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高爐風(fēng)口焦熱態(tài)性能的研究

文檔作者：楊森吳鏗萬鵬李康湛文龍張中川文檔來源：北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年03月17日
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52
冶金能 源
ENERCY FOR METAI上URGICAL INDUSTRY
VoI．29 No．1
Jan．2010
高爐風(fēng)口焦熱態(tài)性能的研究
楊 森 吳 鏗 萬 鵬 李 康 湛文龍 張中川
(北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院)
摘要為了了解高爐風(fēng)口焦的高溫?zé)釕B(tài)性能，滿足高爐冶煉所需焦炭的質(zhì)量，用粒焦法測
定了高爐風(fēng)口前試樣中焦炭的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著風(fēng)口前距離增加，
風(fēng)口焦平均粒度下降，反應(yīng)性略有下降，而反應(yīng)后強(qiáng)度略有提高。風(fēng)口前試樣中小塊焦炭的
反應(yīng)性比大塊焦的要高，反應(yīng)后強(qiáng)度要低。風(fēng)日前試樣中焦炭的高溫反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度之
間具有很好的線性相關(guān)性。
關(guān)鍵詞風(fēng)口焦反應(yīng)性反應(yīng)后強(qiáng)度高爐
Research on the characteristics of tuyere coke at hiigh temperature in BF
Yang Sen Wu Keng Wan Peng Li Kang Zhan Wenlong Zhang Zhongchuan
(University of Science and Technology Beijing)
Abstract In order to understand the characteristics of tuyere coke at high temperature and qualified
coke quality for the blast furnace process，the investigation of CR／and CSR of tuyere coke of blast furnace
with grain coke method Was carried out．The experiments show that with increasing of the distance
from the tuyere，the average granularity of tuyere coke reduces and CR／decreases slightly，but CSR in—
creases slightly．The CR／of the smaH coke in tuyere coke samples is higher than the large one，but
CSR is lower．Moreover，the CR／and CSR of tuyere coke sam ples are perfect linearly interrelated．
Keywords tuyere coke CR／ CSR BF
長期以來，人們對于焦炭質(zhì)量指標(biāo)的研究較
多地集中在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)條件下的焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)
后強(qiáng)度，而對于在高爐內(nèi)高溫條件下焦炭質(zhì)量研
究的較少。高爐實(shí)際生產(chǎn)中，與冷態(tài)強(qiáng)度相比，
熱態(tài)性能更能反應(yīng)焦炭質(zhì)量，特別是研究風(fēng)口前
焦炭的高溫反應(yīng)特性可以確定焦炭劣化的程度。
為滿足高爐需求，冶金工作者應(yīng)該將提高焦炭質(zhì)
量，尤其是改善焦炭熱性能指標(biāo)作為一個重要的
研究課題。
風(fēng)口試驗(yàn)中焦炭的熱態(tài)性能指標(biāo)主要包括其
$國家自然科學(xué)基金“鋼鐵聯(lián)合研究基金”50874129，國
家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃資助項(xiàng)目
(2006AA06Z121)。
收稿日期：2009—07—01
楊森(1986一 )，碩士生；100083 北京市海淀區(qū)。
高溫反應(yīng)性(CRI)和反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)。高
爐焦炭反應(yīng)性是指焦炭與二氧化碳、氧和水蒸氣
等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的能力。焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度是指反
應(yīng)后的焦炭在機(jī)械力和熱應(yīng)力作用下抵抗碎裂和
磨損的能力?。焦炭反應(yīng)性研究方法因目的不
同而不同，常用的有塊焦測定法、粒焦測定法、
x射線衍射法和熱重法4種 J。日本鋼管公司
(NKK) J貝0考慮了煉焦工藝條件對焦炭質(zhì)量的
影響，增加了火道溫度這一工藝因素對焦炭質(zhì)量
的影響。加拿大炭化研究學(xué)會(CCRA) 則采
用膨脹度，配合煤揮發(fā)分和堿度指數(shù)來預(yù)測并控
制焦炭熱性質(zhì)。我國酒鋼 采用煤的揮發(fā)分或
反射率和惰性成分含量作為參數(shù)預(yù)測焦炭熱性
質(zhì)?？梢?，由于配煤實(shí)踐和工藝條件不同，焦炭
熱性質(zhì)的預(yù)測方法或模型有各自的適用范圍，且
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需在大生產(chǎn)實(shí)踐中不斷修正。試驗(yàn)將采用符合國
家標(biāo)準(zhǔn)的粒焦法測定高爐風(fēng)口焦熱態(tài)性能，為研
究風(fēng)口試樣中焦炭劣化程度奠定基礎(chǔ)。
1 實(shí)驗(yàn)室測定風(fēng)口焦熱態(tài)性能
測定焦炭的反應(yīng)性能采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB／
T4000—1966，通常被稱為塊焦法。但由于塊焦
法需要反應(yīng)介質(zhì)(焦炭) 的量特別大，所以實(shí)
驗(yàn)室采用焦炭的粒焦反應(yīng)性來研究焦炭的反應(yīng)性
能。粒焦反應(yīng)性是先由各不同的研究者在實(shí)驗(yàn)室
進(jìn)行的，雖然國家給出了標(biāo)準(zhǔn)GB220—77，但對
粒度的量、粒度的大小、反應(yīng)的溫度等給出的是
一定的區(qū)間范圍，沒有進(jìn)行嚴(yán)格的統(tǒng)一，國內(nèi)不
同單位的研究者采用的試驗(yàn)參數(shù)也不盡相同。通
過對前人的試驗(yàn)方法進(jìn)行綜合分析，在參考煤炭
科學(xué)院提出的方法基礎(chǔ)上，給出了測定風(fēng)口試樣
中焦炭高溫特性的方法。試驗(yàn)采用RJK一2—13
管式高溫電爐，其各項(xiàng)參數(shù)為：功率2kW，單
相，額定電壓220V，最高工作溫度為1350℃ ，
爐膛尺寸 18×180。首先將各號焦樣分大塊焦
和細(xì)塊焦分別進(jìn)行試驗(yàn)。細(xì)塊焦是將焦樣用
4mm和6mm的篩網(wǎng)直接篩分得到粒級4—6ram
焦樣；大塊焦是將10—15mm大塊焦用鐵錘砸制
成粒級4～6mm的焦樣，每個試樣均做平行樣。
具體的實(shí)驗(yàn)步驟為：稱出15g左右的試樣，裝人
管式高溫電爐中，使熱電偶置于試樣中心部位。
將瓷管置于電爐爐膛中，瓷管中的焦樣在爐內(nèi)恒
溫區(qū)通電加熱過程中始終通N 保護(hù)焦樣免受氧
化，流量控制在lOOml／min。到達(dá)反應(yīng)溫度
1100oC時關(guān)閉N2，改通CO ，流量控制在8Oral／
rain，在恒溫1100oC下反應(yīng)70rain。反應(yīng)結(jié)束后
關(guān)閉電爐和CO ，改通N ，流量仍控制在
lOOml／min，保護(hù)試樣冷卻至低于100~C，停止
通N 。冷卻后試樣稱重，測反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)
度。用反應(yīng)后所剩的質(zhì)量百分比來衡量焦炭的反
應(yīng)性，反應(yīng)后>3ram粒度的質(zhì)量百分比測定其
反應(yīng)后強(qiáng)度。具體計(jì)算公式如下：
焦炭反應(yīng)性=(反應(yīng)前質(zhì)量一反應(yīng)后質(zhì)量)／
反應(yīng)前質(zhì)量×100％ (1)
焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度=反應(yīng)后粒度>3ram 的焦
炭質(zhì)量／反應(yīng)前質(zhì)量×100％ (2)
在上述條件下測定的粒焦反應(yīng)性能與現(xiàn)場測
定的塊焦反應(yīng)性能不同，要用現(xiàn)場焦炭由塊焦測
定的高溫反應(yīng)特性結(jié)果對粒焦的結(jié)果進(jìn)行修正，
通過對人爐焦3次平行試驗(yàn)確定出反應(yīng)性和反應(yīng)
強(qiáng)度的修正系數(shù)分別為0．8296和0．7926。用粒
焦法和塊焦法得到的反應(yīng)特性結(jié)果數(shù)值不同，但
焦炭反應(yīng)特性變化的趨勢是相同的。粒焦法得到
的結(jié)果與塊焦的變化趨勢相同，試驗(yàn)中采用粒焦
法測定風(fēng)口試樣中焦炭的高溫反應(yīng)性能，然后對
結(jié)果進(jìn)行修正。
2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論
用不同粒度等級篩子將高爐風(fēng)口焦試樣進(jìn)行
粒度篩分，可以得到各粒級焦炭重量，將分析結(jié)
果列于表1中。
表1 風(fēng)口試樣中不同粒度焦炭的組成和焦炭的總重量 ％
由表1可以看出，風(fēng)口焦試樣粒度越小，其
重量隨著風(fēng)口前距離增加而增大的趨勢越明顯，
說明距風(fēng)口前距離越遠(yuǎn)，其焦炭粉化程度越高，
也越容易破損。即隨著風(fēng)口前距離增加，焦炭破
冶 金 能 源
ENERGY FOR ME IlALLURGICAL INDUSTRY
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損程度加重，導(dǎo)致焦炭碎裂，細(xì)顆粒增加，焦炭
平均粒度減小，粒度等級降低。
試驗(yàn)共6號試樣，而每號試樣分為大塊焦和
細(xì)塊焦，每個試樣均做平行樣，進(jìn)行兩次試驗(yàn)，
取平均值。將實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)按計(jì)算公式I和2進(jìn)
行計(jì)算，并用修正系數(shù)進(jìn)行修正，得到試樣的反
應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度數(shù)據(jù)，如表2所示。
表2 風(fēng)口焦試樣的反應(yīng)性(CR／)和反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR) ％
表2中的結(jié)果是兩次平行試驗(yàn)后的平均值，
其中最大的相對誤差為0．88％ ，最小為0．05％ 。
根據(jù)表2中反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，得出這
批大塊風(fēng)口焦高溫性能指標(biāo)之間的關(guān)系，風(fēng)口焦
試樣其反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度之間是線性相關(guān)的：
CSR = 110．01— 1．4765CRI， 相關(guān)系數(shù)R =
0．9874。隨著焦炭反應(yīng)性的升高，焦炭的反應(yīng)后
強(qiáng)度降低。分析其原因在于：氣化反應(yīng)不僅在焦
炭表面發(fā)生，而且深入到內(nèi)部，并擴(kuò)展了內(nèi)裂
紋，造成焦炭的破碎。反應(yīng)性大，氣孔壁被溶
損，粉化加劇，強(qiáng)度顯著下降。因此反應(yīng)性小、
反應(yīng)后強(qiáng)度高的焦炭熱性能較好。
焦炭的反應(yīng)性是影響反應(yīng)后強(qiáng)度的主要因素
之一，降低焦炭的反應(yīng)性是提高其反應(yīng)后強(qiáng)度的
有效措施。并且焦炭熱強(qiáng)度的反應(yīng)性指標(biāo)與反應(yīng)
后強(qiáng)度指標(biāo)之間存在良好的相關(guān)性。
由表1和表2的結(jié)果，可以給出風(fēng)口前距離
與反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度之間的關(guān)系，如圖1所
示。其中是大塊風(fēng)口焦試樣(10～15mm)的結(jié)
果。
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圖1 風(fēng)口前距離與反應(yīng)性、反應(yīng)后強(qiáng)度關(guān)系
在圖1中，隨著風(fēng)口前距離的增加，風(fēng)口試
驗(yàn)中大塊焦炭的反應(yīng)性也隨著下降，而反應(yīng)后強(qiáng)
度增加。這是由于在風(fēng)口循環(huán)區(qū)內(nèi)焦炭被消耗的
速度要比風(fēng)口循環(huán)區(qū)外大。但需要指出隨著風(fēng)口
前距離增加，大塊焦炭的比例下降，而小于
2．5mm的比例增加。爐芯焦的透氣性會受到焦
炭高溫反應(yīng)特性的影響，且粒度的影響會更大
些。
通過試驗(yàn)可以看出：細(xì)塊焦熱反應(yīng)性比大塊
焦的熱反應(yīng)性高，其反應(yīng)后強(qiáng)度恰好相反。試驗(yàn)
表明，雖然細(xì)塊焦與大塊焦的最終粒徑相同，但
是其熱態(tài)性能是不同的。分析其原因?yàn)椋喝藸t焦
在到達(dá)風(fēng)口區(qū)以后，其粉化程度不同，細(xì)塊焦的
粉化程度比大塊焦的大。說明風(fēng)口焦進(jìn)入高爐以
后，經(jīng)歷了碳溶反應(yīng)、高溫?zé)嶙饔?、堿侵蝕以及
氣流沖刷等作用，遭到了嚴(yán)重的破壞，粒度減少
很大，粒度減少程度越大其高溫反應(yīng)性能越差。
所以細(xì)塊焦反應(yīng)性比大塊焦的反應(yīng)性高，而反應(yīng)
后強(qiáng)度低。
3 結(jié)論
(1)隨著風(fēng)口前距離增加，焦炭破損程度
加重，導(dǎo)致焦炭碎裂，細(xì)顆粒增加，焦炭平均粒
度減小，粒度等級降低，反應(yīng)性也隨著下降，而
反應(yīng)后強(qiáng)度有所提高。
(2)風(fēng)口焦的反應(yīng)性及反應(yīng)后強(qiáng)度之間具
有很好的反線性相關(guān)性，即隨著反應(yīng)性的增大，
反應(yīng)后強(qiáng)度相應(yīng)降低。
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冶金能源
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(3)細(xì)塊焦熱反應(yīng)性比大塊焦的高，其反
應(yīng)后強(qiáng)度恰好相反。粒度減少程度越大其高溫反
應(yīng)性能越差。所以細(xì)塊焦較大塊焦的反應(yīng)性高，
粉化程度高，反應(yīng)后強(qiáng)度低。
(4)對高爐風(fēng)口焦的高溫反應(yīng)性進(jìn)行了探
索，給出了研究的方法，但有必要對更多的風(fēng)口
焦試驗(yàn)進(jìn)行深人研究。
參考文獻(xiàn)
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趙艷編輯
(上接第lO頁)
1
囂
筮
柱
斌
囊：
薛
圖3 結(jié)構(gòu)調(diào)整后企業(yè)環(huán)境負(fù)荷降低程度
從圖3可知，電爐鋼水調(diào)整為總鋼水20％
后，可以為企業(yè)減少鐵礦石消耗8．89％ 、水耗
2．28％ 、一次能耗4．23％ ，CO2排放3．58％ 、
SO 排放0．42％ 和NO。排放0．69％ 。
從以上結(jié)果可知，電爐鋼水比例增大后，企
業(yè)在資源和能源的節(jié)約(包括CO 減排)上效
果明顯。由于電耗的增加，致使企業(yè)在SO
N0 等大氣污染物減排上的效果一般。
4 結(jié)論
(1)電爐流程鋼水相比轉(zhuǎn)爐流程鋼水的主
要環(huán)境收益體現(xiàn)在節(jié)約資源、能源消耗以及CO
減排，對于大氣污染物減排的效果并沒有節(jié)約資
源的效果明顯。
(2)由于加工工藝的差別，電爐流程產(chǎn)品
并不是所有環(huán)境指標(biāo)都比轉(zhuǎn)爐流程產(chǎn)品好。
(3)電爐鋼水比例調(diào)大后，企業(yè)環(huán)境負(fù)荷
均會有所降低，尤其資源、能源消耗以及CO
排放等指標(biāo)降低明顯。
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萬雪編輯

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