未燃煤粉对焦炭和炉渣性能影响的实验研究

高 鹏，魏 军，李华军，安吉南，王 平，魏汝飞

(1.马鞍山钢铁股份有限公司第三炼铁总厂，安徽马鞍山243000；2.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243032)

随着高炉大型化的快速发展，富氧喷煤已成为高炉技术的发展方向之一[1-3]。我国高炉喷煤水平与发达国家尚有较大差距，因此提高我国高炉喷煤水平具有重要意义[4]。随着喷煤量的逐渐增大，高炉内未燃煤粉含量也逐渐提高，部分未燃煤粉随煤气流上升与焦炭进行气化反应，其余进入高炉渣[5-7]。进入炉渣的未燃煤粉致使炉渣黏度急剧增大，对高炉操作带来不利影响，因此解决高炉喷煤技术的关键在于研究高炉未燃煤粉对焦炭和炉渣性能的影响。

国内学者针对未燃煤粉对焦炭和炉渣性能的影响进行了大量研究，如郁庆瑶等[8]模拟宝钢喷煤比为225 kg/t产生的未燃煤粉进行研究，结果表明少量未燃煤粉可起到保护焦炭的作用；胡德生等[9]通过CO2含量和反应温度对焦炭反应性影响的实验及高炉碳的平衡计算，得出用高炉内焦炭进入风口回旋区前的失重率来评价焦炭热性能更合理；相冬文[10]研究得出未燃煤粉使炉渣黏度和熔化性温度均升高；韦欢等[11]分析了安钢喷吹煤粉的反应性以及影响其反应性的因素，结果表明未燃煤粉可减少焦炭的熔损反应，提高焦炭反应后强度；杨福等[12-14]实验研究表明未燃煤粉依附在炉渣表面，炉渣黏度随着未燃煤粉含量的增多而增大。目前对未燃煤粉的研究仅从单个影响因素的角度考虑未燃煤粉对焦炭、炉渣、CO2等的影响，未能将焦炭、炉渣、CO2等三者结合起来进行研究。基于此，笔者综合考虑以上3个因素，探讨未燃煤粉对焦炭和炉渣性能的影响，为指导高炉生产提供参考。

1 实验部分

1.1 实验原料及试样的制备

用马钢喷吹煤粉制取未燃煤粉，取马钢新干焦作为实验用焦炭，取马钢高炉现场渣作为实验用高炉渣。喷吹煤粉煤灰、焦炭及高炉渣等实验原料成分见表1～3。其中：Ad为干燥基灰分；Vd为干燥基挥发分。

表1 喷吹煤粉煤灰的成分，w/%Tab.1 Compositionofpulverizedcoalash，w/%

1.1.1 焦炭试样的制备

取20 kg焦炭，去除泡焦和炉头焦后用破碎机将其破碎成小块，筛除片状和条状，采用四分法筛选出粒度均匀的焦炭，再用砂轮机将其磨成球状，以防焦炭棱角先反应。用Φ25 mm、Φ20 mm圆孔筛筛分，取粒径为20～25 mm的试样2 kg放入烘箱，在150℃下恒温6 h后取出冷却至室温，称取(200±1)g焦炭试样用于实验。

表2 焦炭的化学成分，w/%Tab.2 Chemicalcompositionofcoke，w/%

1.1.2 未燃煤粉试样的制备

在通N2的条件下，将煤粉放入石墨坩埚后一并放入加热炉中，在1 200℃下恒温干馏1 h，即可得到未燃煤粉试样。为充分去除挥发分，减小实验误差，每次放入5 g喷吹煤粉。

表3 高炉渣的化学成分，w/%Tab.3 Chemicalcompositionofblastfurnaceslag，w/%

1.2 实验过程

1.2.1 未燃煤粉对焦炭性能影响的实验

图1 铁矿石中低温还原及焦炭反应装置Fig.1 Equipment of medium-low temperature reduction and coke reactivity of iron ore

图1为铁矿石中低温还原及焦炭反应性装置。在反应器底部铺100 mm高的铝球，称取(200±1)g焦炭试样，表面附着未燃煤粉。将附有未燃煤粉的焦炭试样放入含有高铝球的反应器中，且将筛板置于试样上。然后将反应器放入硅钼棒加热炉中，插入热电偶测量反应器中心温度。将反应器升温至1 100℃并通入流量为0.8 L/min的N2保护，到1 100℃改通流量为5 L/min的CO2，焦炭试样和未燃煤粉在1 100℃恒温反应2 h后停止加热，改流量为2 L/min的N2保护。将反应器取出炉外冷却至100℃以下，称量焦炭试样，得到反应后焦样质量。将反应后焦炭试样放入I型转鼓机内，以 20 r/min的转速转 30 min。取出焦炭且用Φ10 mm圆孔筛筛分，取Φ10 mm筛上物，记录粒径大于10 mm的试样质量。焦炭反应后强度(CRS)和焦炭反应性(CRI)是衡量焦炭性能的重要指标，根据国标GBT 4000—2008《焦炭反应性及反应后强度试验方法》计算。

1.2.2 未燃煤粉对炉渣黏度影响的实验

1)未燃煤粉的配比

根据式(1)计算冶炼每吨铁水终渣中未燃煤粉的质量。

式中：m(终渣未燃煤粉)为高炉终渣未燃煤粉的质量，kg；Q为喷煤量，kg；n为煤粉燃烧率，%；w(初渣未燃煤粉)为进入高炉初渣未燃煤粉的质量分数，40%。马钢高炉渣铁比在290～295 kg/t内，则终渣中未燃煤粉量含量为

式中：w(终渣未燃煤粉)为终渣中未燃煤粉的质量分数，%；u为高炉渣铁比，取u=290 kg/t。根据式(1)，(2)计算得到不同喷煤比下炉渣中未燃煤粉含量，具体见表4。

表4 不同喷煤比下炉渣中未燃煤粉含量Tab.4 Contentofunburnedpulverizedcoalinthe slagatdifferentcoalinjectionratioes

2)实验步骤

图2为重庆大学设计的高温熔体物性测试仪。选取0，140，160，180，200，250 kg 6种喷煤量进行实验。取120 g高炉炉渣，分别加入质量分数为0，2.41%，4.13%，6.20%，8.27%，10.86%的未燃煤粉，将两者混匀倒入石墨坩埚，坩埚随加热炉升温至1 500℃时保温0.5 h，熔化的炉渣开始随炉冷却，采用旋转柱体法测定炉渣黏度。

图2 高温熔体物性测试仪Fig.2 Tester of hightemperature melt property

2 实验结果与分析

2.1 未燃煤粉对焦炭性能的影响

未燃煤粉对焦炭性能的影响如图3。由图3可知：未加入未燃煤粉时，焦炭反应后强度为72.0%，焦炭反应性为23.5%，未加入未燃煤粉时，焦炭与高炉中的CO2进行气化反应，致使焦炭强度较低，反应性较强；未燃煤粉质量分数由0增加到9%时，焦炭反应后强度由72.0%增加到76.4%，两者基本呈线性关系，未燃煤粉代替部分焦炭与CO2进行反应且未燃煤粉的比表面积比焦炭大、气化速度比焦炭快，故焦炭强度增加；未燃煤粉质量分数由0增加到6%，焦炭反应性由23.5%降到16.1%；未燃煤粉质量分数超过6%时，焦炭反应性基本不再变化。由此表明，高炉中含少量未燃煤粉可降低焦炭反应性。因此在高炉内块状带中存在少量的未燃煤粉可减少焦炭的消耗，对焦炭起到保护作用，有利于降低焦炭的反应性。

图3 未燃煤粉含量对焦炭性能的影响Fig.3 Effect of unburned pulverized coal content on coke performance

2.2 未燃煤粉对炉渣黏度的影响

表5为炉渣中未燃煤粉质量分数为0，2.41%，4.13%，6.20%，8.27%，10.86%时各温度下的炉渣黏度。由表5可知：在1 480℃条件下，未燃煤粉质量分数由0增加到10.86%，炉渣黏度逐渐增大，表明高炉中未燃煤粉的存在对高炉顺行带来不利影响；未燃煤粉质量分数为10.86%，1 360℃炉渣黏度为1.619 Pa·s，炉渣流动性急剧恶化。未燃煤粉作为悬浮物进入高炉炉渣，未燃煤粉与高炉渣间的摩擦力增大，致使炉渣黏度增大；此外当未燃煤粉含量超过一定量时，进入炉渣的酸性物质与碱性物质相互制约，碱性物质含量大于酸性物质含量，炉渣碱度上升，也使炉渣黏度增大。

表5 不同未燃煤粉含量的炉渣黏度Tab.5 Slag viscosity of different unburned pulverized coal contents

图4为未燃煤粉含量对炉渣黏度的影响曲线。由图4可知：随着温度的升高，炉渣黏度逐渐降低，1 360℃时，6种不同配比的炉渣黏度急剧上升；未燃煤粉质量分数不超过8%时，在1 370～1 500℃范围内，炉渣黏度变化较小，因为未燃煤粉中含少量的灰分，未燃煤粉进入炉渣时，灰分也进入炉渣，灰分中含有SiO2等酸性物质，致使炉渣的碱度下降，黏度降低。因此在高炉生产中，尽量采用高温富氧的技术提高煤粉燃烧率，使进入高炉中的未燃煤粉含量降低，减少未燃煤粉对炉渣黏度的影响。

图4 未燃煤粉含量对炉渣黏度的影响Fig.4 Influence of unburned pulverized coal content on slag viscosity

3 结 论

1)高炉内块状带中存在少量的未燃煤粉可减少焦炭的消耗，对焦炭起到保护作用，降低焦炭的反应性。1 100℃，未燃煤粉质量分数由0增加到9%时，焦炭反应后强度由72.0%增加到76.4%，焦炭反应性由23.5%降低到16.1%。原因在于未燃煤粉的比表面积比焦炭大，气化速度比焦炭快，附着在焦炭表面的未燃煤粉先于焦炭与CO2进行反应，起到保护焦炭的作用。

2)高炉内未燃煤粉对炉渣黏度产生不利的影响。未燃煤粉质量分数为10.86%时，炉渣黏度急剧上升，炉渣很难流动，原因在于未燃煤粉作为悬浮物进入高炉炉渣，其与炉渣间的摩擦力增大，致使炉渣黏度增大。因此在高炉生产中，尽量采用高温富氧的技术提高煤粉燃烧率，降低进入高炉中未燃煤粉的含量，减少未燃煤粉对炉渣黏度的影响。