八鋼2500m3高爐冶金焦應用性能的研究

杜生強

（寶鋼集團八鋼公司煉鐵分公司）

1 前言

八鋼焦化煉焦煤所用煤種中，艾礦煤是煉焦原料的主流煤種，其熱態(tài)性能偏差，其焦炭的反應性高，反應強度偏低，超出一般鋼廠高爐焦的使用范圍。八鋼煉鐵多年的生產實踐表明，采用反應后強度僅為30%～40%的焦炭仍能滿足大型高爐生產需求。文章介紹了在1350℃高爐軟熔帶溫度下研究八鋼焦炭與CO2的反應性和反應后強度，以深入探究國標焦炭反應性能與高溫反應性能的區(qū)別及其它冶金焦炭的性能。

2 40kg實驗焦爐煉制焦炭1350℃熱性質

八鋼煉焦用單種煤煤質指標見表1。

表1 單種煤煤質指標 %

2.1 單種煤40kg焦爐煉別焦炭的1350℃熱性質

焦炭的高溫反應實驗條件為在反應爐溫度達到800℃時通入 CO262L/h、N2200L/h，當爐溫達到1350℃時再通入CO2232L/h、N230L/h，然后進行焦炭與二氧化碳反應30min，之后用氮氣冷卻。

八鋼用單種煤在40kg實驗焦爐所煉焦炭的1100℃國標熱態(tài)性能結果較差，特別是疆內單種煤焦炭的CSR較低。對單種煤40kg實驗焦爐所煉焦炭1350℃條件下高爐軟熔帶氣體組成進行的熱態(tài)性能進行研究，結果見表2。

表2 單種煤及生產配比煤焦炭的高溫1350℃熱態(tài)性能

由表2可見，八鋼用疆內煤所煉焦炭在高溫1350℃熱態(tài)性能與國標焦炭高溫熱性能的數(shù)值截然不同。當采用1350℃時，以高爐模擬氣氛進行反應性和反應后強度實驗時，所獲得的焦炭熱態(tài)性能相對較高，1890煤焦炭的 CRI*為 30.9%，CSR*為67.4%，其與蒙古主焦煤CSR*67.8%相近；1930煤和2130煤所煉焦炭分別為CSR*61.6%和60.0%，但其CSR*高于清河蒙古煤1350℃的焦炭性能，其CSR*為55.6%。因此，從1890煤的高溫熱強度看，其值與蒙古主焦煤相當，其高溫熱反應性CRI*與2130煤、拜城14煤相當。因此，單種煤焦炭的高溫1350℃熱態(tài)性能與國標反應性有較大的差異，而高溫1350℃焦炭的性能更能表征八鋼在焦炭的高爐軟熔帶所處環(huán)境下所受到的影響和作用。

2.2 配合煤40kg焦爐所煉焦炭的1350℃熱性質

為進一步分析配煤結構對焦炭高溫1350℃熱態(tài)性能的影響，對不同配煤結構的實驗焦爐所煉焦炭進行了高溫熱態(tài)性能研究，探尋艾礦煤、拜城煤及蒙古煤配入不同比例時焦炭的熱態(tài)行為，為八鋼大型焦爐穩(wěn)定生產需要的配煤結構提供技術支持。實驗針對不同配煤方案進行了焦炭的高溫1350℃熱態(tài)性能研究，結果見表3。

表3 八鋼煉焦煤40kg實驗配合煤配比及焦炭1350℃熱態(tài)性能

由表3可見，不同配煤結構對應的焦炭高溫1350℃熱態(tài)性能普遍較高，說明八鋼配煤煉焦的基礎煤種性能良好。其中XJ-8配煤結構與八鋼大焦爐生產配煤結構相近。

3 焦炭1350℃熱態(tài)性能及微結構比較

將八鋼生產焦炭與典型鋼廠1350℃熱態(tài)性能及焦炭結構進行對比分析

3.1 1350℃的熱態(tài)性能對比

由表4和圖1可見，盡管八鋼焦炭的國標熱態(tài)性能指標偏差，但在高溫1350℃熱態(tài)性能和分別為23.6%和68.6%，僅低于TG焦炭高溫熱強度1.8%，且比AG的略高。但與TG的19.9%和仍有差距。從圖1八鋼焦炭與其他兩個鋼廠AG和TG焦炭的高溫熱失重速率看，八鋼焦炭與其他兩個比較，焦炭的熱失重速率基本相當。因此，該實驗焦炭反應特性方面反映了八鋼煉焦煤所煉焦炭的獨有特性，是支撐大型2500m3高爐穩(wěn)定生產操作的重要依據(jù)。

表4 八鋼煉焦煤40kg實驗配合煤焦炭1350℃熱態(tài)性能

3.2 1350℃處理后焦炭XRD分析

為進一步剖析八鋼焦炭的微觀結構性能，采用荷蘭帕納科公司X'PertPowde的XRD分析儀對焦炭進行了分析研究。實驗條件為Cu靶，管壓40kV，管流40mA， 步 進 式 掃 描 ，Step size=0.013° Time per step=5s，掃描范圍5°～90°。分析結果見表5和圖2。

圖1 八鋼BG焦炭與AG、TG焦炭在1350℃與CO2動態(tài)反應性能

表5 八鋼BG、AG及TG鋼廠生產焦炭的XRD分析結果

圖2 八鋼BG、AG及TG鋼廠生產焦炭的XRD譜圖

從XRD衍射數(shù)據(jù)可以看出，八鋼生產焦炭（BG）經過高溫1350℃熱處理后，AG和TG兩個鋼廠焦炭的Lc分別為1.1930nm和1.4555nm，而BG焦炭在1350℃只有0.2132nm，AG和TG兩個鋼廠焦炭微晶碳層厚度分別是八鋼焦炭的的6和6.8倍；同時，焦炭經過高溫1350℃熱處理后，八鋼BG生產焦炭的值為3.2488，其值高于AG焦炭值（1.6260nm），低于TG 焦炭值（4.7773nm）。可以看出，高溫情況下，微晶結構都發(fā)生變化，趨于結構穩(wěn)定化，并且八鋼焦炭結構寬度最明顯。

3.3 1350℃處理后Laman光譜分析

為進一步掌握焦炭在生產條件下及高爐軟熔帶操作過程中碳的微觀結構變化規(guī)律，實驗研究了焦炭的Laman光譜分析。實驗采用法國Jobin Yvon公司LabRAM XploRA分析儀，Grating:1200gr/mm，ND Filter:10%，試樣粒度小于300μm。實驗研究了八鋼生產焦炭與典型鋼廠焦炭的Laman光譜，結果見表6，圖 3～ 圖 5。

表6 八鋼焦炭與AG、TG焦炭激光拉曼光譜分析結果

圖3 新疆生產焦炭的拉曼光譜

圖4 AG生產焦炭的拉曼光譜

圖5 AG廠生產焦炭的拉曼光譜圖

由表6可知，八鋼生產焦炭XJ的ID/IG（峰強比）為1.03，其值低于AG鋼廠生產焦炭1.13的峰強比，與TG鋼廠焦炭1.05的峰強比相近，八鋼生產焦炭的碳微晶結構缺陷接近TG鋼廠焦炭，好于AG鋼廠焦炭，但將焦炭經過1350℃熱處理后，八鋼生產焦炭XJ的峰強比減少到0.95，其經高溫處理后所表現(xiàn)的碳結構缺陷有所減少，但其值仍高于AG鋼廠焦炭0.92的峰強比，也比TG鋼廠生產焦炭的0.87高出近11.4%。

八鋼、AG鋼廠和TG鋼廠焦炭的峰面積比AD/AG和半高寬WD/WG都可以得到上述相同的結論。

4 焦炭的常溫和高溫抗壓性能研究

焦炭在高爐中需要承受高溫炭素溶解損失反應，特別是軟熔帶的碳素溶解對焦炭劣化影響更為重要。由高爐爐料結構特性可知，焦炭在高爐中還要承受高溫負荷作用，特別是1350℃軟熔帶時焦炭的負荷。為此，特別研究了焦炭在高溫和常溫條件下的抗壓強度及抗壓模量變化，結果見表7。

表7 八鋼焦炭與AG、TG鋼廠焦炭抗壓性能對比

由表7可見，在常溫下八鋼生產焦炭的抗壓強度為12.30 MPa，分別比AG和TG鋼廠焦炭低3.70 MPa和4.50 MPa，相對低30.1%和36.6%；八鋼生產焦炭在高溫1350℃時，其抗壓強度增加到17.2 MPa，僅比AG和TG鋼廠焦炭在同樣溫度下低2.2MPa和6.7MP，相對低12.8%和38.9%?？梢?，八鋼焦炭在高溫1350℃條件下的抗壓強度與AG焦炭的抗壓強度接近，與TG焦炭的高溫抗壓強度有較大的差距。

八鋼焦炭在常溫條件下的抗壓模量為111.5 MPa，比AG廠和TG廠焦炭抗壓模量分別低116.5 MPa和18.3 MPa，因此八鋼焦炭在常溫條件下的抗壓模量只有AG廠的48.9%，是TG廠的85.9%。但八鋼焦炭在高溫1350℃條件下的抗壓模量為128.0 MPa，其與AG廠焦炭的抗壓模量125.1 MPa相當，比TG廠焦炭抗壓模量200.0 MPa低72MPa。因此，八鋼生產的焦炭高溫抗壓模量較低，與AG廠的2500m3高爐用焦相近。高溫條件下，BG焦炭抗壓性能改善明顯。

5 結論

通過八鋼焦化與生產焦炭用于2500m3高爐的生產實踐與理論以及試驗研究分析，經過反復論證，對八鋼煉焦用煤及焦炭有了進一步認識，得出以下結論：

（1）艾礦煤及其它新疆煉焦煤生產出來的焦炭可以滿足2500m3大型高爐煉鐵需求，實現(xiàn)八鋼的經濟煉鐵，并能夠長期穩(wěn)定生產。

（2）通過充分論證得出，現(xiàn)有國標熱態(tài)性能測試方法對八鋼生產焦炭的應用有一定的局限性，不能充分表明焦炭在高爐內的熱狀態(tài)及熱過程。在較高的反應溫度條件下，才能夠較客觀評價焦炭的熱態(tài)性能，特別是1890煤焦炭的CSR*為67.4%，這是八鋼焦炭支撐2500m3高爐穩(wěn)定生產的重要依據(jù)。

（3）八鋼生產焦炭經過高溫1350℃熱處理后，石墨化程度得到了較大的提高，并且碳結構缺陷有所減少。

（4）八鋼焦炭抗壓性能較好，尤其在高溫條件下，常規(guī)裝置檢測不易碎裂，對高爐的生產有很大的指導意義，該指標將作為八鋼焦炭質量的補充評價因素。