焦炭混合入爐研究

李金龍，方覺，張波，辛紅艷

(1.河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009;2.中鋼集團(tuán)工程設(shè)計研究院石家莊設(shè)計院，河北石家莊050021)

焦炭是高爐煉鐵的基本原料，其在高爐冶煉中起到的骨架作用是其他爐料所不能替代的，焦炭只有具有和保持足夠的強(qiáng)度才能避免在高爐內(nèi)的大量的破碎，滿足料柱透氣性的要求。但隨著煤比的提高和焦比的降低，爐內(nèi)焦炭的失碳率會隨之不斷升高，從而導(dǎo)致其強(qiáng)度不斷降低。嚴(yán)重時可造成焦炭大量破碎，從而使料柱透氣性惡化，這是進(jìn)一步降低焦比的一個重要限制性因素。解決上述問題的一個途徑是采用低反應(yīng)性、高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)焦炭。但目前我國優(yōu)質(zhì)冶金焦供應(yīng)緊張且價格昂貴。因此本文以研究不同焦炭的互補(bǔ)性為基礎(chǔ)，從互補(bǔ)性出發(fā)探討不同反應(yīng)性、不同粒度焦炭混合使用的效果和適宜的使用方式。在滿足高爐料柱強(qiáng)度的前提下，擴(kuò)大冶金焦的使用范圍。

1 焦炭的常規(guī)性檢驗(yàn)

對實(shí)驗(yàn)室具備的4種焦炭編號:J1、J2、J3、J4進(jìn)行常規(guī)性的檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 焦炭常規(guī)性質(zhì)/mass%

2 焦炭反應(yīng)性試驗(yàn)

焦炭反應(yīng)爐是本實(shí)驗(yàn)測定焦炭反應(yīng)性的儀器，它實(shí)質(zhì)是底部封閉式電阻絲加熱電爐與耐高溫合金鋼反應(yīng)器的組合，設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。嚴(yán)格按照GB/T4000-2008的試驗(yàn)要求，焦炭與CO2氣體在1100℃ ±5℃下反應(yīng)2h，CO2氣體的流速為5 L/min。反應(yīng)結(jié)束以后通入氮?dú)膺M(jìn)行冷卻并保護(hù)焦炭不與空氣中的氣體進(jìn)行反應(yīng)影響試驗(yàn)結(jié)果，反應(yīng)器中的焦炭冷卻至100℃后停止通入氮?dú)猓⒔固繌姆磻?yīng)器中倒出并稱量其重量、計算反應(yīng)性。

將經(jīng)過反應(yīng)性測定試驗(yàn)的焦炭試樣全部裝入Ι型轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，以20 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)30 min。然后從轉(zhuǎn)鼓中倒出，并用Ф10 mm圓孔篩篩分、取篩上物稱量、計算各焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度。

圖1 我國塊焦反應(yīng)性測試裝置

4種不同種焦炭進(jìn)行反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度的測定結(jié)果如表2所示。

表2 焦炭反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度/%

3 焦炭反應(yīng)性互補(bǔ)試驗(yàn)

在進(jìn)行反應(yīng)性互補(bǔ)的試驗(yàn)中，為了能夠顯示出不同焦炭之間的相互作用關(guān)系以及混合使用過程中各自的變化規(guī)律，每組試驗(yàn)盡量選擇反應(yīng)性具有較大差異的兩種焦炭。四種焦炭分成若干組，各組分別進(jìn)行檢測。

每組試驗(yàn)中的兩種焦炭各自稱量備用焦塊100 g±0.5 g。將其中的一種焦樣做好標(biāo)記(形狀不同)。試驗(yàn)按照反應(yīng)性測定的步驟操作，試驗(yàn)結(jié)束后冷卻至室溫，將兩種焦炭各自挑選出來，單獨(dú)稱量每種焦樣的質(zhì)量，并計算各自的失碳率。

配伍的參照參數(shù)是兩種焦炭的反應(yīng)性比值rA:

試驗(yàn)后得到兩種焦炭的失碳率LC1和LC2以及他們的比值rLC:

試驗(yàn)結(jié)果見表3

表3 反應(yīng)性互補(bǔ)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 混合焦炭失碳率與反應(yīng)性的關(guān)系

圖2示出了表3給出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖中橫軸表示兩種混合使用焦炭的反應(yīng)性比值rA，縱軸則表示相應(yīng)焦炭的失碳率之比rLC?？梢?，如果將兩種焦炭混合使用，反應(yīng)性高的焦炭失碳率明顯高于反應(yīng)性低的焦炭。變化趨勢大致呈一條S型曲線。為了使用方便，可近似用直線來表示:

直線的相關(guān)系數(shù)為0.91。這表明二者的線性相關(guān)性還是較強(qiáng)的。當(dāng)然，這個試驗(yàn)結(jié)果是在實(shí)驗(yàn)室條件下，使用1∶1的比例得到的結(jié)果。高爐中的實(shí)際情況可能會有所不同。不過我們可以以此為根據(jù)來定性地討論反應(yīng)性互補(bǔ)的作用。可以看出高爐內(nèi)混合使用反應(yīng)性高低不同的焦炭可在犧牲高反應(yīng)性焦炭強(qiáng)度的前提下保護(hù)低反應(yīng)性焦炭的強(qiáng)度。

小粒度焦炭具有較大的比表面積。而氣體向大粒度焦炭內(nèi)部的滲透則較為困難。因此，兩種不同粒度的焦炭混合使用時，小粒度焦的失碳率要高于大粒度焦，將較小粒度的焦炭作為下位焦或?qū)⑿×６冉固孔鳛榱＝故褂每沙浞职l(fā)揮焦炭的粒度互補(bǔ)作用。

高爐煉鐵生產(chǎn)中的位置效應(yīng)是自然存在的，由于距離氧化氣源遠(yuǎn)近不同或接觸氧化性氣體的先后而造成的失碳率方面的差別。煤氣自下而上流動，對焦炭層起作用的主要是下部礦石層產(chǎn)生的氧化性氣體，所以下部的焦炭距離氧化性氣體源較近，而上部焦炭則距離較遠(yuǎn)，因此一般意義上高爐內(nèi)下部焦炭失碳率高于上部焦炭，將高反應(yīng)性的焦炭作為下位焦使用可提高焦炭的互補(bǔ)性。

應(yīng)用焦炭的互補(bǔ)性可大大地豐富上部調(diào)劑手段。

4 不同反應(yīng)性焦炭的搭配說明

為了方便討論，根據(jù)焦炭的性質(zhì)將焦炭分為以下幾種類型:

1)低反應(yīng)性，高強(qiáng)度焦(代號LH)，例如2號焦炭;

2)低反應(yīng)性，低強(qiáng)度焦(代號LL)，例如1號焦炭;

3)高反應(yīng)性，高強(qiáng)度焦(代號HH)，例如4號焦炭;

4)高反應(yīng)性，低強(qiáng)度焦(代號HL)，例如3號焦炭。

以上所謂強(qiáng)度是指高溫反應(yīng)后抗壓強(qiáng)度。

焦炭粒度用字母B和S表示，置于代號前方。B代表大粒度，S代表小粒度。例如:

1)BLH代表大粒度低反應(yīng)性高強(qiáng)度焦炭;

2)SHL代表小粒度高反應(yīng)性低強(qiáng)度焦炭。

布料順序有混裝、下位和上位之分。此外還可與礦批混裝，例如粒焦?；煅b和粒焦使用文字說明。其他按焦炭代號順序確定。例如:

1)LH+HL代表先加一批低反應(yīng)性高強(qiáng)度焦炭，再加一批高反應(yīng)性低強(qiáng)度焦炭。即置于加號前面的焦炭先加，置于加號后面的焦炭后加;

2)BHH+BLH代表先加一批大粒度高反應(yīng)性高強(qiáng)度焦炭，再加一批大粒度低反應(yīng)性高強(qiáng)度焦炭。

爐況分為以下3種:

1)正常爐況

正常爐況指爐內(nèi)焦炭失碳率較低，具有足夠強(qiáng)度，遠(yuǎn)離大比例破碎危險的爐況;

2)危險爐況

危險爐況指爐內(nèi)焦炭失碳率已經(jīng)升高至危險的程度，焦炭面臨或接近大比例破碎的爐況;

3)失常爐況

失常爐況指焦炭已經(jīng)發(fā)生大比例破碎的爐況。

5 討論

通過以上分析我們可以得到在不同爐況條件下焦炭搭配入爐的可行方法。

1)BHL+BLH

使用兩種不同的焦炭。首先加入少量高反應(yīng)性低強(qiáng)度的保護(hù)焦，然后加入低反應(yīng)性高強(qiáng)度的主焦炭。

氧化性氣體來自于下部的礦石層。因此首先接觸處于下層的高反應(yīng)性保護(hù)焦。經(jīng)過保護(hù)焦后的煤氣中氧化性氣體量大幅度減少。因此，上層的主焦炭失碳率可大大降低。這種方式的本質(zhì)是犧牲保護(hù)焦，維護(hù)主焦炭。優(yōu)點(diǎn)是可使主焦炭脫離危險區(qū)，避免主焦炭的大比例破碎。缺點(diǎn)是必須犧牲保護(hù)焦的強(qiáng)度，因此料柱中碎焦量較大。

這種加焦方式一般用于改善危險爐況或失常爐況。

2)SLH+BLH

本質(zhì)是使用同一種焦炭，但分級入爐。將小粒度部分置于下層，大粒度部分置于上層。作用和優(yōu)缺點(diǎn)與BHL+BLH相似。

3)SHL+BLH

作用與BHL+BLH相似。由于小粒度焦炭的反應(yīng)性更高，故效果較BHL+BLH更為強(qiáng)烈。故可減少保護(hù)焦用量，從而減少料柱中的焦粉量。

4)BLH+BHL

即將大粒度低反應(yīng)性高強(qiáng)度焦炭加在下層，將大粒度高反應(yīng)性低強(qiáng)度焦炭加在上層。作用是以犧牲過剩的BLH強(qiáng)度為代價，達(dá)到提高不足的BHL強(qiáng)度的目的。因此可平衡兩種焦炭的強(qiáng)度，減少高反應(yīng)性焦炭的破損。

采用這種加料方式時應(yīng)嚴(yán)防BLH接近危險區(qū)。這種措施適用于正常爐況，用于降低粉末量，改善料柱透氣性。

5)BLH+SLH

將小粒度焦炭置于上方，使其受到大粒度焦炭的保護(hù)。作用與BLH+BHL類似，同樣僅適用于正常爐況。

6)粒焦

粒焦是將小粒度焦炭加入料批。作用與SLH+BLH類似。由于保護(hù)焦粒度更小，與礦石接觸更緊密，故效果更為強(qiáng)烈。如果使用高反應(yīng)性的粒焦，則可進(jìn)一步提高粒焦的效率。

這種措施對所有爐況均適用。

6 結(jié)論

(1)兩種焦炭混合使用，反應(yīng)性高的焦炭失碳率明顯高于反應(yīng)性低的焦炭。

(2)通過對不同焦炭反應(yīng)性互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)，我們可以得到混合焦炭失碳率與反應(yīng)性的關(guān)系曲線，可近似用直線來表示:rLC=0.38+0.61rA 相關(guān)系數(shù):r=0.91

(3)更具不同爐況條件，提供了可靠的上部調(diào)劑手段，表4是主要上部調(diào)劑手段的匯總。

表4 上部調(diào)劑措施

［1］ GB/T 4000—2008.焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度測定方法［S］.

［2］ 方覺，王杏娟，龔瑞娟，任榮霞.高爐塊狀帶焦炭強(qiáng)度模擬研究［J］.鋼鐵研究學(xué)報，2007(1):12-16.

［3］ 齊煒，郭姍姍，王利斌.焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中注意事項(xiàng)［J］.煤質(zhì)技術(shù)，2009(6):24-26.

［4］ 傅永寧.高爐焦炭［M］.北京:冶金工業(yè)出版社(1995年第一版):196-202.

［5］ W.Zhao.Analysis of Several Factors that Affect Cike Quality［J］.Value Engineering，2010(4):41.

［6］ 邵劍華，方覺，任榮霞，梁軍.高爐焦炭負(fù)荷的分布規(guī)律［J］.鋼鐵研究學(xué)報，2008(1):14-19.