焦炭在高爐中的劣化分析及其質(zhì)量要求

劉 云 仙

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

焦炭在高爐中的作用主要體現(xiàn)在提供熱源、還原劑、骨架和供碳，除焦炭的骨架作用不可替代外，其他作用均可被噴吹燃料所代替[1-3]。高爐噴吹燃料主要有煤粉、焦炭及油等，而噴吹煤粉的成本最低，因而高爐噴吹技術(shù)得以迅猛發(fā)展[4-5]。

高爐噴吹技術(shù)可減少高爐焦炭也即優(yōu)質(zhì)煉焦煤資源的消耗量，增加高爐的有效容積從而提高煉鐵產(chǎn)量[6-8]。以年產(chǎn)生鐵350萬t的高爐為例，煉鐵與焦?fàn)t孔數(shù)的組合關(guān)系如下:噴煤量(kg/t鐵)為0、50、100、150、200、250時(shí)，冶金焦量(萬t/a)分別為194.6、177.8、161.0、144.2、127.4、110.6，折全焦量(萬t/a)分別為209.25、191.18、173.12、155.05、136.09、118.92，焦?fàn)t孔數(shù)分別為213、194、176、157、139、121個(gè)，焦?fàn)t組合(座×孔)分別為4×53、4×49、4×44、3×53、3×46、3×40或2×61。當(dāng)噴煤量超過150 kg/t鐵時(shí)，相當(dāng)于可少建1座炭化室高度5.5 m的搗固焦?fàn)t。

高爐大型化、高噴煤比對焦炭質(zhì)量提出更高的、更全面的要求，焦炭質(zhì)量的優(yōu)劣對高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定順行、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量和高爐長壽至關(guān)重要，對大型高爐的順穩(wěn)影響極大。因而，結(jié)合焦炭在高爐中的劣化分析并針對焦炭性質(zhì)變化對高爐的影響以分析大型高爐對焦炭質(zhì)量的要求，以期可為現(xiàn)實(shí)大型高爐運(yùn)行提供參考價(jià)值。

1 焦炭在高爐中的劣化分析

焦炭在高爐內(nèi)下降過程中受熱應(yīng)力、機(jī)械磨損、碳素熔損反應(yīng)和鐵滲碳反應(yīng)熔蝕該4個(gè)主要的破損作用而劣化。隨著噴煤量的增長，骨架焦炭的工作條件迅速惡化[9]。

(1)熱應(yīng)力。焦炭進(jìn)入高爐后被上升煤氣加熱，由于焦炭的導(dǎo)熱性差，焦塊表面與中心就產(chǎn)生溫度差。小塊焦(40 mm)溫差可達(dá)150 ℃，大塊焦(80 mm)溫差則達(dá)到250 ℃以上。溫差造成焦塊內(nèi)產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于焦炭的強(qiáng)度時(shí)，焦炭就沿著原有的500 μm的縫隙破裂而粉碎產(chǎn)生大量焦粉。

(2)機(jī)械磨損。在熱應(yīng)力作用下，熔損反應(yīng)使焦炭成蜂窩狀，失去一定的強(qiáng)度后，快速旋轉(zhuǎn)的焦炭與相對靜止的死料柱密實(shí)區(qū)焦炭之間的磨損使燃燒帶與死料柱之間形成1個(gè)碎焦層，嚴(yán)重影響煤氣向中心分布。不同運(yùn)動速度的焦炭與爐料之間，焦炭與爐墻之間的摩擦使耐磨性能差的焦塊產(chǎn)生大量粉末，或隨煤氣進(jìn)入爐塵，或殘留在料柱，降低料柱空隙度而影響ΔP/H，特別在爐缸燃燒帶作循環(huán)運(yùn)動的焦炭與死料柱邊界焦炭之間摩擦產(chǎn)生焦粉，影響爐缸狀態(tài)及死料柱的空隙度。

(3)碳素熔損反應(yīng)。在850 ℃以上溫度后，焦炭開始與煤氣中的CO2反應(yīng)，到1 000 ℃則急劇反應(yīng)。焦炭中碳與煤氣中CO2的反應(yīng)為:C+CO2=2CO，將焦炭表面熔蝕成蜂窩狀后強(qiáng)度降低，針對CRI指標(biāo)差的焦炭，此種熔損反應(yīng)是高爐內(nèi)焦炭劣化的主要因素。特別在K2O和Na2O存在時(shí)，其成為C+CO2=2CO反應(yīng)的催化劑從而加劇焦炭的劣化，而Zn、ZnO以及初生態(tài)的Fe等均為催化劑。

(4)鐵滲碳反應(yīng)熔蝕。滴落帶中的焦炭以及爐缸中浸堆在鐵水中的焦炭受此劣化作用大，對死料柱透氣性和透液性影響嚴(yán)重，也影響爐缸鐵水環(huán)流。

焦炭在高爐內(nèi)經(jīng)歷劣化后的粒徑變化見表1。

表1 焦炭在冶金高爐內(nèi)經(jīng)歷劣化后的粒徑變化Table 1 The change of coke particle of degradation in blast furnace

采用高爐噴吹技術(shù)后，焦炭的骨架功能很重要。高爐噴煤對骨架焦炭劣化主要體現(xiàn)在焦炭在高爐內(nèi)滯留時(shí)間變長、熔損反應(yīng)增加及焦炭荷重增加3個(gè)方面。

(1)焦炭在高爐內(nèi)滯留時(shí)間變長。隨著噴煤比的增加，鼓入風(fēng)口的氧氣被煤粉消耗的比例增大，焦炭燃燒量減少，致使焦炭滯留時(shí)間增加。假定生鐵成分與直接還原度保持不變且不考慮未燃煤粉的作用，計(jì)算4 000 m3高爐不同噴煤比時(shí)焦炭在爐內(nèi)的工作條件，詳見表2。

表2 4 000 m3高爐不同噴煤比時(shí)焦炭在爐內(nèi)的變化Table 2 The changes of coke properties with coal injection ratio in 4 000 m3 blast furnace

研究表明，噴煤量由0 kg/t到100 kg/t、200 kg/t，焦炭在爐內(nèi)停留時(shí)間由6.5 h延長至9.06 h、14.92 h。

(2)焦炭熔損反應(yīng)增加。隨著焦炭滯留時(shí)間增加，受CO2沖刷時(shí)間變長，熔損率也隨之增加。隨著噴煤量增加，高爐風(fēng)口焦的粒度趨于更小，焦炭在爐內(nèi)的破碎明顯加劇，高爐噴煤比與高爐中焦炭粒度變化如圖1所示，其中△MS為入爐煤與取樣焦粒度之差。不噴煤時(shí)，焦炭熔損率為29.63%；噴吹100 kg/t煤粉時(shí)，焦炭熔損率提高到36.25%；噴吹200 kg/t煤粉時(shí)，焦炭熔損率提高到46.67%。焦炭的粒度降解達(dá)到60%～68%，高爐到達(dá)風(fēng)口前的焦炭粒度由平均50 mm～54 mm降低至平均17 mm～13.5 mm。但噴煤量增大后，未燃煤粉及H2含量均增加，可替代焦炭參加還原反應(yīng)。

圖1 高爐噴煤比與高爐中焦炭粒度變化Fig.1 The change of coke size with coal injection ratio inblast furnace

(3)焦炭荷重增加。噴煤改變高爐加入燃料的方式，煤粉從風(fēng)口噴入爐內(nèi)替代焦炭，使高爐頂部與礦石共同加入的焦炭量減少，促進(jìn)O/C比提升，大幅改變料柱結(jié)構(gòu)。隨著O/C比的大幅提升，料柱結(jié)構(gòu)中焦炭比例趨降，礦石比例陡升，基于礦石的堆密度是焦炭的3～4倍，因而焦炭備受礦石的擠壓，加劇了焦炭的破碎。焦炭承受最大壓力與焦比的關(guān)系如圖2所示[10]。料層中焦炭量減小而導(dǎo)致焦炭的負(fù)荷變高，焦炭的機(jī)械負(fù)荷也相應(yīng)增加。

圖2 焦炭承受最大壓力與焦比的關(guān)系[10]Fig.2 The relationship of coke ratio with the maximum pressure loaded on coke

某鋼鐵公司工業(yè)高爐實(shí)驗(yàn)情況見表3。結(jié)合參考文獻(xiàn)[11]分析可知，高爐富氧大煤量噴吹后，爐內(nèi)溫度分布、礦焦比、煤氣成分與流量對焦炭的熔損量和熱強(qiáng)度影響很大，煤氣中CO2和水分含量增加，因而大幅增加焦炭的熔損率和粉化程度。

表3 某鋼鐵公司工業(yè)實(shí)驗(yàn)情況Table 3 The industrial experiments in a steel companies

2 焦炭性質(zhì)變化對高爐運(yùn)行的影響

焦炭質(zhì)量直接影響入爐焦比。如鋼鐵公司5座大高爐的焦炭硫含量高達(dá)0.95%、CRI由27.8%上升到29.34%、CSR由64.3%下降至58.62%時(shí)，月均入爐焦比高達(dá)325 kg/t，燃料比由536.3 kg/t上升至568.8 kg/t。當(dāng)焦炭熱態(tài)性能轉(zhuǎn)入正常后，失常的爐況經(jīng)過1個(gè)月的調(diào)整才逐步恢復(fù)正常，充分說明焦炭的熱態(tài)性能對大高爐的正常生產(chǎn)具有決定性的作用。

焦炭提供高爐冶煉過程中所需的熱量，因而對焦炭的質(zhì)量要求是固定碳含量要高、灰分和硫分含量均低。焦炭在高爐內(nèi)放出的凈熱量，即焦炭中碳燃燒成CO放出的熱量扣除自身的灰分造渣和脫硫消耗熱量后，可提供給冶煉所需的熱量[12]。

為保證高爐中焦炭的料柱骨架作用，高爐用焦炭質(zhì)量指標(biāo)中最重要的通常是抗碎強(qiáng)度(M40)、耐磨強(qiáng)度(M10)、反應(yīng)性指數(shù)(CRI)、反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)，4個(gè)指標(biāo)中尤以M10和CSR更重要。

焦炭灰分增加1%，高爐焦比升高(5～7)kg/t，高爐產(chǎn)量降低2%～3%。焦炭硫含量每增加0.1%，高爐焦比升高(3.5～6)kg/t，高爐產(chǎn)量下降2%～3%[13]，因此冶金焦炭的灰分和硫含量應(yīng)控制在較低水平(Ad<12.5%，St,d<0.7%)。

焦炭M10每增加1%，焦比增加11.48 kg/t,燃料比增加14.75 kg/t。因而對于>1 000 m3高爐，要求M10<7%，而3 200 m3以上的大高爐M10<5.5%[14]。

噴煤量與CSR之間的關(guān)系如圖3所示。對入爐塊狀焦，要求有較低的反應(yīng)性(CRI<24%)和較高的熱強(qiáng)度(CSR>67%)。CRI每增加1%，焦比增加3.0 kg，燃料比增加3.75 kg；CSR每提高1%，焦比降低3.0 kg，燃料比降低3.54 kg[15]。

圖3 噴煤量與CSR之間的關(guān)系Fig.3 The relationship of coal injection amount with CSR

焦炭熱強(qiáng)度(CSR)與噴煤比之間的關(guān)系詳見表4，焦炭性質(zhì)對高爐噴煤的影響如圖4所示，其中重點(diǎn)探討CSR對燃料比、噴煤比、爐腹煤氣量與爐內(nèi)壓差比值的影響。高爐噴煤比與焦炭質(zhì)量之間的關(guān)系見表5。

表4 焦炭CSR與噴煤比之間的關(guān)系Table 4 The relationship of coal injection ratio with CSR

圖4 焦炭性質(zhì)對高爐噴煤的影響Fig.4 The influence of coke properties on injection of blast furnace

表5 高爐噴煤比與焦炭質(zhì)量之間的關(guān)系Table 5 The relationship of coke properties with coal injection ratio in blast furnace

3 大型高爐對焦炭質(zhì)量的要求

高爐煉鐵應(yīng)以精料為基礎(chǔ)，采用噴煤、高風(fēng)溫、高壓、富氧等技術(shù)。我國高爐大型化發(fā)展迅猛，按有效容積范圍可將高爐爐容級別分為5個(gè)等級，即1 000 m3、2 000 m3、3 000 m3、4 000 m3、5 000 m3級的每個(gè)級別代表1個(gè)高爐有效容積范圍，分別代表有效容積從1 200 m3～1 999 m3、2 000 m3～2 999 m3、3 000 m3～3 999 m3、4 000 m3～4 999 m3至5 000 m3以上范圍的高爐。不同爐容級別的高爐燃料比和焦比見表6，表中均為設(shè)計(jì)年平均值，燃料比中包括焦炭、煤粉和小塊焦且不考慮折算系數(shù)，焦比中應(yīng)含小塊焦。

表6 不同爐容級別的高爐燃料比和焦比Table 6 The fuel ratio and coke ratio in different size blast furnace

高爐噴吹用煤應(yīng)根據(jù)資源條件確定噴吹煤的質(zhì)量,不同爐容級別高爐對噴吹用煤、頂裝焦炭的質(zhì)量要求分別見表7、表8。另外，搗固焦炭配煤種類差異較大，搗固焦密度差異也較大，熱工制度不完善，生產(chǎn)出搗固焦的指標(biāo)不能完全適應(yīng)高爐生產(chǎn)的需要，故暫時(shí)未規(guī)定搗固焦的質(zhì)量要求。

表7 不同爐容級別高爐對噴吹用煤的質(zhì)量要求Table 7 The properties of injection coal in different size blast furnace

表8 不同爐容級別高爐對頂裝焦炭的質(zhì)量要求Table 8 The properties of top-charging coke in different size blast furnace

硫和磷等雜質(zhì)影響生鐵的質(zhì)量，鉀、鈉、鋅等雜質(zhì)加劇焦炭的熔損和爐底、爐體磚襯侵蝕。入爐鐵礦石、焦炭和噴吹煤中有害雜質(zhì)K2O+Na2O、Zn、Pb、As、S、Cl的質(zhì)量控制值分別為≤3.0 kg/t、≤0.15 kg/t、≤0.15 kg/t、≤0.1 kg/t、≤4.0 kg/t、≤0.6 kg/t。

在高噴煤比的情況下，焦炭質(zhì)量是高爐容積、噴煤量和爐缸狀態(tài)的決定性因素。根據(jù)焦炭在高爐內(nèi)受劣化因素破損作用的狀況，要求焦炭的質(zhì)量在冷強(qiáng)度上保證M10在7%以下，大型和特大型高爐應(yīng)再低一些(6%以下)；CSR保證在65%以上，大型和特大型高爐應(yīng)再高一些(68%以上)。

不同容積高爐使用品質(zhì)不完全相同的焦炭以適應(yīng)爐內(nèi)變化，通常對其質(zhì)量要求詳見表9，而目前對冶金焦炭的質(zhì)量要求應(yīng)嚴(yán)格按照GB/T 1996—2017中規(guī)定的灰分、硫分、機(jī)械強(qiáng)度、反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度等系列技術(shù)指標(biāo)。隨著高爐容積的增大，對焦炭質(zhì)量要求指標(biāo)就相應(yīng)越高。

表9 不同容積高爐對焦炭質(zhì)量要求Table 9 The properties of coke demanded in different size blast furnace

4 結(jié) 語

焦炭質(zhì)量的優(yōu)劣對高爐生產(chǎn)穩(wěn)定順行、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、產(chǎn)品質(zhì)量和高爐長壽至關(guān)重要，對大型高爐的順穩(wěn)影響極大。高爐大型化、高噴煤比對焦炭質(zhì)量提出了更高和更全面的要求。以上對焦炭在冶金高爐內(nèi)下降過程中受熱應(yīng)力、機(jī)械磨損、碳素熔損反應(yīng)、鐵滲碳反應(yīng)熔蝕進(jìn)行深入分析，高爐噴煤對骨架焦炭劣化主要體現(xiàn)在焦炭在高爐內(nèi)滯留時(shí)間變長、焦炭熔損反應(yīng)與焦炭荷重均增加。結(jié)合焦炭性質(zhì)變化對高爐的影響,對我國目前大型高爐對焦炭的質(zhì)量要求進(jìn)行分析，歸納不同爐容級別高爐對噴吹用煤、高爐用頂裝焦炭的質(zhì)量要求以及入爐鐵礦石、焦炭和噴吹煤中有害雜質(zhì)質(zhì)量控制值，可為大型高爐運(yùn)行提供參考。