日本东北大学进行了向焦粉中加入金属Fe颗粒以减少烧结过程中CO₂排放的研究。在实验室烧结模拟机上研究烧结料层结构和透气性的变化，然后对使用金属Fe颗粒作造块剂同完全使用焦粉作造块剂获得的结果进行比较。研究结果表明，在使用焦粉作造块剂的条件下，当料层温度达到料球黏附层开始熔融的温度时，由料球和焦粉组成的混合料料层的压差刚开始时是升高的，然后逐渐降低；而使用金属Fe颗粒作造块剂的条件下，混合料料层的压差在烧结初期开始降低，然后升高、直至达到最大值。此外，还开展了改变烧结料层CaO含量的烧结试验。

   1 前言

   烧结矿是世界上高炉炼铁最广泛使用的炉料。在烧结工艺中，烧结矿的物理和化学特性是非常重要的指标，能够直接影响到后序的高炉操作。此外，烧结机利用系数也是重要指标，而烧结料层的透气性是直接影响烧结机利用系数最主要的因素之一。

   钢铁工业CO₂排放量约占全球CO₂总排放量的7%。日本高炉炼铁过程中产生的CO₂约占钢铁工序总排放量的14%，而铁矿烧结过程中产生的CO₂就占到总排放量的3%。因此，必须降低烧结过程中矿物燃料的用量，一种可行的方案是选用造块剂代替焦粉。在这方面已经进行了多次尝试，例如利用生物质焦作为碳材，可极大缩短烧结时间，并大幅度减少NO_x和SO_x发生量，但同时也会带来烧结矿的成品率和强度明显降低的负作用。以往的研究主要是利用部分还原铁矿及使用钢屑，在提供热量的过程中不产生CO₂排放，但这样做会使烧结料层的透气性受到严重影响，从而导致烧结机利用系数大幅度下降。料层透气性的降低主要发生在烧结料层的下部。从烧结料层的结构来看，形成的氧化物熔体向料层下部滴落，造成某些孔隙被熔体填充。

   如果用金属Fe颗粒代替焦粉，那么原料中氧化铁含量将升高。在烧结操作中，由于高炉炉渣的成分应保持不变，因此控制CaO含量至关重要。在使用焦粉的传统烧结工艺中，料层中CaO含量对料层结构和压差会产生严重影响，因此有必要研究利用金属铁作造块剂时CaO含量的影响。

   本次研究的目的是为了弄清当使用金属Fe颗粒时烧结料层透气性的变化。在烧结模拟机上测定料层温度、料层透气性和废气成分在烧结过程中的变化情况，研究利用金属Fe颗粒作造块剂对烧结料层结构变化的影响。

   2 试验步骤

   在一台圆盘制粒机内，以粒度为2.0mm的氧化铝球为粒核，外层涂覆由赤铁矿和碳酸钙组成的混合细粉，制成粒度为2.38-2.8mm的料球（称为氧化铝核球，ACP）。ACP黏附层的初始成分是CaOFe₂O3二元系，ACP黏附层中Fe₂O₃与CaO的混合比见

   表1。用粒度为1.0-2.0mm的金属Fe颗粒(99.9%-Fe)和冶金焦（87%-固定碳）作为造块剂，依据焦粉和金属Fe分别氧化成CO₂和Fe₂O₃来计算造块剂的发热量。造块剂与ACP的混合比为1.3g：26g；当用金属Fe完全取代焦粉时，金属Fe与ACP的混合比应为6.1g：26g。

   烧结模拟机如图1所示。用一根内径为35mm的氧化铝管作为反应管，料层厚度设为20mm。在料层下面放入20mm厚的氧化铝球，以防止细料下落及渣熔融。为了防止造块剂发生氧化，在N₂气氛下加热至860℃，随后将N₂流速升至4.5×10^-1Nm³/s，当料层温度达到900℃时，气体转变成N₂-21%O₂混合气体。在试验期间，记录距料面10mm和20mm处料层温度的变化，并测定废气中CO、CO₂和O₂的浓度、以及料层的压差。

   试验过后，测定料层横截面的结构和形态，并采用X射线CT影像法绘制料层结构的3D影像图。

   3 结果

   3.1 金属铁配比对烧结料层压差的影响

   图2分别示出了在全部使用焦粉（Fe-0 ACP-15）、焦粉与金属Fe混合物（Fe-50 ACP-25）和全部使用金属Fe（Fe-100 ACP-35）的情况下废气中CO、CO₂和O₂浓度随时间的变化。

   保持ACP中CaO含量为15%不变，当金属Fe的添加量增加时，Fe经氧化后生成的氧化铁含量升高。在Fe-0 ACP-15的情况下，焦粉燃烧产生CO和CO₂，到燃烧结束约需55s的时间，在燃烧过程中废气中CO浓度平均约为0.5%。由于气流从N₂转换成N₂-O₂混合气体，因此在开始反应的前几秒，O₂浓度快速升高，经过大约20s后，O₂浓度轻微下降，然后再次快速升高至接近21%。在Fe-50 ACP-25的情况下，O₂浓度的升高与Fe-0 ACP-15的情况相同，CO₂排放量是Fe-0 ACP-15情况的一半，而CO浓度曲线与Fe-0 ACP-15的情况十分相似。在Fe-100 ACP-35的情况下，O₂浓度持续升高，反应完成时间为55s。

   图3示出了料层中心、料层下部温度随时间的变化情况。研究了料层温度超过1200℃持续时间随金属Fe配比的变化，结果表明，在1205℃开始形成熔体。当使用金属Fe颗粒时，观察到料层中心超过1200℃的持续时间轻微缩短，而料层下部超过1200℃的持续时间得到延长。

   研究了在不同金属Fe配比条件下料层压差的变化。研究结果显示，在Fe-0 ACP-15的情况下，在反应开始以后料层压差升高，然后在反应明显减缓之前快速降低；Fe-100 ACP-35的情况与之相反，在试验刚刚开始时压差降低，经过20s时开始升高，经过60s时压差达到最高值，然