冷轧摩擦铁粉对河南九里山煤灰熔融性的影响

0 引 言

冷轧带钢具有厚度小、精度高、性能好、品种多、用途广等优点,冷轧工艺被各国广泛采用[1]。为保证冷轧过程轧辊与钢板的轧制,需用冷轧乳化液润滑保护表面并移热,在此摩擦过程中不可避免产生了大量细铁粉颗粒,过量的摩擦铁粉需去除,否则会影响冷轧钢表面的平整性;同时磁过滤去除过量铁粉时不可避免地带出有用的冷轧乳化油,为保证冷轧过程顺利进行需定期补充新鲜冷轧乳化液。因此,在冷轧钢生产过程中不可避免产生大量冷轧磁过滤产物(主要成分为铁粉与冷轧乳化油)。磁过滤产物过去主要采用填埋和焚烧的处理方式,导致有效资源的极大浪费,造成环境污染[2-4]。

我国煤炭资源丰富,大规模煤气化技术作为清洁煤技术已广泛用于制气与合成化学品等领域。当今气流床作为先进的气化技术均采用液态排渣。由于我国煤炭总产量的一半以上为1 400℃以上的高灰熔融性煤[5],高于液态排渣的温度要求,因此首要问题是如何降低煤灰熔融温度以达到液态排渣要求。目前一般采取加入配煤[6-7]、助熔剂[7-8]或配煤与助熔剂相结合[8-9]的方法降低煤的灰熔融温度。刘象等[10]考察Fe2O3对高灰熔融温度LNC煤矿物组成、微观形貌等的影响,认为Fe2O3的引入抑制了莫来石的生成,从而使煤灰在较低温度下即发生熔融;Shen等[11]研究了熔岩对煤灰特性的影响,结果表明熔盐与准东煤灰的相互作用降低了熔融体系的热扩散系数,降低了灰熔融温度;Li等[12]研究了钙基、铁基等助熔剂对煤灰熔融温度的影响,证实助熔剂可显著降低皖北刘二桥煤矿灰熔融温度,从而达到煤气化炉的使用要求;杨建国等[13]通过研究煤灰熔融过程中的矿物演变及其对灰熔融温度的影响,认为大量生成的莫来石使煤灰的熔点很高。但鲜见冷轧钢产生的磁过滤产物用于助熔高灰熔融性煤的报道。为实现冷轧磁过滤产物废弃物的资源化利用,结合大型煤气化炉液态排渣要求,分析了某钢厂磁过滤产物分离出的摩擦铁粉的性质,并以摩擦铁粉为助熔剂,研究对河南九里山煤灰熔融性的影响,最后采用X射线衍射研究了煤灰的矿物组成变化,并分析助熔机理,为煤的清洁化利用拓宽原料来源,同时为钢厂冷轧磁过滤产物废弃物的资源化利用提供技术与理论支撑。

1 试 验

1.1 试验原料

原料煤(RC)来自河南九里山煤矿,性质分析见表1;所用助熔剂为某钢厂磁过滤产物分离出的摩擦铁粉,性质见表2。

表1 原煤样性质分析
Table 1 Properties of raw coal sample

工业分析/%元素分析/%Qb,ad/Mad Aad Vdaf FCdaf Cad Had St,ad Nad (MJ·kg-1)1.76 10.64 7.19 81.30 93.07 3.07 0.44 1.02 34.25灰成分含量/%SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO Na2O TiO2 SO3灰熔融温度/℃DT ST FT 41.90 40.40 4.29 4.28 0.61 0.93 2.65 2.41 1 438 1 498 1 520

表2 冷轧摩擦铁粉的组成及含量
Table 2 Chemical composition and content of iron powder by cold rolled friction

组成 含量/% 组成 含量/%Fe2O3 98.68 As2O3 0.05 CaO 0.39 P2O5 0.05 MnO 0.30 ZnO 0.04 MoO3 0.14 CuO 0.03 Al2O3 0.10 SO3 0.03 SiO2 0.08 NiO 0.02 Cr2O3 0.07 TiO2 0.01

1.2 灰样的制备及高温热处理

将磨细的原煤(粒径＜0.2 mm)与一定比例的摩擦铁粉混合均匀,将混好的样品放入瓷舟并置入马弗炉中,于850℃灰化一定时间后取出快速冷却,而后放入真空干燥箱于105℃下干燥36 h后密封待用,即制得灰样[8-10]。在氮气氛围下,将灰样置于高温管式炉中,由室温以5℃/min升温速率加热至预设热处理温度(850～1 350℃)后,取出冷却,接着放入真空干燥箱于105℃下干燥36 h后密封待用,即为灰样的高温热处理过程[8-10]。

1.3 样品分析

摩擦铁粉的形貌采用JSM-6301F场发射扫描电子显微镜分析;粒度及分布采用英国马尔文仪器有限公司MS-2000型激光粒度分析仪测定;化学组成及含量采用日本岛津公司的XRF-1800X射线荧光光谱仪测定。煤灰的矿物组成采用日本理光机电公司的Rigaku D/max 2550VB/PC X射线衍射仪测定,管电压为40 kV,管电流为100 mA,Cu靶。

2 试验结果与讨论

2.1 冷轧摩擦铁粉性质

矿石作为煤助熔剂时,需将其机械粉碎成细颗粒(小于0.2 mm),故冷轧摩擦铁粉的粒度、组成及含量对煤灰熔融性有重要影响。摩擦铁粉的扫描电镜如图1所示,粒度分布如图2所示。由图1可知,摩擦铁粉的形状为不规则状,粒度较小,绝大部分在10 μm以下,与图2的粒度分布结果(颗粒尺寸为0.6 ～ 16 μm)相吻合,远小于煤样粒度(小于0.2 mm),故其作为助熔剂时无需进一步粉碎。由表2可知,摩擦铁粉中主要含铁元素,铁氧化物的含量高达98%以上,可以作为高熔点煤的铁基助熔剂使用。

图1 摩擦铁粉的SEM分析
Fig.1 SEM images of iron powder by cold rolled friction

图2 摩擦铁粉的粒度分布
Fig.2 Particles size distribution of iron powder by cold rolled friction

2.2 摩擦铁粉对煤灰熔融性的影响

以摩擦铁粉为助熔剂,考察其添加量(以原煤灰量为基准)对RC煤灰熔融温度的影响,结果如图3所示。可知,RC煤灰熔温度很高(煤灰流动温度高达1 510℃),助熔剂添加量为2%时,煤灰熔融特征温度明显下降,幅度达到约200℃;继续增加助熔剂添加量,煤灰样的变形温度、软化温度和流动温度基本无明显变化。说明摩擦铁粉可明显降低河南九里山煤的灰熔融性,当摩擦铁粉添加量为2%时,河南九里山煤灰流动温度由1 510℃降至1 340℃,可满足气流床液态排渣要求。

图3 摩擦铁粉添加量对RC煤灰熔融温度的影响
Fig.3 Effect of iron powder content on ash melting temperature of RC coal

2.3 添加助熔剂前后RC煤灰的XRD分析

不同热处理温度的RC原煤灰的XRD分析如图4所示。RC原煤灰在热处理条件下的特征衍射峰与皖北刘桥二矿煤灰类似[9-10]。虽然煤灰中高岭石等黏土矿物转变生成石英与莫来石,莫来石极易与CaO反应生成钙长石,与赤铁矿还原成的FeO生成铁尖晶石(Fe2Al2O4)与铁橄榄石(Fe2SiO4)等低温共熔化合物,但由于高岭石居多,故高温下RC煤灰中矿物以莫来石为主,导致灰熔融温度高。

图4 RC原煤灰在不同热处理温度下的XRD分析
Fig.4 XRD of RC raw coal ash at different heattreatment temperature

摩擦铁粉添加量为2%时,不同热处理温度下RC煤灰的 XRD分析如图5所示。可知,添加2.0%摩擦铁粉的煤灰除有少量硬石膏外,矿物中以赤铁矿与石英为主,这与皖北刘桥二矿煤添加铁基助熔剂类似[8,12],即在弱还原性气氛下,含铁氧化物易被还原成FeO,FeO在高温下与煤灰反应生成铁橄榄石(Fe2SiO4)和铁尖晶石(Fe2Al2O4)等低温共熔化合物,可降低煤灰熔融温度。

图5 添加摩擦铁粉的RC煤灰在不同热处理温度下的XRD分析
Fig.5 XRD of RC coal ash with iron powder at different heat-treatment temperature

3 结 论

1)冷轧磁过滤产物中分离所得的摩擦铁粉为不规则状,粒度较小为0.6～16 μm,远小于样品煤的粒度(小于200 μm),主要为铁元素(氧化物含量98%以上),可作为高熔点煤的铁基助熔剂使用。

2)添加摩擦铁粉可明显降低RC煤的灰熔融温度,即摩擦铁粉可作为助熔剂;当摩擦铁粉添加量为2%时,RC煤灰流动温度由1 510℃降至1 340℃,可满足气流床液态排渣要求。

3)煤灰XRD分析表明,RC煤在高温下生成莫来石是其灰熔融温度较高的主要原因,添加摩擦铁粉可降低RC煤的灰熔融温度,主要原因在于添加2.0%摩擦铁粉的煤灰除有少量硬石膏外,矿物中以赤铁矿和石英为主,在弱还原性气氛下,含铁氧化物易被还原成FeO,FeO在高温下与煤灰反应生成铁橄榄石(Fe2SiO4)和铁尖晶石(Fe2Al2O4)等低温共熔化合物,可降低煤灰熔融温度。

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