高爐用焦炭熱性能控制指標(biāo)的研究

張明遠(yuǎn) 萬 新 馮淋虹 陽銀權(quán)

(重慶科技學(xué)院,重慶市沙坪壩,401331)

1 概述

焦炭作為高爐煉鐵的重要原料,一直是鋼鐵工程師關(guān)注的焦點(diǎn)問題。尤其由于現(xiàn)代高爐煉鐵的發(fā)展,高爐大型化、大噴煤量等對焦炭提出了更高的要求。從目前發(fā)展來看,以焦炭的熱性能指標(biāo)操作高爐的條件在國內(nèi)已經(jīng)成熟:一方面已經(jīng)有了國內(nèi)大型冶金企業(yè)在這方面的成功經(jīng)驗(yàn);另一方面是手段已經(jīng)比較成熟。但還面臨一些亟待解決的問題。GB/T-4000-1996給出的是一個試驗(yàn)的方法,卻沒有給出一個廣泛可行的控制標(biāo)準(zhǔn),因此各個企業(yè)需要結(jié)合自己的實(shí)際情況來制訂相應(yīng)的CSR(反應(yīng)后強(qiáng)度)和CRI(反應(yīng)性)的控制目標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)在已有資料可以看出,企業(yè)所制定的標(biāo)準(zhǔn)也是與本身的條件具有相當(dāng)針對性的,見表1。

關(guān)于制定高爐用焦炭熱性能國家控制標(biāo)準(zhǔn)的意見已經(jīng)出現(xiàn),各企業(yè)對焦炭熱性能的研究也反應(yīng)積極。但是,對于在企業(yè)內(nèi)部科學(xué)制定控制標(biāo)準(zhǔn)的研究還沒有形成系統(tǒng)意見,部分大企業(yè)根據(jù)長期的質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)制定明確的標(biāo)準(zhǔn),中小企業(yè)中除個別采取套用大企業(yè)指標(biāo)的思路制定標(biāo)準(zhǔn)外,絕大多數(shù)還是采用M40、M10指標(biāo)指導(dǎo)高爐操作,直接套用大企業(yè)指標(biāo)忽略了企業(yè)本身的諸多條件,因此其焦炭熱性能對生產(chǎn)的指導(dǎo)性也就被削弱了。目前,企業(yè)進(jìn)行高爐用焦炭熱性能控制指標(biāo)的制定具有積極意義:一方面為配合精料進(jìn)一步節(jié)能降耗提供了技術(shù)保障;另一方面也為國家制定統(tǒng)一的焦炭熱性能控制標(biāo)準(zhǔn)積累了經(jīng)驗(yàn)。

表1 中國和部分國外冶金企業(yè)對焦炭熱性能的要求

焦炭在高爐內(nèi)的強(qiáng)度保持能力直接關(guān)系到高爐的順行和降耗,對于它的研究最早是從風(fēng)口焦的平均直徑開始的,它是直接評價(jià)焦炭在高爐內(nèi)強(qiáng)度保持能力的最有效的辦法。焦炭的熱性能CSR和反應(yīng)性CRI是對風(fēng)口焦塊度影響最直接的2個指標(biāo),焦炭反應(yīng)性指焦炭與CO2氣體的反應(yīng)能力。此反應(yīng)也稱為焦炭的氣化反應(yīng)。反應(yīng)后的焦炭因失碳而產(chǎn)生裂縫,同時因氣孔壁變薄而失去強(qiáng)度。

高爐焦炭在高爐冶煉中的作用非常重要。作為發(fā)熱劑,它提供鐵礦石還原熔化所需的熱量;作為還原劑,它提供鐵礦石還原所需的還原氣體;作為料柱骨架,它對爐料起支撐作用,并提供一個煤氣通過的透氣層;鐵中的碳也全部來源于高爐焦炭。隨著富氧噴煤技術(shù)的發(fā)展,焦炭的還原劑、發(fā)熱劑、滲碳的作用已部分被噴吹煤粉所取代,但是作為料柱骨架,保持料柱在高爐冶煉過程中具有良好的透氣性是不能取代的,而且由于以煤代焦大幅度降低了入爐的焦炭,其保持強(qiáng)度的能力更加值得關(guān)注。同時,高爐大型化后,對于高爐能否順行來說,焦炭料柱骨架的作用也顯得尤為重要。再有,從節(jié)能的角度看,高反應(yīng)性的焦炭在較低溫度下開始降解,反應(yīng)開始位置移向高爐上部,焦炭強(qiáng)度下降幅度增大,粉末增多導(dǎo)致爐料的透氣、透液性變差從而影響到高爐順行,能量利用也隨著焦炭的氣化加劇而變差。以上這些因素都對焦炭提出了更高的要求,即要求焦炭有更高的反應(yīng)后強(qiáng)度和盡可能低的反應(yīng)性。

用CSR和CRI配合或取代M40和M10操作高爐,其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到公認(rèn)。但是簡單地套用別的企業(yè)指標(biāo)卻并不合適。這主要是高爐的大小不同、原料不同、操作不同所致,研究表明高爐用焦炭的含水量和爐內(nèi)的循環(huán)堿對CSR和CRI的影響就不容忽視。

2 熱性能與相關(guān)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)研究

2.1 焦炭反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度和小于3 mm含量之間的關(guān)系

我們從2002年至今一直在關(guān)注焦炭熱性能的一些內(nèi)在關(guān)系,圖1和圖2是針對重鋼、川威、達(dá)鋼等3個鋼鐵企業(yè)和2個焦化企業(yè),在工作中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時獲得的共20個焦炭樣數(shù)據(jù)。各焦炭的配煤情況肯定存在差異,但結(jié)果表明其指標(biāo)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性非常強(qiáng),存在明顯的線性相關(guān)的變化趨勢。

2.2 焦炭熱性能與生產(chǎn)指標(biāo)的關(guān)系

近年來的國內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐表明,焦炭CSR與高爐生產(chǎn)情況密切相關(guān)。焦炭從進(jìn)入高爐那一刻起,M40就不能真實(shí)反映焦炭在爐內(nèi)的變化趨勢,簡單地說2個M40值相同的焦炭在爐內(nèi)的塊狀焦保持能力卻不盡相同,當(dāng)然對生產(chǎn)的影響也就不同。但是,在煉焦生產(chǎn)穩(wěn)定的情況下,M40的意義還是明顯的,圖3是印度Pypkene冶金工廠焦炭熱強(qiáng)度與產(chǎn)量的關(guān)系?？墒?目前國內(nèi)的冶金企業(yè)還沒有建立自己的焦炭熱性能控制標(biāo)準(zhǔn),多數(shù)情況是高爐不順的時候才檢測焦炭的CSR和CRI,僅僅是對導(dǎo)致高爐順行受阻的原因進(jìn)行排查。因此,焦炭熱性能與生產(chǎn)指標(biāo)的關(guān)系只是一些零星的報(bào)道。

圖3 印度“Pypkene冶金工廠”4#高爐產(chǎn)量與M40的關(guān)系

實(shí)際上,采用統(tǒng)計(jì)的方法對焦炭熱性能與生產(chǎn)指標(biāo)的關(guān)系進(jìn)行研究并不復(fù)雜,建立的關(guān)系對我們制定企業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)意義重大。某420 m3高爐的5個焦炭熱強(qiáng)度數(shù)據(jù)與產(chǎn)量的關(guān)系見圖4。為了排除其他因素的干擾,這些數(shù)據(jù)均是在生產(chǎn)穩(wěn)定的條件下取得的。

圖4 某420 m3高爐產(chǎn)量與焦炭熱強(qiáng)度的關(guān)系

上述規(guī)律是我們在工作中觀察到的一些局部現(xiàn)象,國內(nèi)企業(yè)在CRI和CSR的應(yīng)用規(guī)定中往往是經(jīng)驗(yàn)性的,缺乏足夠的依據(jù)。如果企業(yè)能主動進(jìn)行這些工作,再配合對堿金屬、水分對焦炭熱性能影響的研究,就可以制定出更加合理的焦炭熱性能控制指標(biāo),提高高爐操作控制水平。

3 焦炭熱強(qiáng)度在高爐內(nèi)劣化的影響因素

焦炭的CSR與M40比較,可以通過剖析高爐過程進(jìn)行了解。將焦炭的行進(jìn)過程劃分成3段,即爐外冷態(tài)下的轉(zhuǎn)運(yùn)、高爐爐腹以上區(qū)域和爐腹至爐缸區(qū)域。從焦炭破損機(jī)理來看M40對前2段的模擬還是比較準(zhǔn)確的,但是對第3段的模擬顯然就有疑問了。因?yàn)樵诘?段,焦炭主要是由于受到氣化反應(yīng)、高溫?zé)崃蛪A金屬作用而趨于整體破裂的,在這一段CSR對其模擬就更加準(zhǔn)確。

2018年是一個偉大的歷史節(jié)點(diǎn)。20年前，國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步深化化肥流通體制改革決定》，我國化肥產(chǎn)業(yè)得以持續(xù)快速發(fā)展，為國家糧食安全做出重要了貢獻(xiàn)，成為農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的重要依靠力量；40年前，小崗村的18位農(nóng)民在土地承包責(zé)任書上按下了紅手印，拉開了中國改革開放的序幕；60年前，毛澤東主席提出我國要設(shè)立自己的化學(xué)肥料廠，發(fā)展自己的化肥工業(yè)。從無到有，由弱至強(qiáng)，中國氮肥工業(yè)走過了60年大發(fā)展的光輝歷程，取得了足以令全世界為之矚目的巨大成就。

3.1 焦炭含水量對焦炭熱性能的影響

關(guān)于水分對焦炭熱強(qiáng)度的影響有2種不同觀點(diǎn),一種認(rèn)為按照現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)GB/T4000-1996,水分不影響CSR和CRI的檢測結(jié)果;二是認(rèn)為干焦的熱性能指標(biāo)要好于濕焦。為此,我們通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了檢驗(yàn)。GB/T4000-1996中規(guī)定的試樣必須在170～180℃干燥2 h,因此要了解水分對焦炭熱性能的影響就需要取消該環(huán)節(jié)。為了更好地模擬高爐過程,我們將反應(yīng)管置入爐膛時的溫度分別設(shè)為室溫和350℃,以350℃模擬爐頂溫度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,濕焦在室溫下置入反應(yīng)管升溫,其升溫過程中焦炭的水分得以順利溢出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與干焦的實(shí)驗(yàn)結(jié)果無顯著差異。但是濕焦在350℃時才將反應(yīng)管置入爐膛,實(shí)驗(yàn)的結(jié)果就與干焦的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生了差異,說明在高爐煉鐵過程中,濕焦中的水分并不能迅速溢出焦炭表面,因此水的存在加速了碳的流失。

表2 濕焦和干焦的熱性能指標(biāo)對比%

基于以上的情況,企業(yè)在制定控制標(biāo)準(zhǔn)的時候,可以對水分的影響做進(jìn)一步的研究,如果仍然采用的濕法熄焦,可以考慮一個對焦炭含水修正的方案而不必改變G B/T4000-1996規(guī)定的實(shí)驗(yàn)程序。

3.2 堿金屬對焦炭熱性能的劣化

關(guān)于堿金屬對焦炭熱性能的劣化作用研究比較成熟,方法多是堿泡或加堿的方式處理后測定其熱性能的變化?？梢哉J(rèn)為,堿金屬的存在形態(tài)以K2O和Na2O為主,其對焦炭的劣化機(jī)理是:

聯(lián)立(1)、(2)式,得:

(3)式表明,K的存在加速了焦炭中碳的流失,根據(jù)已有的研究成果,如果焦炭中K2O提高0.3%,那么其CRI將提高5%左右。根據(jù)這種情況,在制定企業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)的時候必須對應(yīng)堿金屬的各種形態(tài)。也就是說實(shí)驗(yàn)測定的焦炭熱性能在實(shí)際生產(chǎn)條件下會發(fā)生變化,而且這種變化與各個高爐的具體條件聯(lián)系密切。我們對某420 m3高爐的爐內(nèi)粘結(jié)物和布袋灰進(jìn)行了分析,結(jié)果如表3。

表3 某420 m3高爐的爐內(nèi)粘結(jié)物和布袋灰成分分析%

如果不考慮高爐內(nèi)粘結(jié)物的影響,那么布袋灰中的堿金屬也會導(dǎo)致普通焦炭的反應(yīng)性上升到50%左右。這種推測可能是成立的,這表明在制定焦炭熱性能企業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)的時候,正確分析高爐內(nèi)堿金屬的平衡情況是相當(dāng)重要的。

3.3 高冶煉強(qiáng)度對焦炭熱性能的劣化

隨著冶煉強(qiáng)度的提高,風(fēng)口焦上的包裹物增多,風(fēng)口焦中TiO2、Fe2O3含量增加,焦炭氣孔率增加。入爐焦和風(fēng)口焦的平均粒度差增大,即焦炭在爐內(nèi)消耗加快、強(qiáng)度變差。因此,在提高冶煉強(qiáng)度的同時必須考慮焦炭劣化對高爐的影響。

3.4 噴吹煤粉對高爐焦炭的劣化

隨著噴吹煤粉技術(shù)的推廣以及高爐噴吹技術(shù)含量的提高,焦炭在風(fēng)口回旋區(qū)的滯留時間相對延長,會使焦炭破損,加劇焦炭的劣化。

4 改善焦炭熱性能的途徑

焦炭是高爐冶煉十分重要的原料,焦炭的質(zhì)量與高爐的鐵水質(zhì)量密切相關(guān)。常用改善和提高焦炭質(zhì)量的途徑和措施如下。

(1)改善配煤結(jié)構(gòu)。配煤時,最大限度地增加惰性組分的量,可降低焦炭的反應(yīng)性;配入焦粉、改質(zhì)瀝青等添加物,則可以提高反應(yīng)強(qiáng)度。

(2)減少焦炭灰分。焦炭灰分會對高爐生產(chǎn)過程和產(chǎn)量帶來一定影響。因此對原煤的成分需要嚴(yán)格控制。

(3)采用新工藝。預(yù)熱煤煉焦技術(shù)可以提高焦炭的耐磨強(qiáng)度,配入型煤煉焦工藝能改善焦炭很多性能。

(4)配合煤的選用和控制。煤的水分含量影響其堆積密度和結(jié)焦時間,能影響焦炭的微觀性能。此外,可以噴加負(fù)催化劑,使其富積在焦炭表面,抑制焦炭溶損反應(yīng)的進(jìn)行,從而提高焦炭熱性能。

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