2℃降低到1 271.9℃；软化区间t₄₀-t₄逐渐变宽，从206.3℃增加到218.9℃.

2)随着热压铁焦配比增加，熔化开始温度t_S逐渐增加，从1 281.0℃增加至1 299.0℃；滴落温度t_D逐渐下降，即从1 452.1℃下降至1 427.4℃；软化区间t_D-t_S逐渐收窄，从171.1℃降低到124.8℃，综合炉料软熔带逐渐变窄.

3)随着热压铁焦配比增加，炉料滴落压差下降；滴落率先升高后降低，在热压铁焦配比为30%时达到较高值40.58%；S值逐渐降低，料层透气性改善.综合考虑炉料的熔滴性能，热压铁焦适宜的添加量在30%左右.

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