淺談冶金焦炭熱態(tài)性能的再認識范文

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摘要:通過冶金焦炭在高爐內(nèi)不同區(qū)域行為的深入探析，闡述了對冶金焦炭熱態(tài)性能新的認識和思考，指出了目前反應性和反應后強度檢測方法對高爐模擬性的偏離。探討更加合理的檢測方法，以穩(wěn)定高爐的操作，合理管控焦炭質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:冶金焦炭;反應性;反應后強度;高爐冶煉

冶金焦炭在高爐中具有熱源、還原劑、滲透劑和料柱骨架等作用，焦炭中低于1%的碳隨高爐煤氣逸出，其余全部消耗在高爐中，大致比例為風口燃燒55%～65%，料線與風口間碳熔反應25%～35%，生鐵滲透7%～10%，其他元素還原反應及損失2%～3%［1］。近年來隨著高爐冶煉技術(shù)的發(fā)展，特別是高爐容積大型化、高風溫技術(shù)以及鼓風富氧噴煤技術(shù)的迅猛發(fā)展，焦炭作為高爐內(nèi)料柱骨架，保證爐內(nèi)透氣、透液的作用更為突出［2］。焦炭質(zhì)量特別是焦炭CRI及CSR對高爐冶煉有極大的影響，成為限制高爐穩(wěn)定、均衡、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)鐵水的關(guān)鍵性因素。冶金焦炭的常規(guī)性能指標(水分、灰分、硫分、M40、M10等)對高爐的影響人們的認識趨于一致。但是冶金焦炭的CRI、CSR以及在高爐冶煉過程中的行為和作用還未能得到清晰和一致的認識，其原因在于高爐冶煉行為的復雜性和冶金焦炭CRI和CSR檢測與高爐模擬性的偏離。科學認識焦炭在高爐中的行為及變化狀態(tài)，對高爐的穩(wěn)定操作及焦炭質(zhì)量的管控都具有十分重要的意義。

1焦炭在高爐內(nèi)的行為

高爐實質(zhì)上是散料床組成的豎爐反應器和熱交換器。焦炭和散裝含鐵爐料從豎爐頂部裝入，熱風從豎爐下部的風口吹進，使焦炭燃燒，產(chǎn)生的熱量和熱還原性氣體使鐵氧化物的還原過程逆向進行。液態(tài)的金屬鐵和爐渣按密度的不同分離并從豎爐底部排出，產(chǎn)生的煤氣從豎爐頂部排出［3］。高爐結(jié)構(gòu)由上至下分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹和爐缸5段。根據(jù)溫度和物料狀態(tài)的不同，高爐內(nèi)的物質(zhì)流可分為塊狀帶、軟熔帶、滴落帶和風口回旋區(qū)。高爐塊狀帶溫度低于1000℃，焦炭在下降過程中受到機械力的作用，塊度略降低，穩(wěn)定性相對增加。在800～1000℃碳熔反應開始發(fā)生，但反應程度較低，對焦炭質(zhì)量影響不大。焦炭的損失一般不超過10%，塊度直徑大致平均減少1～2mm［4］，由此說明熄焦后的焦炭消除了宏觀裂紋，進入高爐后焦炭不應受沖擊或受壓而碎裂。塊度減小的原因主要是由于在高爐軟熔帶以上，焦塊受壓和摩擦擠壓等原因所致。焦炭在塊狀帶灰分和灰成分顯著增加，其原因是焦炭在爐身下落過程中會與鐵礦石以及高爐爐料中的Zn、S和K、Na等堿金屬循環(huán)富集所產(chǎn)生的灰塵接觸，這些附著的粉塵不僅僅是反應物，還是焦炭氣化反應的主要催化劑。表1［5］為國外研究機構(gòu)從不同高爐塊狀帶取樣檢測的焦炭灰分及灰成分分析。焦炭和含鐵爐料在塊狀帶內(nèi)停留的時間為3～5h［5］，主要取決于高爐的利用系數(shù)。

高爐軟熔帶處于爐腰和爐腹處，反應溫度為900～1300℃，由于溫度和氣流分布的關(guān)系使軟熔帶通常形成倒V字形。此處為堿富集區(qū)，碳熔反應劇烈，焦炭的損失可達到30%～40%［6］，焦炭結(jié)構(gòu)受到破壞，塊度急劇下降，耐磨強度顯著降低。在軟熔帶爐料開始軟化變形，產(chǎn)生軟熔物質(zhì)并粘結(jié)在一起，要保持一定厚度的焦炭層起到疏松和氣流通暢作用，因此焦炭的CSR對高爐軟熔帶有著重要作用。軟熔帶焦炭氣化的程度受到含鐵粉塵粘附及堿金屬的影響，加劇了焦炭表面擴散控制。軟熔帶內(nèi)焦炭和礦石等爐料停留的時間相對較短，一般為0．5～1h，主要取決于礦石的軟熔特性。軟熔帶下部是滴落帶，焦炭處于1350℃以上，此時碳熔反應已經(jīng)減弱，對焦炭的破壞主要來自于不斷滴落的液渣和液鐵的沖刷以及對液鐵的滲碳作用。此處的焦炭已是爐料中唯一的固相物質(zhì)，保持著一定的強度和塊度，保證高爐有一定的透氣性和氣流分配以及透液渣和液鐵的作用。在高爐下部熱空氣由風口鼓入后，形成一個略向上翹起的袋狀空腔(風口回旋區(qū))。焦炭在此處承受2000℃以上的高溫和快速旋風的撞擊作用，并發(fā)生劇烈的燃燒，為高爐提供熱量和還原性氣體CO。由于高風溫和富氧噴煤技術(shù)的發(fā)展，風口焦的劣化和粉化都較為劇烈。風口區(qū)2000℃以上的高溫，焦炭的灰成分已分解，焦炭的石墨化程度提高，由此強度變得很差，焦炭自進入高爐直至風口區(qū)歷經(jīng)各種熱力和化學過程，因此焦炭保持一定的強度及塊度是高爐穩(wěn)定操作的基礎(chǔ)條件和核心要素。

2CRI和CSR檢測指標

2．1焦炭CRI和CSR在高爐的應用

低CRI和高CSR有利于高爐冶煉。焦炭的CRI低，反應開始溫度高，可使高爐內(nèi)間接還原區(qū)擴大，有助于間接還原的發(fā)展。由于直接還原降低，焦炭的熔損率下降，CSR提高，有利于高爐的透氣性和渣鐵的滲透。同時，焦炭的CRI和可燃性越低，則其在風口的反應性越慢，風口前形成的焦炭燃燒區(qū)的橫斷面積大，可使爐料的下降運動更均勻。如果焦炭的CRI高，反應開始溫度低，則焦炭在較低的溫度下就與CO2反應生成CO，生成的CO還來不及與鐵礦石還原就隨高爐煤氣逸出爐外，造成資源浪費［7］。研究表明，焦炭的CRI每提高1%，焦比增加1kg，CO利用率降低0．5%［8］。日本新日鐵在20世紀80年代研究并報道了其在3座高爐上進行的CSR與高爐操作參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)CSR小于55．5%～57．5%時，高爐透氣性阻力增大很多。隨著焦炭CSR下降，風口處破損增加，高爐熱效率降低。為了使高爐透氣性最佳，并降低風口破碎率，認為焦炭CSR應大于57%。據(jù)報道，焦炭CSR小于57%時，高爐操作極不穩(wěn)定，導致爐料分布和煤氣流分布無規(guī)律，限制了高爐利用系數(shù)的提高。進一步研究表明，與CSR從30%提高到60%相比，CSR從60%提高到65%時效果趨緩［9］。高爐透氣性主要取決于焦炭熱態(tài)強度，焦炭CSR提高和CRI降低可有效減少爐內(nèi)焦炭的粉末量。隨著CSR從55%提高到67%，煤比可從120～140kg/t增加到150～180kg/t，總?cè)剂媳葟?00～510kg/t降低到470～490kg/t。焦炭CRI和CSR兩者之間具有良好的負相關(guān)性，可作為分析和判斷高爐料柱透氣性、透液性和爐況順行的重要依據(jù)，也可改進煉焦技術(shù)。

2．2對焦炭CRI和CSR的思考

當前冶煉條件先進的大型高爐(2500m3以上)、高風溫技術(shù)以及鼓風富氧噴煤技術(shù)廣泛應用，爐身的工作效率已達到90%以上，高爐內(nèi)焦炭的熔損率通常保持在25%左右，因此用反應性的高低去衡量焦炭在高爐內(nèi)的強度值得商榷。同時高爐內(nèi)堿金屬循環(huán)富集、氣體成分復雜變化以及滴落帶、風口區(qū)高溫都對焦炭產(chǎn)生復雜的影響，使得目前焦炭熱態(tài)性能評價指標與高爐模擬性產(chǎn)生了一定的偏離，對此也進行了一定程度的研究。

2．2．1高反應性焦炭通過提高焦炭CRI來降低高爐熱儲備區(qū)的溫度，使得實際氣氛中的CO2含量與浮氏體還原平衡點的CO2含量之差增大，可使還原反應的驅(qū)動力增強［10］。在當前高爐綜合操作技術(shù)的進步與發(fā)展以及鐵礦石具有良好還原性的條件下，利用高反應性焦炭完全可以取得較好的冶煉效果。研究認為［11］高爐內(nèi)的溫度分布存在一個自動調(diào)節(jié)過程，即高爐內(nèi)熱量分布與直接還原和間接還原是相互制約、互成比例的，通常不會發(fā)生變化。

2．2．2焦炭CRI和CSR對高爐模擬性的思考現(xiàn)行焦炭CRI和CSR的檢測是在無堿金屬條件下進行的，而實際堿金屬對焦炭熱性能指標的影響是很大的。高爐生產(chǎn)中堿金屬會在高爐中逐漸積聚，達到一定含量后高爐循環(huán)堿處于平衡狀態(tài)，超量的堿金屬才會逐漸隨爐渣排出，因此高爐內(nèi)會存在不同程度的堿負荷，國內(nèi)高爐的堿負荷一般在5．5～9kg/t。高爐內(nèi)堿金屬對焦炭熔損反應有較強的催化作用，使得焦炭的CRI大幅提高，CSR降低;同時使CO2對焦炭顯微結(jié)構(gòu)的反應速度序列逆轉(zhuǎn)，在高溫循環(huán)堿侵蝕的條件下，焦炭顯微結(jié)構(gòu)中各向同性結(jié)構(gòu)比各向異性結(jié)構(gòu)抗高溫堿侵蝕的能力強。現(xiàn)行焦炭CRI及CSR的檢測是在1100℃與CO2(5L/min)反應2h。焦炭在高爐軟熔帶反應溫度900～1300℃，碳熔反應劇烈，焦炭的損失率高。滴落帶焦炭處于1350℃以上，風口前和爐缸溫度為1500℃左右，焦炭經(jīng)歷進一步高溫受熱，熱性質(zhì)發(fā)生不斷變化。在高溫作用下焦塊表面和中心的溫度梯度會產(chǎn)生巨大的熱應力，使得焦炭產(chǎn)生較多的微裂紋。由此可見，在高溫受熱過程中，焦炭的組成和結(jié)構(gòu)變化以及熱應力作用對焦炭的劣化機理與熔損反應對焦炭的劣化機理完全不同。高爐內(nèi)不同溫度區(qū)域的CO2的濃度不都是100%，差別很大，同時各溫度區(qū)域的升溫速度也不盡相同，這些對焦炭在高爐中的熔損反應也會產(chǎn)生不同影響。綜上所述，焦炭CRI及CSR對焦炭在高爐中的模擬性并不十分理想。

3結(jié)語

1)通過分析高爐的生產(chǎn)運行特別是物質(zhì)流(焦炭、礦石及熔渣劑)在高爐中的行為作用，對配煤研究和冶金焦炭的冶煉及性質(zhì)指標、高爐穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)及長壽化攻關(guān)等方面都具有推動和指導意義。2)焦炭CRI和CSR在高爐運行中模擬性仍不理想，存在無堿條件、反應溫度、CO2濃度等問題。基于焦炭CRI和CSR指標對指導煉焦生產(chǎn)以及高爐穩(wěn)定運行的重要影響和在模擬高爐熔損反應及高溫強度時的不完善，有必要對其進行完善和補充。

參考文獻

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作者：盧培山；江鑫 單位：內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司焦化廠