高爐入爐焦炭高溫反應(yīng)特性的研究

王文澤， 湛文龍， 劉肖， 劉起航， 余盈昌， 吳鏗

（北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

隨著高爐生產(chǎn)大型化和噴煤技術(shù)的應(yīng)用，焦炭在高爐中的骨架作用顯得更為重要，焦炭反應(yīng)性（CRI）和反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR）已經(jīng)成為評(píng)價(jià)焦炭質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)[1-6].CRI是指焦炭的化學(xué)穩(wěn)定性，CSR是指焦炭在高爐內(nèi)的高溫穩(wěn)定性[7-10].焦炭反應(yīng)特性的研究方法因目的不同而不同，常用的有塊焦測(cè)定法，粒焦測(cè)定法，X射線衍射法和熱重法4種[11-12].測(cè)定焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)性強(qiáng)度是用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4000-1966，通常被稱為塊焦法.塊焦法和粒焦法各有其特點(diǎn)，與粒焦法相比，塊焦法由于所需焦炭試樣量較大，因此實(shí)驗(yàn)室采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的粒焦法來研究安鋼1#和2#高爐所用焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度.通過現(xiàn)場(chǎng)塊焦法測(cè)定結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室粒焦法測(cè)定結(jié)果之間的對(duì)比，分析了導(dǎo)致2種測(cè)定方法所得測(cè)定結(jié)果存在差異性的內(nèi)在影響因素.通過擬合2種方法的測(cè)定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者之間線性關(guān)系顯著，進(jìn)而可在不進(jìn)行塊焦測(cè)定法的情況下通過粒焦法逆向得出塊焦法的測(cè)定結(jié)果，達(dá)到簡化試驗(yàn)流程，減少焦炭試樣量的目的．本文采用安鋼1#和2#高爐連續(xù)3 d所用的入爐焦炭進(jìn)行研究．

1 安鋼高爐焦炭的工業(yè)分析

焦炭的水分波動(dòng)會(huì)引起入爐干焦量的變化，即焦炭真實(shí)負(fù)荷的波動(dòng)，故水分穩(wěn)定比水分值本身更重要，且含水分過高則焦粉黏附在焦塊上不易篩除而被帶入高爐，對(duì)焦炭質(zhì)量不利，影響篩分和高爐透氣性，導(dǎo)致爐塵量明顯上升，高爐順行變差，降低焦炭水分的含量可提高焦炭的熱態(tài)性能指標(biāo)[13]．

表1和表2分別給出了安鋼高爐連續(xù)3 d所用入爐焦炭的工業(yè)分析 （表1～表7中1、2、3分別代表3月6日、3月7日、3月8日）．

表1 安鋼1#高爐焦炭的工業(yè)分析/%

表2 安鋼2#高爐焦炭的工業(yè)分析/%

從指標(biāo)對(duì)比看，2個(gè)高爐所用焦炭的揮發(fā)分和干基灰分含量近乎一致，而2#高爐焦炭水分明顯過高，且波動(dòng)較大，導(dǎo)致反應(yīng)性升高，反應(yīng)后強(qiáng)度下降．

因此設(shè)法將2#高爐焦炭的水分穩(wěn)定在較低的水平對(duì)提高其焦炭的高溫反應(yīng)特性是非常重要的．

2 粒焦法測(cè)定安鋼焦炭高溫反應(yīng)特性

測(cè)定焦炭的反應(yīng)性能已有國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4000-1966，通常被稱為塊焦法．焦炭試樣的粒度20 mm，重量200 g．在1 000～1 300℃下測(cè)定與CO2的反應(yīng)性能，用塊焦反應(yīng)指數(shù)和反應(yīng)后強(qiáng)度評(píng)價(jià)焦炭的反應(yīng)性能．塊焦反應(yīng)性因試樣量多、粒度大被認(rèn)為測(cè)定結(jié)果可信度較高，目前各大型焦化廠都采用該方法測(cè)定其焦炭的反應(yīng)性．但塊焦法需要的反應(yīng)介質(zhì)（焦炭）的量特別大，因此實(shí)驗(yàn)室采用粒焦法研究焦炭的高溫反應(yīng)特性．

采用粒焦法測(cè)定焦炭的反應(yīng)性能國家也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)GB220-77，但對(duì)粒度的量、粒度的大小、反應(yīng)的溫度等給出的是一個(gè)區(qū)間范圍，并未進(jìn)行嚴(yán)格統(tǒng)一．結(jié)合前人對(duì)高爐風(fēng)口焦反應(yīng)性測(cè)定的經(jīng)驗(yàn)確定本研究采用的粒焦法的試驗(yàn)條件為：粒度4～6 mm，重量15 g左右，反應(yīng)時(shí)間70 min，CO2氣體流量為800 mL/min．反應(yīng)過程的失重量為反應(yīng)性，反應(yīng)后大于3 mm所占的比例為反應(yīng)后強(qiáng)度．通過對(duì)入爐焦2次平行試驗(yàn)分別確定出安鋼粒焦反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度．

表3和表4分別為安鋼1#和2#高爐所用焦炭由粒焦法測(cè)定的高溫反應(yīng)性（CRI）和反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR）．

表3 粒焦法測(cè)定的安鋼1#和2#高爐焦炭反應(yīng)性（CRI）/%

表4 粒焦法測(cè)定的安鋼1#和2#高爐焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR）/%

由表3和表4可以看出，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)誤差最大僅為5．81%，表明實(shí)驗(yàn)室采用的粒焦法可以得到穩(wěn)定的測(cè)定結(jié)果，該試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性較好．

3 安鋼焦炭的礦相顯微結(jié)構(gòu)

焦炭的顯微結(jié)構(gòu)分為各向同性結(jié)構(gòu)、絲質(zhì)破片狀結(jié)構(gòu)、細(xì)粒鑲嵌、粗粒鑲嵌、流動(dòng)型等，其各向異性程度依次增強(qiáng)[14]．煤炭科學(xué)院通過顯微結(jié)構(gòu)研究認(rèn)為，同一種焦炭中各顯微結(jié)構(gòu)對(duì)CO2反應(yīng)性的影響順序?yàn)椋航z質(zhì)破片狀結(jié)構(gòu)＞各向同性結(jié)構(gòu)＞細(xì)粒鑲嵌結(jié)構(gòu)＞粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)＞纖維狀結(jié)構(gòu)＞片狀結(jié)構(gòu)．本研究觀察焦炭礦相顯微結(jié)構(gòu)采用德國萊卡（Leica）DAS顯微鏡，型號(hào)為DM、RXP．測(cè)定方法采用國家標(biāo)準(zhǔn)，即統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)500個(gè)點(diǎn)，樣品放大倍數(shù)為500倍．

表5給出了安鋼高爐連續(xù)3 d所用入爐焦炭的礦相顯微結(jié)構(gòu)分析結(jié)果．

由表5可見，安鋼1#高爐使用的焦炭各向異性和粗粒鑲嵌結(jié)構(gòu)的比例比2#高爐所用焦炭的要高一些，而中粒鑲嵌結(jié)構(gòu)的比例則要低一些．

表5 安鋼高爐入爐焦礦相顯微分析礦物表面積百分比/%

圖1給出了安鋼高爐入爐焦炭巖相顯微分析中不同結(jié)構(gòu)的微觀形貌.

圖1 安鋼高爐入爐焦炭礦相顯微分析中的不同結(jié)構(gòu)

3.1 2種方法測(cè)定的焦炭反應(yīng)性結(jié)果分析

煤炭科學(xué)院通過顯微結(jié)構(gòu)研究給出了對(duì)51組焦炭與CO2反應(yīng)性和焦炭顯微結(jié)構(gòu)的多元線性回歸方

式（1）中：Ⅰ為各向同性結(jié)構(gòu)含量，%；Mf、Mc為分別代表細(xì)顆粒和粗顆粒鑲嵌結(jié)構(gòu)含量，%；Fc為纖維狀結(jié)構(gòu)含量，%；Lf為片狀結(jié)構(gòu)含量，%.

考慮到中間顆粒鑲嵌結(jié)構(gòu)和殘?zhí)己繉?duì)焦炭反應(yīng)性的影響，對(duì)公式（1）按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正，給出了公式

式（2）中：Mm為代表中間顆粒鑲嵌結(jié)構(gòu)含量，%；Cc為殘?zhí)碱w粒結(jié)構(gòu)含量，%.

按式（2）計(jì)算入爐焦炭組織結(jié)構(gòu)反應(yīng)性和2種方法測(cè)定的焦炭反應(yīng)性見表6.

表6 安鋼入爐焦炭計(jì)算和測(cè)定的焦炭反應(yīng)性（CRI）/%

由表6可見，安鋼1#和2#高爐入爐焦炭由現(xiàn)場(chǎng)塊焦法測(cè)定的高溫反應(yīng)性（CRI）結(jié)果相差較大，但由實(shí)驗(yàn)室采用粒焦法得到的結(jié)果兩者之間較為接近，由焦炭的組織結(jié)構(gòu)計(jì)算出的反應(yīng)性（CRI）1#高爐與2#高爐相差也不大，因此認(rèn)為2個(gè)高爐焦炭的高溫反應(yīng)性基本相同.表6中焦炭組織結(jié)構(gòu)的反應(yīng)性表示焦炭中不同煤的變質(zhì)程度對(duì)焦炭反應(yīng)性的影響.由于實(shí)際焦炭的反應(yīng)性還與煉焦的技術(shù)工藝和添加劑有關(guān)，也就是說，焦炭組織結(jié)構(gòu)的反應(yīng)性僅反映煤質(zhì)帶來的影響.

圖2對(duì)比了3種方法求得的焦炭反應(yīng)性的平均值.

圖2 不同方法測(cè)定的安鋼入爐焦炭的平均反應(yīng)性的比較

由圖2可見，由塊焦法得到的焦炭反應(yīng)性1#高爐比2#高爐的要低，粒焦法的反應(yīng)性也是如此，但相差不大，由組織結(jié)構(gòu)計(jì)算的反應(yīng)性卻相反，即1#高爐比2#高爐的要高些.這表明2#高爐焦炭使用的煤質(zhì)在降低反應(yīng)性方面比1#高爐的略好一些.但塊焦法得到的實(shí)際結(jié)果卻相反，由此可以推斷，在生產(chǎn)高爐焦炭的外界條件如：工藝、設(shè)備和操作水平等方面，1#高爐比2#高爐要好一些.

3.2 2種方法測(cè)定的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度結(jié)果分析

焦炭光學(xué)組織是焦炭在高爐內(nèi)劣化的一個(gè)重要因素[15]，通常用焦炭光學(xué)組織指數(shù)（OTI）來表征焦炭光學(xué)組織各向異性程度[16].煉焦行業(yè)認(rèn)為，焦炭光學(xué)組織指數(shù)（OTI）高的礦相結(jié)構(gòu)，如不同顆粒的鑲嵌結(jié)構(gòu)、纖維狀結(jié)構(gòu)含量和片狀結(jié)構(gòu)等對(duì)增加焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度有利.∑ISO為類絲碳、絲質(zhì)破片和各向同性之和，表示高溫抗堿能力比其他各向異性的礦相結(jié)構(gòu)組分強(qiáng)，各向同性結(jié)構(gòu)主要是來自低變質(zhì)程度、高揮發(fā)分氣煤中的鏡質(zhì)組.

式（3）中：DL、Dp為分別代表類絲碳和絲質(zhì)破片結(jié)構(gòu)含量，%.

考慮到高爐風(fēng)口焦試樣中殘?zhí)急壤^高，本研究定義了焦炭組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來表示焦炭礦相結(jié)構(gòu)對(duì)焦炭強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式（4）如下：焦炭組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)

根據(jù)公式（3）計(jì)算的入爐焦炭的∑ISO、公式（4）計(jì)算的焦炭組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和由2種方法測(cè)定的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度見表7.

表7 安鋼高爐焦炭的∑ISO和不同方法得到的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR）/%

表7中，除3月7日2#高爐焦炭的∑ISO過低外，其它的都在1.7左右，由于煉焦用煤是不均勻的，個(gè)別試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)大的波動(dòng)也屬正常，因此可以認(rèn)為2個(gè)高爐焦炭的高溫抗堿性相差不大，∑ISO值均在1.7左右.

圖3為1#高爐和2#高爐由上述3種方法得到的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度的平均值對(duì)比.

在圖3中，對(duì)于1#高爐使用的焦炭，3種方法得到的反應(yīng)后強(qiáng)度值相差不大，而2#高爐使用的焦炭，塊焦法的反應(yīng)后強(qiáng)度值要明顯低于粒焦法和焦炭組織結(jié)構(gòu)法.影響焦炭組織結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的主要是煤質(zhì)的組成，即僅與煉焦使用的煤種有關(guān)；粒焦法將焦炭在低溫下烘干外水，然后破碎成小塊進(jìn)行試驗(yàn)分析，影響其結(jié)果的因素有煤種的組成和煉焦的過程；而塊焦法則是直接采用生產(chǎn)中使用的焦炭進(jìn)行試驗(yàn)，影響其結(jié)果的因素有煤種的組成、煉焦的全部過程（包括息焦）及其他影響因素.因此可以得出，安鋼1#和2#高爐所用焦炭其煤種質(zhì)量和煉焦環(huán)節(jié)相差較小，不是造成反應(yīng)后強(qiáng)度差異的主要原因，而2個(gè)高爐在煉焦以外的環(huán)節(jié)上存在區(qū)別，使得2#高爐焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度低于1#高爐.

圖3 不同方法測(cè)定的安鋼入爐焦炭的平均反應(yīng)后強(qiáng)度的比較

3.3 塊焦法和粒焦法測(cè)定CRI和CSR結(jié)果的擬合

塊焦法和粒焦法反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度的擬合見圖4.

圖4 塊焦法和粒焦法反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度的擬合

由圖4可以看出，塊焦法反應(yīng)性和粒焦法反應(yīng)性之間線性關(guān)系良好，塊焦法反應(yīng)后強(qiáng)度和粒焦法反應(yīng)后強(qiáng)度之間線性關(guān)系同樣良好.

4 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)室粒焦法測(cè)得的安鋼1#和2#高爐焦炭高溫反應(yīng)特性結(jié)果的相對(duì)誤差最大僅為5.81%，表明該方法測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定，準(zhǔn)確性也較好.

（2）在生產(chǎn)高爐焦炭的外界條件如：工藝、設(shè)備和操作水平等方面，1#高爐要比2#高爐更好一些.安鋼1#和2#高爐所用焦炭其煤種質(zhì)量和煉焦環(huán)節(jié)基本一致，但在煉焦以外的環(huán)節(jié)上存在較大差異，使得2#高爐焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度低于1#高爐.

（3）由塊焦法和粒焦法測(cè)定的焦炭反應(yīng)性之間呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)，2種方法測(cè)得的焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度之間線性關(guān)系同樣良好.

（4）安鋼2#高爐焦炭含水分過高，且波動(dòng)較大，導(dǎo)致反應(yīng)性升高，反應(yīng)后強(qiáng)度降低，應(yīng)設(shè)法將2#高爐焦炭的水分穩(wěn)定在較低的水平.

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