高爐用焦炭熱強(qiáng)度指標(biāo)要求及檢測(cè)方法

魏 國(guó)，沈峰滿，杜 鋼，杜鶴桂

（1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110004）

高爐用焦炭熱強(qiáng)度指標(biāo)要求及檢測(cè)方法

魏 國(guó)，沈峰滿，杜 鋼，杜鶴桂

（1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110004）

高爐冶煉通常要求焦炭具有較低的反應(yīng)性和較高的反應(yīng)后強(qiáng)度.但焦炭反應(yīng)性過(guò)低不利于提高高爐反應(yīng)效率.本文對(duì)焦炭在高爐內(nèi)消耗機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為高爐爐身焦炭消耗量與鐵礦石直接還原度相關(guān)，爐身消耗的焦炭量是比較穩(wěn)定的，現(xiàn)有焦炭熱強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法存在不足.為了避免焦炭反應(yīng)過(guò)度，應(yīng)調(diào)整焦炭熱強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)定方法，如改變反應(yīng)氣氛或根據(jù)焦炭失重量確定反應(yīng)時(shí)間，使測(cè)定結(jié)果能夠合理反映爐內(nèi)焦炭消耗的規(guī)律.

高爐;焦炭;反應(yīng)性;反應(yīng)后強(qiáng)度;碳溶反應(yīng)

焦炭是傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝不可缺少的燃料.近年來(lái)，隨著高爐噴吹燃料技術(shù)的發(fā)展，焦比不斷下降，焦炭質(zhì)量對(duì)高爐冶煉的影響愈來(lái)愈明顯，成為限制高爐生產(chǎn)發(fā)展的因素之一［1］.

用于高爐冶煉的焦炭通常需要滿足成分、粒度和強(qiáng)度等三個(gè)方面的質(zhì)量要求，如固定C含量高、灰分低、有害元素含量低，粒度為40～60 mm且均勻，冷強(qiáng)度高等.為了保證焦炭在爐內(nèi)溫度和氣氛條件下抗破碎和磨損的能力，還要求焦炭具有一定的熱強(qiáng)度（反應(yīng)后強(qiáng)度CSR:Coke Strength After Reaction）和較弱的反應(yīng)性（CRI:Coke Reactivity Index）［2］.

近年來(lái)，日本煉鐵界開展了一系列關(guān)于提高高爐反應(yīng)效率的研究，其中包括使用高反應(yīng)性焦炭的技術(shù)［3］.我國(guó)一些高爐也有長(zhǎng)期使用高反應(yīng)性焦炭進(jìn)行冶煉的實(shí)例（CRI≈50%）［4］.這與目前對(duì)焦炭熱強(qiáng)度的認(rèn)識(shí)相差較大.本文從焦炭在冶煉中的作用、焦炭在高爐內(nèi)消耗機(jī)理方面進(jìn)行了分析，探討了現(xiàn)有焦炭熱強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法的問題，提出確定焦炭合理熱強(qiáng)度指標(biāo)的可能調(diào)整措施，以期為促進(jìn)高爐降低燃耗、擴(kuò)大資源適應(yīng)性提供理論參考.

1 焦炭在高爐中的作用及其質(zhì)量要求

1.1 焦炭在高爐中作用的演變

焦炭在高爐內(nèi)不同位置起著不同作用（圖1）.

圖1 高爐內(nèi)部物料存在形態(tài)Fig.1 Schematic representation o f a section of blast furnace

（a）在高爐風(fēng)口前燃燒帶，焦炭燃燒提供冶煉所需的熱量，產(chǎn)生還原煤氣;

（b）在軟熔帶和滴落帶，作為料柱骨架維持爐芯透氣透液性，并為鐵水滲碳提供碳源;

（c）在爐身下部塊狀帶，通過(guò)Boudouard反應(yīng)（碳溶反應(yīng)）消耗.

隨著煉鐵技術(shù)的發(fā)展，焦炭已不是高爐的唯一燃料，作用（a）逐漸為噴吹燃料所替代.我國(guó)許多高爐噴煤比都已超過(guò)150 kg/t·HM，一些先進(jìn)高爐的噴煤比可穩(wěn)定在180 kg/t·HM左右，焦比也降至300 kg/t·HM 水平［5］.隨著焦比下降，焦炭保持爐內(nèi)透氣透液性的作用更加突出.高爐生產(chǎn)實(shí)踐表明，若使用強(qiáng)度較差的焦炭冶煉，在高溫區(qū)域焦炭容易粉化，惡化料柱透氣透液性，影響煤氣流穩(wěn)定，引起高爐爐況波動(dòng).因此，當(dāng)前焦炭生產(chǎn)是以滿足作用（b）為主要目標(biāo)，即生產(chǎn)高強(qiáng)度的焦炭（包括冷強(qiáng)度和熱強(qiáng)度）.

1.2 高爐冶煉對(duì)焦炭的質(zhì)量要求

通常，高爐冶煉對(duì)焦炭質(zhì)量有以下幾方面的要求:

（1）化學(xué)成分.要求固定碳含量高、灰分低［6］.固定碳含量高，焦炭提供的熱量和還原劑多.焦炭灰分高，高爐渣量將增加;灰分與焦質(zhì)的膨脹性不同，在高爐內(nèi)加熱后，灰分顆粒周圍產(chǎn)生裂紋，使焦炭強(qiáng)度降低;灰分中的堿金屬等對(duì)焦炭碳溶反應(yīng)起催化作用，使焦炭反應(yīng)性增高，影響反應(yīng)后強(qiáng)度.此外，還要求焦炭揮發(fā)份含量低，焦炭水分穩(wěn)定在較低水平.硫、磷和堿金屬等有害元素含量低.

（2）冷態(tài)機(jī)械強(qiáng)度.包括焦炭抗碎強(qiáng)度M40和抗磨強(qiáng)度M10指標(biāo).冷態(tài)強(qiáng)度與風(fēng)口焦炭的粒度組成、平均粒度有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，整體反映了焦炭在高爐內(nèi)保持粒度的能力，因而被用作日常生產(chǎn)檢驗(yàn)指標(biāo).

（3）粒度.焦炭粒度要求均勻，平均粒度保持在40～50 mm水平.具體要求根據(jù)高爐容積、操作水平和指標(biāo)水平略有不同.

（4）高溫性能.焦炭高溫性能包括反應(yīng)性CRI和反應(yīng)后強(qiáng)度CSR.反應(yīng)性是衡量焦炭在高溫狀態(tài)下與CO2碳溶反應(yīng)能力的穩(wěn)定性指標(biāo);反應(yīng)后強(qiáng)度是衡量焦炭在經(jīng)受CO2和堿金屬侵蝕狀態(tài)下，保持高溫強(qiáng)度的能力.通常認(rèn)為焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度CSR比冷強(qiáng)度指標(biāo)更能反映焦炭的質(zhì)量.

研究表明:焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度與反應(yīng)性指標(biāo)有較好的負(fù)相關(guān)性（圖2），即 CRI越低，CSR越高［3］.這是因?yàn)?，高溫下焦炭與CO2發(fā)生碳溶反應(yīng)，氣孔壁結(jié)構(gòu)遭到破壞，容易粉碎和粉化，強(qiáng)度變差，無(wú)法起到料柱骨架的支撐作用.因此，降低CRI、提高CSR，改善高溫性能一直是國(guó)際煉焦、煉鐵界的共識(shí).表1為國(guó)內(nèi)外有關(guān)企業(yè)的焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度指標(biāo)［7］.由表可見，多數(shù)企業(yè)要求焦炭反應(yīng)性CRI小于30%，反應(yīng)后強(qiáng)度CSR大于60%.

圖2 焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系Fig.2 Relationship between CRIand CSR

表1 國(guó)內(nèi)外一些企業(yè)的焦炭反應(yīng)性CRI和反應(yīng)后強(qiáng)度指標(biāo)CSRTable 1 Requirement of CRIand CSR in some plants%

從數(shù)據(jù)來(lái)看，提高焦炭反應(yīng)性與保證焦炭強(qiáng)度的要求是相互矛盾的.焦炭具有較好的反應(yīng)性，則FeO越易被還原，有利于減少燃料消耗.但焦炭反應(yīng)性越好，反應(yīng)后強(qiáng)度CSR越差.為保證焦炭具有足夠的反應(yīng)后強(qiáng)度，很多企業(yè)將焦炭反應(yīng)性CRI小于30%作為焦炭質(zhì)量的控制指標(biāo).

然而，我國(guó)新疆八鋼高爐長(zhǎng)期以來(lái)使用高反應(yīng)性的焦炭進(jìn)行冶煉.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)得該焦炭反應(yīng)性高達(dá)50% ～60%，反應(yīng)后強(qiáng)度CSR僅為20% ～30%，.按照傳統(tǒng)觀點(diǎn)，這種焦炭在爐內(nèi)很快氣化，焦炭易破碎粉化影響料柱透氣性，高爐生產(chǎn)難以進(jìn)行.然而，八鋼2 500 m3高爐生產(chǎn)基本穩(wěn)定，利用系數(shù)不高但保持在2.0 t/（m3·d）左右，焦比約420 kg/t·HM，煤比約120 kg/t·HM.顯然，現(xiàn)有檢測(cè)方法不能全面反映焦炭在爐內(nèi)的實(shí)際變化.

2 焦炭合理反應(yīng)性指標(biāo)的分析

2.1 焦炭碳溶反應(yīng)分析

在高爐中，碳溶反應(yīng)程度（也可理解為焦炭消耗量）與溫度、氣氛以及焦炭自身性質(zhì)有關(guān).根據(jù)煤氣成分和溫度變化（圖3），可將焦炭在高爐爐身區(qū)域的消耗情況分為兩類:

（1）在爐身上部塊狀帶區(qū)域，爐料被上升煤氣迅速加熱，溫度低于900℃;由于溫度較低，焦炭碳溶反應(yīng)可以進(jìn)行，但消耗焦炭量有限.

（2）在爐身中下部，即熱保存帶（Thermal reserve zone）中，是焦炭發(fā)生碳溶反應(yīng)的主要區(qū)域.爐內(nèi)氣氛由FeO還原的熱力學(xué)平衡條件決定，鐵氧化物被還原，其中的氧最終與碳結(jié)合為CO或CO2.碳溶反應(yīng)和FeO被還原為Fe的反應(yīng)互相促進(jìn)，并決定了高爐爐身的反應(yīng)效率.

在實(shí)際高爐生產(chǎn)中，碳溶反應(yīng)消耗的焦炭量基本是一定的，大約占焦炭總量的25% ～30%;另外，約有5%的焦炭用于還原鐵以外的氧化物，約5%用于熔融鐵滲碳;其余55% ～70%在高爐下部燃燒，供給高爐熱量、產(chǎn)生還原煤氣.

瑞典LKAB公司在容積為8.2 m3的高爐進(jìn)行了試驗(yàn)［8］:分別裝入反應(yīng)性 CRI為 19.9% ～38.2%的焦炭進(jìn)行冶煉并取樣分析，結(jié)果表明，不同焦炭在爐內(nèi)的反應(yīng)量幾乎相同.

根據(jù)上述分析，新疆八鋼焦炭測(cè)得焦炭反應(yīng)性高達(dá)50%以上，但實(shí)際在碳溶反應(yīng)消耗的焦炭量?jī)H為一半左右，實(shí)際焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度也不會(huì)下降到20%.這是八鋼高爐盡管生產(chǎn)指標(biāo)偏低，但還能穩(wěn)定生產(chǎn)的原因.

綜上分析，現(xiàn)有評(píng)價(jià)焦炭熱強(qiáng)度的方法并未考慮高爐內(nèi)碳溶反應(yīng)焦炭量消耗有限的前提，因

圖3 高爐中煤氣成分和溫度變化示意圖Fig.3 Scheme of temperature distribution of gas along the height of the blast furnace

2.2 質(zhì)量檢測(cè)方法的探討

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度試驗(yàn)方法”（GB－T 4000－2008）規(guī)定了焦炭熱強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)定方法:稱取一定質(zhì)量的焦炭試樣置于反應(yīng)器中，在1 100±5℃時(shí)與二氧化碳反應(yīng)2 h后，以焦炭質(zhì)量損失的百分?jǐn)?shù)表示焦炭反應(yīng)性（CRI%）.反應(yīng)后的焦炭經(jīng)I型轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，大于10 mm粒級(jí)焦炭占反應(yīng)后焦炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR%）.

在國(guó)標(biāo)規(guī)定條件下，焦炭反應(yīng)性不同，碳溶反應(yīng)消耗的焦炭量顯然不同，因而反應(yīng)后強(qiáng)度也呈現(xiàn)較大差異.圖2所示的CSR和CSI的關(guān)系正是反映了這一規(guī)律.但是，如前所述，高爐爐身熱保存帶段的煤氣組成由FeO的還原反應(yīng)決定，而不是100% 的CO2;并且焦炭消耗量不應(yīng)超過(guò)40%～50%.所以圖2中高反應(yīng)性區(qū)的數(shù)據(jù)在實(shí)際高爐中并不一定存在，只是實(shí)驗(yàn)室測(cè)得結(jié)果.試驗(yàn)中焦炭過(guò)度反應(yīng)，使原本滿足可需要的焦炭CSR指標(biāo)大幅下降.

由此可見，測(cè)定方法中反應(yīng)氣組成和流量不當(dāng)，會(huì)對(duì)焦炭熱強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生很大影響.要準(zhǔn)確評(píng)價(jià)焦炭的熱強(qiáng)度指標(biāo)，可通過(guò)下述途徑進(jìn)行調(diào)整:

（1）改變反應(yīng)氣組成.減小GB－T 4000－2008所規(guī)定的CO2流量，或是保持通入氣體流量不變，組成變?yōu)閜（CO2）/p（CO）=1/2的混合氣體，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到2 h后通入氮?dú)?

（2）反應(yīng)氣組成不變，實(shí)時(shí)測(cè)定裝入焦炭的失重情況，取失重達(dá)到某一限度的時(shí)間為反應(yīng)時(shí)間.例如，當(dāng)失重超過(guò)30%時(shí)（反應(yīng)時(shí)間＜2 h），立即通入氮?dú)?如果2 h內(nèi)焦炭失重仍低于30%，則取2 h為反應(yīng)時(shí)間.

試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定反應(yīng)后焦炭失重，計(jì)算轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)大于10 mm粒級(jí)焦炭所占的百分比，得到CSR和CSI指標(biāo).

上述調(diào)整可避免焦炭反應(yīng)過(guò)度的情況.與現(xiàn)有國(guó)標(biāo)方法比較，其測(cè)定結(jié)果應(yīng)更接近爐內(nèi)焦炭消耗的規(guī)律，避免對(duì)焦炭反應(yīng)性的過(guò)度要求，從而確定高爐冶煉對(duì)焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度的合理指標(biāo).

由于焦炭生產(chǎn)對(duì)煤資源的要求非?？量?，需要配用一定量的主焦煤以生產(chǎn)高強(qiáng)度、低反應(yīng)性的焦炭.在滿足強(qiáng)度要求前提下，焦炭反應(yīng)性適當(dāng)提高，有利于擴(kuò)大煉焦用煤資源.此外，還有利于降低高爐燃耗，減少CO2的排放.因此，有必要展開深入研究，盡快確定合理的焦炭熱強(qiáng)度檢測(cè)方法.

3 結(jié)論

通過(guò)分析焦炭在高爐冶煉中的作用和消耗機(jī)理，探討現(xiàn)有焦炭熱強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)存在的問題，得出如下結(jié)論:

（1）隨著高爐焦比下降，焦炭保持爐內(nèi)透氣透液性的作用更加突出.因此，當(dāng)前焦炭生產(chǎn)以獲得高強(qiáng)度的焦炭（包括冷強(qiáng)度和熱強(qiáng)度）為主要目標(biāo).由于焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度與反應(yīng)性指標(biāo)有較好的負(fù)相關(guān)性，焦炭低反應(yīng)性、高反應(yīng)強(qiáng)度成為國(guó)際煉焦、煉鐵界的共識(shí).

（2）高爐爐身焦炭消耗量應(yīng)與鐵礦石直接還原度相關(guān).一定操作條件下，高爐直接還原度是相對(duì)穩(wěn)定的，故爐身消耗焦炭量也應(yīng)該是比較穩(wěn)定的.現(xiàn)有評(píng)價(jià)高爐焦炭熱強(qiáng)度的方法存在過(guò)度反應(yīng)的問題，不能全面反映焦炭在爐內(nèi)的強(qiáng)度變化規(guī)律.

（3）為避免焦炭反應(yīng)過(guò)度，應(yīng)調(diào)整測(cè)定焦炭熱強(qiáng)度指標(biāo)的方法，如改變反應(yīng)氣組成或根據(jù)焦炭失重確定反應(yīng)時(shí)間，使其測(cè)定結(jié)果更接近實(shí)際焦炭消耗的規(guī)律.確定評(píng)價(jià)焦炭熱強(qiáng)度指標(biāo)的科學(xué)測(cè)定方案對(duì)擴(kuò)大煉焦用煤資源、促進(jìn)高爐降低燃耗都具有積極意義.

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Thermal strength requirement and testing method for blast furnace coke

WEIGuo，SHEN Feng－man，DU Gang，DU He－gui
（School of M aterialsand Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China）

The BF ironmaking processusually requirescoke has low reactivity and higher strength after reaction，but it isunfavorable to improve efficiency of blast furnace reaction while coke has reactivity is too low.The consumption mechanism of coke in blast furnace was analyzed in this paper;the results show that the coke consumption in shaft directly related w ith the degree of direct reduction，and the consumption quantity is stable，so the existing evaluation method for coke thermal strength is inappropriate.In order to avoid coke overreacted，the evaluation method should be adjusted，such as change the atmosphere or determ ine testing time according to coke weight lost，thus the determ ination resultswould be reasonable and corresponded w ith factsof coke consumption in blast furnace.

blast furnace;coke;CRI;CSR;carbon solution loss reaction

TF 526

A

1671－6620（2011）04－0237－04

2011－09－10.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 （51074206）.

魏國(guó) （1974—），男，河南項(xiàng)城人，東北大學(xué)副教授，E－mail:weig@smm.neu.edu.cn.