八钢2500m3高炉冶金焦应用性能的研究

杜生强

（宝钢集团八钢公司炼铁分公司）

1 前言

八钢焦化炼焦煤所用煤种中，艾矿煤是炼焦原料的主流煤种，其热态性能偏差，其焦炭的反应性高，反应强度偏低，超出一般钢厂高炉焦的使用范围。八钢炼铁多年的生产实践表明，采用反应后强度仅为30%～40%的焦炭仍能满足大型高炉生产需求。文章介绍了在1350℃高炉软熔带温度下研究八钢焦炭与CO2的反应性和反应后强度，以深入探究国标焦炭反应性能与高温反应性能的区别及其它冶金焦炭的性能。

2 40kg实验焦炉炼制焦炭1350℃热性质

八钢炼焦用单种煤煤质指标见表1。

表1 单种煤煤质指标 %

2.1 单种煤40kg焦炉炼别焦炭的1350℃热性质

焦炭的高温反应实验条件为在反应炉温度达到800℃时通入 CO262L/h、N2200L/h，当炉温达到1350℃时再通入CO2232L/h、N230L/h，然后进行焦炭与二氧化碳反应30min，之后用氮气冷却。

八钢用单种煤在40kg实验焦炉所炼焦炭的1100℃国标热态性能结果较差，特别是疆内单种煤焦炭的CSR较低。对单种煤40kg实验焦炉所炼焦炭1350℃条件下高炉软熔带气体组成进行的热态性能进行研究，结果见表2。

表2 单种煤及生产配比煤焦炭的高温1350℃热态性能

由表2可见，八钢用疆内煤所炼焦炭在高温1350℃热态性能与国标焦炭高温热性能的数值截然不同。当采用1350℃时，以高炉模拟气氛进行反应性和反应后强度实验时，所获得的焦炭热态性能相对较高，1890煤焦炭的 CRI*为 30.9%，CSR*为67.4%，其与蒙古主焦煤CSR*67.8%相近；1930煤和2130煤所炼焦炭分别为CSR*61.6%和60.0%，但其CSR*高于清河蒙古煤1350℃的焦炭性能，其CSR*为55.6%。因此，从1890煤的高温热强度看，其值与蒙古主焦煤相当，其高温热反应性CRI*与2130煤、拜城14煤相当。因此，单种煤焦炭的高温1350℃热态性能与国标反应性有较大的差异，而高温1350℃焦炭的性能更能表征八钢在焦炭的高炉软熔带所处环境下所受到的影响和作用。

2.2 配合煤40kg焦炉所炼焦炭的1350℃热性质

为进一步分析配煤结构对焦炭高温1350℃热态性能的影响，对不同配煤结构的实验焦炉所炼焦炭进行了高温热态性能研究，探寻艾矿煤、拜城煤及蒙古煤配入不同比例时焦炭的热态行为，为八钢大型焦炉稳定生产需要的配煤结构提供技术支持。实验针对不同配煤方案进行了焦炭的高温1350℃热态性能研究，结果见表3。

表3 八钢炼焦煤40kg实验配合煤配比及焦炭1350℃热态性能

由表3可见，不同配煤结构对应的焦炭高温1350℃热态性能普遍较高，说明八钢配煤炼焦的基础煤种性能良好。其中XJ-8配煤结构与八钢大焦炉生产配煤结构相近。

3 焦炭1350℃热态性能及微结构比较

将八钢生产焦炭与典型钢厂1350℃热态性能及焦炭结构进行对比分析

3.1 1350℃的热态性能对比

由表4和图1可见，尽管八钢焦炭的国标热态性能指标偏差，但在高温1350℃热态性能和分别为23.6%和68.6%，仅低于TG焦炭高温热强度1.8%，且比AG的略高。但与TG的19.9%和仍有差距。从图1八钢焦炭与其他两个钢厂AG和TG焦炭的高温热失重速率看，八钢焦炭与其他两个比较，焦炭的热失重速率基本相当。因此，该实验焦炭反应特性方面反映了八钢炼焦煤所炼焦炭的独有特性，是支撑大型2500m3高炉稳定生产操作的重要依据。

表4 八钢炼焦煤40kg实验配合煤焦炭1350℃热态性能

3.2 1350℃处理后焦炭XRD分析

为进一步剖析八钢焦炭的微观结构性能，采用荷兰帕纳科公司X'PertPowde的XRD分析仪对焦炭进行了分析研究。实验条件为Cu靶，管压40kV，管流40mA， 步 进 式 扫 描 ，Step size=0.013° Time per step=5s，扫描范围5°～90°。分析结果见表5和图2。

图1 八钢BG焦炭与AG、TG焦炭在1350℃与CO2动态反应性能

表5 八钢BG、AG及TG钢厂生产焦炭的XRD分析结果

图2 八钢BG、AG及TG钢厂生产焦炭的XRD谱图

从XRD衍射数据可以看出，八钢生产焦炭（BG）经过高温1350℃热处理后，AG和TG两个钢厂焦炭的Lc分别为1.1930nm和1.4555nm，而BG焦炭在1350℃只有0.2132nm，AG和TG两个钢厂焦炭微晶碳层厚度分别是八钢焦炭的的6和6.8倍；同时，焦炭经过高温1350℃热处理后，八钢BG生产焦炭的值为3.2488，其值高于AG焦炭值（1.6260nm），低于TG 焦炭值（4.7773nm）。可以看出，高温情况下，微晶结构都发生变化，趋于结构稳定化，并且八钢焦炭结构宽度最明显。

3.3 1350℃处理后Laman光谱分析

为进一步掌握焦炭在生产条件下及高炉软熔带操作过程中碳的微观结构变化规律，实验研究了焦炭的Laman光谱分析。实验采用法国Jobin Yvon公司LabRAM XploRA分析仪，Grating:1200gr/mm，ND Filter:10%，试样粒度小于300μm。实验研究了八钢生产焦炭与典型钢厂焦炭的Laman光谱，结果见表6，图 3～ 图 5。

表6 八钢焦炭与AG、TG焦炭激光拉曼光谱分析结果

图3 新疆生产焦炭的拉曼光谱

图4 AG生产焦炭的拉曼光谱

图5 AG厂生产焦炭的拉曼光谱图

由表6可知，八钢生产焦炭XJ的ID/IG（峰强比）为1.03，其值低于AG钢厂生产焦炭1.13的峰强比，与TG钢厂焦炭1.05的峰强比相近，八钢生产焦炭的碳微晶结构缺陷接近TG钢厂焦炭，好于AG钢厂焦炭，但将焦炭经过1350℃热处理后，八钢生产焦炭XJ的峰强比减少到0.95，其经高温处理后所表现的碳结构缺陷有所减少，但其值仍高于AG钢厂焦炭0.92的峰强比，也比TG钢厂生产焦炭的0.87高出近11.4%。

八钢、AG钢厂和TG钢厂焦炭的峰面积比AD/AG和半高宽WD/WG都可以得到上述相同的结论。

4 焦炭的常温和高温抗压性能研究

焦炭在高炉中需要承受高温炭素溶解损失反应，特别是软熔带的碳素溶解对焦炭劣化影响更为重要。由高炉炉料结构特性可知，焦炭在高炉中还要承受高温负荷作用，特别是1350℃软熔带时焦炭的负荷。为此，特别研究了焦炭在高温和常温条件下的抗压强度及抗压模量变化，结果见表7。

表7 八钢焦炭与AG、TG钢厂焦炭抗压性能对比

由表7可见，在常温下八钢生产焦炭的抗压强度为12.30 MPa，分别比AG和TG钢厂焦炭低3.70 MPa和4.50 MPa，相对低30.1%和36.6%；八钢生产焦炭在高温1350℃时，其抗压强度增加到17.2 MPa，仅比AG和TG钢厂焦炭在同样温度下低2.2MPa和6.7MP，相对低12.8%和38.9%。可见，八钢焦炭在高温1350℃条件下的抗压强度与AG焦炭的抗压强度接近，与TG焦炭的高温抗压强度有较大的差距。

八钢焦炭在常温条件下的抗压模量为111.5 MPa，比AG厂和TG厂焦炭抗压模量分别低116.5 MPa和18.3 MPa，因此八钢焦炭在常温条件下的抗压模量只有AG厂的48.9%，是TG厂的85.9%。但八钢焦炭在高温1350℃条件下的抗压模量为128.0 MPa，其与AG厂焦炭的抗压模量125.1 MPa相当，比TG厂焦炭抗压模量200.0 MPa低72MPa。因此，八钢生产的焦炭高温抗压模量较低，与AG厂的2500m3高炉用焦相近。高温条件下，BG焦炭抗压性能改善明显。

5 结论

通过八钢焦化与生产焦炭用于2500m3高炉的生产实践与理论以及试验研究分析，经过反复论证，对八钢炼焦用煤及焦炭有了进一步认识，得出以下结论：

（1）艾矿煤及其它新疆炼焦煤生产出来的焦炭可以满足2500m3大型高炉炼铁需求，实现八钢的经济炼铁，并能够长期稳定生产。

（2）通过充分论证得出，现有国标热态性能测试方法对八钢生产焦炭的应用有一定的局限性，不能充分表明焦炭在高炉内的热状态及热过程。在较高的反应温度条件下，才能够较客观评价焦炭的热态性能，特别是1890煤焦炭的CSR*为67.4%，这是八钢焦炭支撑2500m3高炉稳定生产的重要依据。

（3）八钢生产焦炭经过高温1350℃热处理后，石墨化程度得到了较大的提高，并且碳结构缺陷有所减少。

（4）八钢焦炭抗压性能较好，尤其在高温条件下，常规装置检测不易碎裂，对高炉的生产有很大的指导意义，该指标将作为八钢焦炭质量的补充评价因素。