焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)的影響因素探討

原斌

（山西省地質(zhì)勘查局二一三地質(zhì)隊(duì) 山西 臨汾 041000）

引言

焦炭在高爐中主要起熱源、還原劑、支撐骨架及提供碳元素作用。很久以來(lái)，我國(guó)一直將焦炭的機(jī)械強(qiáng)度作為衡量焦炭質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，用于反映其在焦?fàn)t中的強(qiáng)度狀況。但是實(shí)際高爐生產(chǎn)中，冷強(qiáng)度并不能真實(shí)的模擬出焦炭在高爐中的真實(shí)情況。為此國(guó)家在新的冶金焦炭標(biāo)準(zhǔn)中增加了焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)，來(lái)更好反應(yīng)焦炭在高爐生產(chǎn)中的反應(yīng)行為。

焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)是一個(gè)對(duì)檢測(cè)過(guò)程條件要求很高的試驗(yàn)。從試驗(yàn)中的樣品加工、反應(yīng)器選擇、升溫速度等因素方面都對(duì)整個(gè)檢測(cè)結(jié)果有著不可預(yù)估的影響。

1 試樣的影響

試樣的均勻性影響試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性。試樣粒徑的變化導(dǎo)致焦炭顆粒表面積的差異，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)界面的差異，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異。GB/T 4000-2017中樣品的粒徑由21-25mm改為23-25mm，因此，樣品的粒徑和數(shù)量趨于相同[1]。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)性也受到了人的因素的影響。焦炭和焦頭熱特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CRI極差為6.1%，CSR極差為9.0%，大大超過(guò)了實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)性要求。在GB/T4000～2017中，明確要求丟棄發(fā)泡焦炭，但是發(fā)泡焦炭的判別中的人為差異引起樣品的差異。條形焦炭和片狀焦炭的選擇必須盡可能一致。可以修改直徑的1/5以上的厚度，為了確保樣品的均勻性需要去除較薄的厚度[2]。

2 升溫速度的影響

在升溫過(guò)程中，焦炭在達(dá)到最大線膨脹溫度T1后發(fā)生體積變化，焦炭中出現(xiàn)新的裂紋，使體積迅速收縮。由于T1>1100℃高于焦炭熱反應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)溫度，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程沒(méi)有影響。通過(guò)不同加熱速度對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加熱速度控制在要求的范圍內(nèi)（8℃-16℃/MIM），檢測(cè)結(jié)果不會(huì)有顯著差異。對(duì)于連續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，爐溫冷卻時(shí)間較長(zhǎng)。為了縮短連續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)間，進(jìn)行了室溫加熱與300～400℃啟動(dòng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果見表1?？梢钥闯?，初始溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大[3]。

表1 初始溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響(%)

3 氣體的影響

3.1 氮?dú)鈱?duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)在400～1100℃加熱時(shí)，在焦炭中注入0.8l/min的氮，冷卻到100℃以下時(shí)，在焦炭中注入2l/min的氮。實(shí)驗(yàn)表明，在氮?dú)夥盏恼Ａ鲃?dòng)中，焦炭的質(zhì)量損失在0.3g以下，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎沒(méi)有影響，但是氮的純度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果特別影響cri。純度越低，CRI越大。因此，氮的純度小于99.99%，必須被精制以除去氧氣和水[4]。

3.2 CO2對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

溫度達(dá)到1100℃后通入CO2反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)中要求CO2的流量控制在5L/min。

a、CO2流量要穩(wěn)定，準(zhǔn)確。CO2流量不足時(shí)，反應(yīng)性偏低，強(qiáng)度偏高，過(guò)量則相反，如果不是使用CO2流量計(jì)，需要經(jīng)過(guò)校正換算成CO2氣體流量，通氣前要使用電加熱減壓閥提前預(yù)熱CO2氣瓶的出口處，以保證氣體流量的穩(wěn)定，若流量計(jì)在氣體凈化之前，在檢查進(jìn)入反應(yīng)器的氣體流量或是否漏氣時(shí)，可在反應(yīng)器前串聯(lián)流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要監(jiān)視CO2流量，出現(xiàn)流量變化或波動(dòng)時(shí)需及時(shí)調(diào)整[5]。

b、CO2的純度越低，測(cè)定的反應(yīng)性越大，因此，對(duì)于含量達(dá)不到99.5%的CO2，應(yīng)進(jìn)行凈化。洗氣瓶中的濃硫酸和干燥劑要經(jīng)常更換，否則會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生偏差。

4 爐溫的影響

溫度是影響 CRI 和 CSR 最主要的因素。在高爐內(nèi)的氣體條件下，焦炭的活化能約為310-335kJ/mol，即反應(yīng)溫度每增加30℃，焦炭的化學(xué)反應(yīng)速度約增加1倍。檢測(cè)中爐溫波動(dòng)范圍要求在±3℃。控制爐溫的穩(wěn)定，主要包括以下環(huán)節(jié)。

(1)反應(yīng)爐爐絲的使用周期為50-60次左右，需經(jīng)常注意觀察。使用新爐絲時(shí)需要重新設(shè)定爐子的升溫參數(shù)，確保爐溫波動(dòng)小于3℃。爐體內(nèi)的耐火材料要填充均勻、密實(shí)，減少散熱，使上下部試樣整體受熱均勻。

(2)使用的熱電偶必須是經(jīng)過(guò)校正的。熱電偶套管長(zhǎng)350mm，熱電偶要插到套管底部，端部位于料層中心位置，反應(yīng)器深度為500mm，200g 試樣高度約為100mm，爐膛恒溫區(qū)的長(zhǎng)度必須大于150mm，保證實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣位置在爐膛恒溫區(qū)之內(nèi)。

5 熱電偶安裝高度對(duì)焦炭反應(yīng)性測(cè)定結(jié)果的影響

根據(jù)GB/T 4000-1996 的要求反應(yīng)器底部的高鋁球約高100mm，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)需 20mm 高鋁球 約58個(gè)，使反應(yīng)器內(nèi)焦炭層處于電爐恒溫區(qū)，熱電偶套管插入焦炭層中心位置。國(guó)標(biāo)規(guī)定了反應(yīng)器插熱電偶的中心套管的長(zhǎng)度是350mm，但是由于批次的反應(yīng)器中心套管位置有所差異，因此我們就兩個(gè)批次熱電偶插管高度分別350mm 和340mm(從密封處向下測(cè)量)的反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。不同反應(yīng)器對(duì)幾組不同焦炭進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同反應(yīng)器對(duì)幾組不同焦炭的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

焦炭 CRI 及 CSR 測(cè)定是一項(xiàng)規(guī)范性很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，焦炭試樣的均勻性、氣體的純度和流量、爐溫變化都對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，在一定響環(huán)節(jié)加以控制，才能保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

附：其他實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)論舊國(guó)標(biāo)下焦炭顆粒研究焦塊數(shù)量多少對(duì)焦炭反應(yīng)性測(cè)定結(jié)果的影響邯鋼焦化廠焦炭反應(yīng)性試驗(yàn)的取制樣方法參照GB/T4000-1996進(jìn)行，試樣制備方法簡(jiǎn)述如下：取大于25mm 焦炭 60kg，棄去泡焦和爐頭焦，用顎式破碎機(jī)破碎、混勻，然后用φ21 和φ25圓孔篩篩分，φ21篩上物去掉片狀焦和條狀焦裝入轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓后焦樣 170-180℃溫度下烘干2小時(shí)后即可作為試驗(yàn)樣品。由于國(guó)際規(guī)定的范圍較寬，200g 試樣中可以選取不同塊數(shù)的焦炭(37-43塊)進(jìn)行試驗(yàn)，但是在實(shí)踐過(guò)程中存在性狀和粒度不規(guī)則等問(wèn)題，這就造成了實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性較差，同樣條件下我們所做的一組的焦炭對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，顆粒數(shù)在37顆與43顆對(duì)比時(shí)檢測(cè)結(jié)果有著明顯差異，因此我們?cè)囼?yàn)時(shí)最好能選取粒度均勻的顆粒從而減少結(jié)果差異。