CN113416567B - 一种铁焦的制备方法及铁焦 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铁焦的制备方法及铁焦，该方法包括，将配合煤、粘结剂、增强剂和铁源按照85～93：2～10：3～8：3～20的重量比混合后进行干馏，其中，所述铁源的粒径小于等于0.2mm，所述增强剂的粒径小于等于0.5mm；所述铁源的粒径分布为：粒径＜0.05mm，重量占比为15～25％；粒径为0.05～0.1mm，重量占比为30～40％；粒径为0.1～0.15mm，重量占比为25～35％；粒径为0.15～0.2mm，重量占比为5～15％；本发明的制备方法具有工艺简单、成本低的特点，制备出的铁焦具有高强度、高反应性的特点。

Description

一种铁焦的制备方法及铁焦
技术领域
本发明属于铁焦制备技术领域，具体地说，涉及一种铁焦的制备方法及铁焦。
背景技术
近年来，温室气体排放导致全球变暖等环境问题日益严峻，温室气体减排已成为世界主要国家的共同责任。按工业、建筑、交通等领域划分，工业领域中钢铁冶炼的二氧化碳排放量占全球温室气体总排放量的4％～5％。此外，尽管我国煤炭资源比较丰富，但是可以用来炼焦的煤资源只占煤炭总储量的35％左右，焦炭生产过程中主要以优质炼焦煤作为原料，但是优质主焦煤和半主焦煤在国内的储量越来越少，面临优质焦煤资源逐渐枯竭的困境。因此，中国高炉炼铁面临着碳减排和优质资源匮乏的双重压力，急需开发低碳高炉炼铁的前沿技术，所以，开发新的炼焦新工艺，研发弱粘结煤的炼焦工艺成为近几年的冶金行业的研究热点。
铁焦的生产工艺与现有焦炭生产工艺类似，区别是将含铁源作为催化剂添加至配煤中，利用传统焦炉炼焦工艺或矿煤压块竖炉炭化工艺制得。目前，本领域技术人员在制备铁焦时发现含铁物质的添加会降低焦炭的冷态强度及反应后强度，且随着添加量的增加，强度被破坏的程度越加严重。而焦炭作为高炉料柱骨架，起到还原剂的同时还需要起到骨架作用，其重要性不言而喻。故在生产铁焦的同时如何兼顾其强度性能，或在制备时如何优化其强度，以达到提升高炉炉身效率与维持高炉骨架作用双重功效，成为本领域目前重点研究的方向之一。
铁焦的冶金性能既要满足实际生产中抗压、抗磨、抗碎的强度要求，还要满足高炉使用对铁焦强度和反应性的要求。
有鉴于此特提出本发明。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种铁焦的制备方法，通过对配合煤、粘结剂、增强剂和铁源混合后进行干馏，以及控制配合煤、粘结剂、增强剂和铁源的重量比等方法，实现铁焦产品性能的调控。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：一种铁焦的制备方法，包括将配合煤、粘结剂、增强剂和铁源混合后进行干馏，所述配合煤、粘结剂、增强剂和铁源的重量比为85～93：2～10：3～8：3～20。
进一步的，所述配合煤、粘结剂、增强剂和铁源的重量比为88～90：3～6：4～6：5～10。
进一步的，所述增强剂的粒径小于等于0.5mm。
优选地，所述增强剂的粒径小于等于0.3mm。
进一步的，所述增强剂由竹炭材料制成。
优选地，所述增强剂由竹炭材料经过烘干、碳化、破碎后制成。
优选地，所述烘干后的竹炭材料的含水率小于5％，所述碳化温度为350～700℃，碳化时间为3～7h。
优选地，所述竹炭材料包括竹叶、竹节、竹茎、竹根、笋壳中的一种或多种。
以上方案中，增强剂作为多孔材料(如图1所示)，增强剂的细胞壁为网状结构，能够有效地与配合煤中的胶质体、固定碳浸润结合，有利于提高铁焦的反应性和反应后强度。
增强剂在与配合煤共炭化时，在塑形阶段充分的软化流动，充分润湿惰性物质和增强剂的细胞壁表面并使它们尽量接触，促进整个体系的融合，也使活性组分对惰性组分的包裹更加完整，改善了焦炭的界面结合状态，在半焦和结焦过程中，细胞壁的网状结构形成网状骨架，形成了近似于加强筋的作用，从而提高结焦后铁焦的整体强度。
进一步的，所述铁源的粒径小于等于0.2mm。
所述铁源的粒径分布为：
粒径＜0.05mm，重量占比为15～25％；
粒径为0.05～0.1mm，重量占比为30～40％；
粒径为0.1～0.15mm，重量占比为25～35％；
粒径为0.15～0.2mm，重量占比为5～15％；
优选地，所述铁源的粒径分布为：
粒径＜0.05mm，重量占比为18～22％；
粒径为0.05～0.1mm，重量占比为32～36％；
粒径为0.1～0.15mm，重量占比为27～33％；
粒径为0.15～0.2mm，重量占比为6～10％。
优选地，所述铁源包括铁精粉、铁矿石中的一种或多种。
优选地，所述铁矿石包括赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿中的一种或多种。
以上方案中，铁源属于完全惰性物质，炼焦过程中，不产生胶质体，没有粘结作用，完全惰性物质虽然能起到骨架和缓和收缩应力的作用，但是较大颗粒的惰性物质一定会在半焦过程中形成裂纹中心，裂纹的增多势必降低铁焦成焦厚度和强度，因此，对铁源粒度进行控制是解决铁焦反应后强度的重要手段，有利于提高铁焦的反应后强度。
其中，铁源的化学成分(wt％)如下：
样品名 TFe FeO CaO SiO<sub>2</sub> MgO Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> P S
铁精粉 66.4 23.5 0.17 2.35 0.37 0.52 ＜0.1 ＜0.1
铁矿石 56.38 0.75 0.21 12.63 0.68 6.55 ＜0.1 ＜0.1
进一步的，所述粘结剂满足，β树脂含量为18～30％、γ树脂含量为60～75％。
γ树脂对应的是小分子量的苯环芳香族缩聚物，当粘结剂中的γ树脂在上述范围内时，在受热时转化为气体排出铁焦体外，可以有效增加铁焦收缩量，使气孔率变大，反应性增强。
β树脂是中等分子量的苯环芳香族缩聚物，当粘结剂中的β树脂在上述范围内时，在焦化时大部分可作为黏结焦，可以有效提升铁焦的反应后强度。
所述粘结剂还满足，灰分含量＜2％，硫分含量＜2％，挥发分含量为40～60％，软化点为100～180℃，结焦值为44～66％。
所述粘结剂的粒径分布为：
粒径＜0.1mm，重量占比为0～15％；
粒径为0.1～0.5mm，重量占比为20～40％；
粒径为0.5～1mm，重量占比为30～60％；
粒径为1～1.5mm，重量占比为0～10％。
通过控制粘结剂的组分含量及粒径分布，能够进一步调控铁焦的性能，提高铁焦的强度和反应性。
优选地，所述粘结剂包括煤沥青、煤焦油、石油沥青中的一种或多种。
其中，优选煤沥青的软化点为100～170℃。
进一步的，所述配合煤的粒径分布为：
粒径＜0.5mm，重量占比为5～10％；
粒径为0.5～1mm，重量占比为30～60％；
粒径为1～2mm，重量占比为20～50％；
粒径为2～3mm，重量占比为0～10％。
通过控制配合煤的粒径分布，能够进一步调控铁焦的性能，提高铁焦的强度和反应性。
优选地，所述配合煤包括焦煤、1/3焦煤、贫煤、贫瘦煤、瘦煤、肥煤、气肥煤、气煤、长焰煤、弱粘煤、无烟煤中的一种或多种。
优选地，所述配合煤包括焦煤、1/3焦煤、肥煤、瘦煤。
优选地，所述配合煤按重量百分比包括焦煤15～50％、1/3焦煤0～30％、肥煤10～15％、瘦煤5～50％。该优选方案下，既能制备得到满足高强度、高反应性的铁焦，又能使得配合煤成本进一步降低。
焦煤、1/3焦煤、肥煤、瘦煤的主要指标如下：
名称 V<sub>daf</sub>/％ A<sub>d</sub>/％ S<sub>t,d</sub>/％ G值/％ Y值/mm
焦煤 18-22 10-12 0.5-0.7 80-90 14-16
肥煤 30-35 10-12 1.5-2 90-93 22-28
1/3焦煤 30-40 7-9 0.5-1 75-85 10-15
瘦煤 12-18 5-7 0.5-1 30-40 0
其中，Vdaf指挥发分含量，Ad指灰分含量，St,d指硫分含量，G值指粘结指数，Y值指最大胶质层厚度。
以上方案中，灰分Ad按GB/T 2001—1991《焦炭工业分析测定方法》进行测定；硫分St,d按GB/T 2286—2008《焦炭全硫含量的测定》进行测定。
进一步的，所述配合煤与粘结剂混合后形成入炉煤，所述入炉煤的G值为65～75％，Y值为10～15mm。
进一步的，所述干馏的过程包括：先升温加热至所需干馏温度，然后进行恒温干馏。
优选地，所述干馏温度为900～1100℃。
优选地，所述恒温干馏时间为160～190h。
优选地，所述升温加热的速率为5～6℃/min。
优选地，所述升温加热的过程包括：从室温开始升温加热。
或者，在700℃的环境下开始升温加热。
具体的，入炉煤干馏时使用的焦炉炉型为捣固焦炉，优选热回收捣固焦炉。
干馏过程包括以下两种升温曲线：
升温曲线一：从室温开始加热，升温曲线以5～6℃/min升温加热，当温度达到900～1100℃(干馏温度)的时候，停止加热，保持恒温160～190h。
升温曲线二：从700℃开始加热，升温曲线以5～6℃/min升温加热，当温度达到900～1100℃(干馏温度)的时候，停止加热，保持恒温160～190h。
在以上方案中，根据本发明的一种优选实施方式，所述升温加热的过程包括：从室温开始加热，所述室温为25±5℃。
根据本发明的另一种优选实施方式，所述升温加热的过程包括：从700℃开始加热，是指先将物料置于700℃的环境中进行升温加热。
发明人研究发现，以上两种升温的优选方案均有利于铁焦的强度、反应性的性能调控。
一种铁焦，所述铁焦的CRI为50～60％，CSR为27～35％。
优选地，所述铁焦由上所述铁焦的制备方法制得。
以上方案中，铁焦的CRI(反应性)和CSR(反应后强度)按GB/T4000—2008《焦炭的反应性及反应后强度测定方法》进行测定。
采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提供了一种铁焦的制备方法，铁源属于完全惰性物质，炼焦过程中，不产生胶质体，没有粘结作用，完全惰性物质虽然能起到骨架和缓和收缩应力的作用，但是较大颗粒的惰性物质一定会在半焦过程中形成裂纹中心，裂纹的增多势必降低铁焦成焦厚度强度，因此，对铁源粒度进行控制是解决铁焦反应后强度的重要手段，有利于提高铁焦的反应后强度。
增强剂作为多孔材料，增强剂的细胞壁为网状结构，能有效与配合煤中的胶质体、固定碳浸润结合，有利于提高铁焦的反应性和强度。
增强剂在与配合煤共炭化时，在塑形阶段充分的软化流动，充分润湿惰性物质和增强剂的细胞壁表面并使它们尽量接触，促进整个体系的融合，也使活性组分对惰性组分的包裹更加完整，改善了焦炭的界面结合状态，在半焦和结焦过程中，细胞壁的网状结构形成网状骨架，形成了近似于加强筋的作用，从而提高结焦后铁焦的整体强度。
另外，对粘结剂、配合煤的组分含量、粒径分布、以及干馏过程中升温条件等进行进一步限定，能够有利于获得高强度、高反应性型的铁焦。
本发明提供的一种铁焦的制备方法，具有工艺简单、成本低、生产效率高的特点。
本发明提供的一种铁焦，具有高强度、高反应性的特点。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1是本发明中增强剂的SEM图。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合部分实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，本领域技术人员可以了解到的是，下列实施方式仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。例如，尽管本申请按照特定顺序描述了本发明的方法的各个步骤，但是这些顺序并不是限制性的，在不偏离本发明的基本原理的前提下，本领域技术人员可以按照不同的顺序来执行所述步骤。
实施例1
将配合煤、粘结剂、增强剂和铁源按照93：5：5：10的重量比混合后进行干馏，干馏的过程为：从室温开始加热，以5℃/min升温加热，当温度达到900℃的时候，停止加热，保持恒温160h。
其中，铁源为铁精粉，铁精粉的粒径小于等于0.2mm，粒径分布如下：
粒径＜0.05mm，重量占比为21％；
粒径为0.05～0.1mm，重量占比为36％；
粒径为0.1～0.15mm，重量占比为33％；
粒径为0.15～0.2mm，重量占比为10％。
铁精粉的化学成分(wt％)如下：
样品名 TFe FeO CaO SiO<sub>2</sub> MgO Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> P S
铁精粉 66.4 23.5 0.17 2.35 0.37 0.52 ＜0.1 ＜0.1
增强剂由竹叶经过烘干、碳化、破碎后制成，含水率为3％，碳化温度为600℃，碳化时间为5h，粒径为0.2mm。
粘结剂为煤沥青，煤沥青性能满足：β树脂含量为25％，γ树脂含量为62％；灰分含量为0.3％，硫分含量为0.2％，挥发分含量为55.91％，软化点为140℃，结焦值为53.8％。
煤沥青的粒径分布如下：
粒径＜0.1mm，重量占比为10％；
粒径为0.1～0.5mm，重量占比为32％；
粒径为0.5～1mm，重量占比为51％；
粒径为1～1.5mm，重量占比为7％。
配合煤按重量百分比包括焦煤30％、1/3焦煤25％、肥煤15％、瘦煤30％。
焦煤、1/3焦煤、肥煤、瘦煤的主要指标如下：
名称 V<sub>daf</sub>/％ A<sub>d</sub>/％ S<sub>t,d</sub>/％ G值/％ Y值/mm
焦煤 20 11 0.6 85 15
肥煤 32 11 1.7 91 25
1/3焦煤 35 8 0.7 80 13
瘦煤 15 6 0.8 35 0
配合煤的粒径分布如下：
粒径＜0.5mm，重量占比为7％；
粒径为0.5～1mm，重量占比为50％；
粒径为1～2mm，重量占比为38％；
粒径为2～3mm，重量占比为5％。
配合煤与粘结剂混合后形成入炉煤。
实施例2
将配合煤、粘结剂、增强剂和铁源按照93：5：8：10的重量比混合后进行干馏，其他工艺指标与实施例1相同。
实施例3
将配合煤、粘结剂、增强剂和铁源按照93：5：3：10的重量比混合后进行干馏，其他工艺指标与实施例1相同。
对比例1
按照实施例1的方法进行，不同的是，配合煤、粘结剂、增强剂和铁源按照93：5：2：10的重量比混合后进行干馏。
对比例2
按照实施例1的方法进行，不同的是，配合煤、粘结剂、增强剂和铁源按照93：5：12：10的重量比混合后进行干馏。
实验例
对实施例1至实施例3、对比例1和对比例2中的入炉煤和铁焦性能进行测试，测试结果如表1所示：
表1：
Figure BDA0003154209840000101
通过表1的结果可以看出，实施例1至实施例3在本发明限定的铁源粒径范围和粒径分布，配合煤、粘结剂、增强剂和铁源的重量比，增强剂的粒径范围，以及配合煤和粘结剂的粒径分布，粘结剂的特定萃取组分含量，干馏过程等的条件配合下，制备出的铁焦的强度和反应性较高，整体性能较好。
而对比例1中增强剂的用量较低，在半焦和结焦过程中，网状骨架较少，芳香碳的结紧密度不够，铁焦整体反应性偏低。
对比例2中增强剂的用量过多，增加了配合煤中的惰性物质比例，整体上降低了煤在热解过程中的粘结性，胶质体偏低，粘结性不足，进一步降低了铁焦强度。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (19)

1.一种铁焦的制备方法，其特征在于：该方法包括，将配合煤、粘结剂、增强剂和铁源混合后进行干馏，所述配合煤、粘结剂、增强剂和铁源的重量比为85~93：2~10：3~8：3~20；
所述粘结剂满足，β树脂含量为18～30%、γ树脂含量为60～75%；
所述增强剂由竹炭材料制成，粒径小于等于0.5mm；
所述铁源的粒径小于等于0.2mm；所述铁源的粒径分布为：粒径＜0.05mm，重量占比为15~25%；粒径为0.05~0.1mm，重量占比为30~40%；粒径为0.1~0.15mm，重量占比为25~35%；粒径为0.15~0.2mm，重量占比为5~15%。
2.根据权利要求1所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：所述配合煤、粘结剂、增强剂和铁源的重量比为88~90：3~6：4~6：5~10。
3.根据权利要求1或2所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：所述增强剂的粒径小于等于0.3mm。
4.根据权利要求3所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：
所述增强剂由竹炭材料经过烘干、碳化、破碎后制成。
5.根据权利要求4所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：
所述烘干后的竹炭材料的含水率小于5%，所述碳化温度为350~700℃，碳化时间为3~7h。
6.根据权利要求4所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：
所述竹炭材料包括竹叶、竹节、竹茎、竹根、笋壳中的一种或多种。
7.根据权利要求1或2所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：
所述铁源的粒径分布为：
粒径＜0.05mm，重量占比为18~22%；
粒径为0.05~0.1mm，重量占比为32~36%；
粒径为0.1~0.15mm，重量占比为27~33%；
粒径为0.15~0.2mm，重量占比为6~10%。
8.根据权利要求1或2所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：
所述铁源包括铁精粉、铁矿石中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：
所述铁矿石包括赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿中的一种或多种。
10.根据权利要求1或2所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：
所述粘结剂的粒径分布为：
粒径＜0.1mm，重量占比为0~15%；
粒径为0.1~0.5mm，重量占比为20~40%；
粒径为0.5~1mm，重量占比为30~60%；
粒径为1~1.5mm，重量占比为0~10%。
11.根据权利要求10所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：
所述粘结剂包括煤沥青、煤焦油、石油沥青中的一种或多种。
12.根据权利要求1或2所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：所述配合煤的粒径分布为：
粒径＜0.5mm，重量占比为5~10%；
粒径为0.5~1mm，重量占比为30~60%；
粒径为1~2mm，重量占比为20~50%；
粒径为2~3mm，重量占比为0~10%。
13.根据权利要求1或2所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：
所述配合煤包括焦煤、1/3焦煤、贫煤、贫瘦煤、瘦煤、肥煤、气肥煤、气煤、长焰煤、弱粘煤、无烟煤中的一种或多种。
14.根据权利要求13所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：
所述配合煤包括焦煤、1/3焦煤、肥煤、瘦煤。
15.根据权利要求14所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：
所述配合煤按重量百分比包括焦煤15~50%、1/3焦煤0~30%、肥煤10~15%、瘦煤5~50%。
16.根据权利要求1或2所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：所述配合煤与粘结剂混合后形成入炉煤，所述入炉煤的G值为65~75%，Y值为10~15mm。
17.根据权利要求1所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：所述干馏的过程包括：先升温加热至所需干馏温度，然后进行恒温干馏。
18.根据权利要求17所述的一种铁焦的制备方法，其特征在于：
所述干馏温度为900~1100℃；
所述恒温干馏时间为160~190h；
所述升温加热的速率为5~6℃/min；
所述升温加热的过程包括：从室温开始升温加热；
或者，在700℃的环境下开始升温加热。
19.一种铁焦，其特征在于：所述铁焦的CRI为50~60%，CSR为27~35%；
所述铁焦由权利要求1-18任一所述铁焦的制备方法制得。
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