分析焦炭反应性对高炉炉料熔滴性能的影响

2019-02-22王刚

中国设备工程 2019年2期

王刚

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）

在高炉应用富氧大喷煤的强化冶炼措施之后，高炉冶炼出现了一些变化，而其最大的特征就是对焦炭料柱骨架作用要求较为严格。焦炭的反应性以及反应强度是对焦炭热态性能评价的关键指标，而焦炭的反应性就是焦炭自身的化学稳定性。焦炭反应之后的强度就是焦炭在炉内的高温强度数值。对其探究分析，了解性能指标具有一定的实践价值与意义。

1 焦炭热强度与熔滴性能指标分析

1.1 焦炭热强度

焦炭热强度就是反应焦炭热态性能的机械强度指标（CSR%）。其主要表现焦炭在应用环境的温度等状态之下，同时受到热应力以及机械力的作用力之下抵抗破碎以及磨损的能力，焦炭的热强度有着不同的测定方式。第一种测定方式就是热转鼓强度测定分析。测量焦炭的热转鼓强度，就是将焦炭放在含有惰性气氛的高温转鼓之中，以特定的转速旋转一定转数之后，测定其大于或者小于特定筛级的焦炭中的百分率，就是焦炭的热强度。而第二种方式就是通过称取一定比例的焦炭试样，放置在高温的反应器中，将其放置在焦炭反应性测定仪中，按压启动键设备进行一定程度升温，在温度为1100±5℃时，将其与二氧化碳反应2小时后，对焦炭质量损失的百分数进行测量，即可获得焦炭反应性(CRI%)。焦炭反应性就是焦炭与二氧化碳、水蒸气以及氧的化学反应能力。焦炭反应后强度就是反应后的焦炭在机械力以及热应力作用之下抵抗碎裂以及磨损的能力。焦炭在高炉炼铁以及铸造化铁、固定床气化的过程中，要与二氧化碳、氧气以及水蒸气产生化学反应。因为焦与氧、水蒸气的反应与二氧化碳之间有着类似的规律特征，因此许多国家都是通过焦炭以及二氧化碳的反应特性评定焦炭的反应性(CSR%）。

1.2 熔滴性能指标分析

通过实验自身对原料的荷重、升温、还原、软化、滴落工程中的料层位移、压差以及温度变化产生影响，综合记录数据分析，不同的人员对熔滴性能的衡量参数进行了分析。

（1）软化开始温度。不同的研究者对软化开始温度的理解不同。我国的相关研究者主要就是根据荷重软化实验惯例为基础，将体积收缩10%对应的温度定义为软化开始温度。在国外的文献中，实验中主要就是通过30%的体积收缩对应温度作为主要的指标。此数值意味着矿料初步变形问题较高更为适宜。为了便于进行指标信息对比，要基于我国习惯为标准，将体积收缩10%的对应温度作为软化开始温度。

（2）软化终了温度。在实验中，优质的烧结矿具有良好的抗变形能力，在体积没有收缩50%的时候就会出现滴落。应用40%的体积收缩对应温度作为其软化终了温度。

（3）熔化开始温度。此概念并没有明确的定义。在荷重升温还原过程中，材料的荷重状态属于融化是值得探究的问题。一些学者将50%的体积收缩对应温度作为融化的开始温度，也有学者将总压阻峰值的50%对应的温度作为指标。而基于理论分析论述，矿石熔化会出现压阻急剧上升。因此压差的陡升温度作为开始温度较为科学。为了避免软化终了与不出现熔化开始温度概念，可以将压差陡升温度作为参考信息。

2 实验方法与方案

（1）实验原料。二氧化硅、氧化钙、氧化镁、二氧化钛、氧化铝、氧化钠、氧化钾、氧化铁以及硅。

（2）实验原理。在实验中应用的原料与碳的基本反应原理大致相同。例如，在氧化铁与碳的反应中，氧化铁中的铁离子为正三价铁离子，而焦炭中的碳元素为零价，三价铁离子以及零价碳离子缺乏稳定性，在高炉中随着反应原料的加热，零价碳离子以及三价铁离子在高温的环境之下就会产生氧化还原反应，碳离子作为还原剂，化合价随着其升高就会变为稳定的正四价，铁离子作为氧化剂会在还原反应之下变为二价铁离子，而主要的还原产物就是二氧化铁。

（3）实验步骤。高炉中的实验是在高温高压的状况之下开展，无法详细的观察实验过程，高炉熔滴性主要就是高炉中反应之后，残留的物质作为主要的残留物质。高炉中在较为独立的空间，而在不同空间加入等量的氧化铁以及焦炭，要保障高炉中供氧的充足性，在实践中可以通过氮气避免温度过高。应用的氮气与高炉中的化学原料不会产生反应，具有保护高炉的作用。在反应中对高炉进行持续的加热，温度在1000逐渐增加到1600，高炉中物体就会充分的反应，此种方式适用于不同的实验原料，通过电子显微镜对实验的残渣进行观察。

3 实验结果分析

3.1 焦炭反应性对炉料熔滴性能的影响

（1）焦炭反应性对炉料的影响。焦炭反应性对炉料函数的影响具体如图1。

图1 焦然反应性熔滴实验软化温度

随着焦炭反应性的不断增加，t10就会逐渐的降低，表明炉料软化开展的过程中温度就会逐渐的降低。图表中4号应用的焦炭反应性较高，炉料软化开始温度最低数值为112℃，相对于炉料软化开始的温度对比分析，二者相差108℃。主要就是因为焦炭反应性提升，增强了煤气中钴浓度逐渐提升，提升了煤气自身的还原能力。而在其温度高于1000℃的时候，大量的氧化铁就会降低熔点，进而导致炉料软化，温度逐渐降低。t40的最低温度为1407℃，最高温度为1438℃，其最低温度与最高温度之间降低了31℃。随着范围的逐渐增大，炉料软化结束温度并没有出现显著的变化，在软化开始随着温度的降低而软化结束，在温度没有显著变化的状态之下，软化区间中的Δt1会逐渐的增大，料层的透气性就会变差，主要就是因为随着焦炭反应的增强，在反应之后其强度逐渐降低，焦炭的粒度就会降级，粉末就会增加，这样就会影响料层的透气性，导致软化区间的逐渐增大。

（2）焦炭反应性对炉料的影响。焦炭反应性对炉料产生的影响具体如图2。

图2 焦然反应性熔滴实验软化温度

通过图2可以发现，随着焦炭反应性的不断增强，ts逐渐降低，降低为1268℃，降低了38℃。而td则没有太大的变化，在1437℃ ～1446℃区间之间波动，相差9℃。随着Δtds的增大，温度上升到169℃，增加了37℃。表明焦炭反应性增强之后炉料压差突然提升，温度也随之降低，滴落的温度并没有明显的变化，熔化区间也在增大，主要就是因为钾、钠等碱金属在软溶带区域中富集较为严重，在此高温区域中主要就是通过单质蒸汽的方式存在。其对于焦炭具有催化的作用，增强了焦炭的反应性，导致炉料压差快速提升，温度逐渐降低。随着反应的持续开展，焦炭中的碳素损失问题严重，在反应之后其强度也会逐渐的降低，这样就会在一定程度上减弱焦炭料柱骨架，导致料层透气性不佳。Δtds则就会增大，融化的温度区间也逐渐的增大。

（3）焦炭反应性影响炉料最大压差。随着焦炭反应性的不断提升，炉料中的最大压差也在不断的增大，表明炉料中的最大压差增加。随着焦炭反应性的增强，焦炭碳素的溶损反应就会加剧，导致料层中气体流量不断的增加，导致压差阻力损失的增加。随着炉料在荷重条件的影响之下，焦炭的碳素溶损反应以及铁矿石的还原会导致炉料出现破碎，导致料层孔隙度的降低，直接影响了料层的透气性，导致压差的增大。

（4）焦炭反应性对炉料总特性值的影响。在焦炭反应性的增加过程中，炉料总特征数值就会不断的增大，也就意味着炉料熔滴性总特性数值在不断的增大。在实验中，可以发现随着焦炭反应性的增加，炉料总体特征增加大了140kPa·℃，通过结果分析，焦炭CRI的数值增高，炉料熔滴综合指标数值较高。主要就是因为焦炭反应性的增强，炉料中压差迅速提升，温度降低，软熔区间会不断的变宽，料层的透气性就会较差，导致压差增大，熔滴的综合性指标数值就会增大，如果将炉料总体特征数值作为衡量标准，就要适当的降低高炉中焦炭的反应性。