张建良等：炼铁新技术及基础理论研究进展 ·1633 中，氧化镁粉可以与铁矿粉发生反应，生成镁铁尖 持2倍以上的时间.新技术在FE钢铁公司的 晶石.并且，在添加有钙质熔剂下，界面间产生的 2台烧结机上得到应用，大大改善了高品质烧结矿 铁酸钙液相有助于Mg和Fe元素的扩散，提升其 的生产率 迁移能力，进而促进镁质添加剂的矿化) 2高炉内部焦炭多相反应行为解析 13富氢烧结研究进展 烧结与高炉工序的CO2排放量约占工业排放 碱金属碳酸盐对焦炭气化反应均有着催化作 总量的60%)]，为大幅度减少烧结矿生产过程中 用，且催化效应对气化过程有一个极限，由于焦炭 CO2的排放量，JFE钢铁公司开发出向烧结机喷吹 中碳为非均匀乱序结构以及内生矿物的催化作 氢系气体燃料的超级烧结技术“Super-Sinter”,并 用，导致碱金属碳酸盐的催化极限较低.动力学研 成功的应用于生产4-例如，该技术已于2009年 究表明石墨碳和焦炭的气化反应均存在动力学补 1月在京滨第一烧结厂投入商业运行，并持续稳定 偿效应6被钾蒸气碱化后的焦炭组织受到严重 运行至今.结果，烧结过程的能源效率大大提高， 破坏，伴随着有碎屑和焦粉的产生，这表明钾蒸气 而且在京滨第一烧结厂已实现二氧化碳排放量最 对焦炭有很强的直接破坏作用，这种现象被称为 多减少约60000ta.2014年7月17日，JFE钢铁 “剥落效应”，而钠蒸气不具有这种直接破坏作用 公司宣布，在世界上首次成功开发出在烧结矿生 (如图2(a)所示).碱化产生的新生矿物相分别为 产过程中可根本性改善生产率的向烧结机复合喷 六方钾霞石或者钾铝硅酸盐(KA1SiO,)、钠铝硅酸 吹氧和氢系气体的超级烧结技术，并获得实用化. 盐(Na6AlSi,O7)1刃，并且钾钠均可以与碳基体产 在此次新技术的开发中，组合了向烧结机喷吹氧 生层间化合物导致碳基体体积膨胀.含钾矿物 的高氧富化作业和“Super-Sinter'”技术，可大幅度 和含钠矿物对焦炭气化反应的催化程度相近.由 改善焦粉和氢系气体的燃烧性，并通过控制燃烧 于钾蒸气的直接破坏作用比钠蒸气强很多，因此 位置，可比“Super--Sinter”技术在最佳烧结温度保 钾蒸气在高炉内对焦炭性能的破坏能力更大 B2 B3 22 B4 Sla fron 20 6 4 1 Original inte Original inte C-C B6 Slag flow from 6 4 2 1.02.03.04.05.06.07.0 riginal inter Original inte Mass ratio of potassium vapor to coke/% B6 I mm (a) (b) (c) 图2(a)碱化前(A1)后(A2)的焦炭样品及剥落的焦炭碎屑质量随着K含量的变化：(b)表征炉渣流过炉缸的焦炭内部气孔管道的SEM图：(c) 不同碳质基质溶解后的形貌 Fig.2 (a)Expansion behavior of minerals in the coke before(A1)and after(A2)being potash alkalization,(b)SEM image of the pore pipe inside the coke that characterizes the flow of slag through the hearth;(c)morphology of different carbonaceous substrates after dissolution 通过对风口焦炭和炉缸焦炭的分析，发现焦 织产生破坏.所有的炉缸焦炭样品，无论尺寸大 炭内的灰分在风口位置的高温区将会熔融并迁移 小，均已经被严重的石墨化.焦炭尺寸越小，其石 到焦炭表面，熔融灰分包裹焦炭表面会阻碍焦炭 墨化程度越高，这表明了焦炭在高温区的石墨化 与其他物相（气、固、液）的反应（如图2所示） 从表层开始，且石墨化的过程伴随焦粉的产生2o 炉腹渣中的FO的还原在焦-渣界面发生，反应生 产生的焦粉很容易与渣铁形成复杂混合物，这会 成的液态先在焦炭表面形成一个铁液层.焦一渣之 影响到高炉高温区的透气透液性.炉缸的多孔焦 间的反应将通过侵蚀反应作用对焦炭的结构和组 炭内部被发现充满了炉渣，而焦炭内部原始的灰中，氧化镁粉可以与铁矿粉发生反应，生成镁铁尖 晶石. 并且，在添加有钙质熔剂下，界面间产生的 铁酸钙液相有助于 Mg 和 Fe 元素的扩散，提升其 迁移能力，进而促进镁质添加剂的矿化[12] . 1.3    富氢烧结研究进展 烧结与高炉工序的 CO2 排放量约占工业排放 总量的 60% [13] ，为大幅度减少烧结矿生产过程中 CO2 的排放量，JFE 钢铁公司开发出向烧结机喷吹 氢系气体燃料的超级烧结技术“Super-Sinter”，并 成功的应用于生产[14−15] . 例如，该技术已于 2009 年 1 月在京滨第一烧结厂投入商业运行，并持续稳定 运行至今. 结果，烧结过程的能源效率大大提高， 而且在京滨第一烧结厂已实现二氧化碳排放量最 多减少约 60000 t·a−1 . 2014 年 7 月 17 日，JFE 钢铁 公司宣布，在世界上首次成功开发出在烧结矿生 产过程中可根本性改善生产率的向烧结机复合喷 吹氧和氢系气体的超级烧结技术，并获得实用化. 在此次新技术的开发中，组合了向烧结机喷吹氧 的高氧富化作业和“Super-Sinter”技术，可大幅度 改善焦粉和氢系气体的燃烧性，并通过控制燃烧 位置，可比“Super-Sinter”技术在最佳烧结温度保 持 2 倍以上的时间. 新技术在 JFE 钢铁公司的 2 台烧结机上得到应用，大大改善了高品质烧结矿 的生产率. 2    高炉内部焦炭多相反应行为解析 碱金属碳酸盐对焦炭气化反应均有着催化作 用，且催化效应对气化过程有一个极限，由于焦炭 中碳为非均匀乱序结构以及内生矿物的催化作 用，导致碱金属碳酸盐的催化极限较低. 动力学研 究表明石墨碳和焦炭的气化反应均存在动力学补 偿效应[16] . 被钾蒸气碱化后的焦炭组织受到严重 破坏，伴随着有碎屑和焦粉的产生，这表明钾蒸气 对焦炭有很强的直接破坏作用，这种现象被称为 “剥落效应”，而钠蒸气不具有这种直接破坏作用 （如图 2(a) 所示）. 碱化产生的新生矿物相分别为 六方钾霞石或者钾铝硅酸盐（KAlSiO4）、钠铝硅酸 盐（Na6Al4Si4O17） [17] ，并且钾钠均可以与碳基体产 生层间化合物导致碳基体体积膨胀[18] . 含钾矿物 和含钠矿物对焦炭气化反应的催化程度相近. 由 于钾蒸气的直接破坏作用比钠蒸气强很多，因此 钾蒸气在高炉内对焦炭性能的破坏能力更大. 20 22 18 16 14 12 10 8 6 4 2 1.0 2.0 3.0 4.0 Mass ratio of potassium vapor to coke/% Mass fracton of peeling fragments/ % 5.0 6.0 7.0 A1 A2 B2 C1 C1 C2 C3 C4 C1 C2 Original interface Original interface Original interface Original interface C3 C4 Fe-C C C Resin Resin Resin Resin New interface New interface New interface New interface C C Fe-C Fe-C Fe-C C4 B2 B3 B3 B4 B4 B5 B6 B6 (a) (b) (c) B1 A3 500 μm 25 cm 25 cm 200 μm 200 μm 200 μm 20 μm 1 mm 1 mm 1 mm 1 mm 20 μm 50 μm 50 μm Slag particles Spinel crystals Slag flow from another coke pore Slag flow from another coke pore 图 2    （a）碱化前（A1）后（A2）的焦炭样品及剥落的焦炭碎屑质量随着 K 含量的变化；（b）表征炉渣流过炉缸的焦炭内部气孔管道的 SEM 图；（c） 不同碳质基质溶解后的形貌 Fig.2    (a) Expansion behavior of minerals in the coke before (A1) and after (A2) being potash alkalization; (b) SEM image of the pore pipe inside the coke that characterizes the flow of slag through the hearth; (c) morphology of different carbonaceous substrates after dissolution 通过对风口焦炭和炉缸焦炭的分析，发现焦 炭内的灰分在风口位置的高温区将会熔融并迁移 到焦炭表面，熔融灰分包裹焦炭表面会阻碍焦炭 与其他物相（气、固、液）的反应 (如图 2 所示) [19] . 炉腹渣中的 FeO 的还原在焦−渣界面发生，反应生 成的液态先在焦炭表面形成一个铁液层. 焦−渣之 间的反应将通过侵蚀反应作用对焦炭的结构和组 织产生破坏. 所有的炉缸焦炭样品，无论尺寸大 小，均已经被严重的石墨化. 焦炭尺寸越小，其石 墨化程度越高，这表明了焦炭在高温区的石墨化 从表层开始，且石墨化的过程伴随焦粉的产生[20] . 产生的焦粉很容易与渣铁形成复杂混合物，这会 影响到高炉高温区的透气透液性. 炉缸的多孔焦 炭内部被发现充满了炉渣，而焦炭内部原始的灰 张建良等： 炼铁新技术及基础理论研究进展 · 1633 ·