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浅谈冶金焦炭热态性能的再认识

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摘要:通过冶金焦炭在高炉内不同区域行为的深入探析,阐述了对冶金焦炭热态性能新的认识和思考,指出了目前反应性和反应后强度检测方法对高炉模拟性的偏离。探讨更加合理的检测方法,以稳定高炉的操作,合理管控焦炭质量。

关键词:冶金焦炭;反应性;反应后强度;高炉冶炼

冶金焦炭在高炉中具有热源、还原剂、渗透剂和料柱骨架等作用,焦炭中低于1%的碳随高炉煤气逸出,其余全部消耗在高炉中,大致比例为风口燃烧55%~65%,料线与风口间碳熔反应25%~35%,生铁渗透7%~10%,其他元素还原反应及损失2%~3%[1]。近年来随着高炉冶炼技术的发展,特别是高炉容积大型化、高风温技术以及鼓风富氧喷煤技术的迅猛发展,焦炭作为高炉内料柱骨架,保证炉内透气、透液的作用更为突出[2]。焦炭质量特别是焦炭CRI及CSR对高炉冶炼有极大的影响,成为限制高炉稳定、均衡、优质、高效生产铁水的关键性因素。冶金焦炭的常规性能指标(水分、灰分、硫分、M40、M10等)对高炉的影响人们的认识趋于一致。但是冶金焦炭的CRI、CSR以及在高炉冶炼过程中的行为和作用还未能得到清晰和一致的认识,其原因在于高炉冶炼行为的复杂性和冶金焦炭CRI和CSR检测与高炉模拟性的偏离。科学认识焦炭在高炉中的行为及变化状态,对高炉的稳定操作及焦炭质量的管控都具有十分重要的意义。

1焦炭在高炉内的行为

高炉实质上是散料床组成的竖炉反应器和热交换器。焦炭和散装含铁炉料从竖炉顶部装入,热风从竖炉下部的风口吹进,使焦炭燃烧,产生的热量和热还原性气体使铁氧化物的还原过程逆向进行。液态的金属铁和炉渣按密度的不同分离并从竖炉底部排出,产生的煤气从竖炉顶部排出[3]。高炉结构由上至下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸5段。根据温度和物料状态的不同,高炉内的物质流可分为块状带、软熔带、滴落带和风口回旋区。高炉块状带温度低于1000℃,焦炭在下降过程中受到机械力的作用,块度略降低,稳定性相对增加。在800~1000℃碳熔反应开始发生,但反应程度较低,对焦炭质量影响不大。焦炭的损失一般不超过10%,块度直径大致平均减少1~2mm[4],由此说明熄焦后的焦炭消除了宏观裂纹,进入高炉后焦炭不应受冲击或受压而碎裂。块度减小的原因主要是由于在高炉软熔带以上,焦块受压和摩擦挤压等原因所致。焦炭在块状带灰分和灰成分显著增加,其原因是焦炭在炉身下落过程中会与铁矿石以及高炉炉料中的Zn、S和K、Na等碱金属循环富集所产生的灰尘接触,这些附着的粉尘不仅仅是反应物,还是焦炭气化反应的主要催化剂。表1[5]为国外研究机构从不同高炉块状带取样检测的焦炭灰分及灰成分分析。焦炭和含铁炉料在块状带内停留的时间为3~5h[5],主要取决于高炉的利用系数。

高炉软熔带处于炉腰和炉腹处,反应温度为900~1300℃,由于温度和气流分布的关系使软熔带通常形成倒V字形。此处为碱富集区,碳熔反应剧烈,焦炭的损失可达到30%~40%[6],焦炭结构受到破坏,块度急剧下降,耐磨强度显著降低。在软熔带炉料开始软化变形,产生软熔物质并粘结在一起,要保持一定厚度的焦炭层起到疏松和气流通畅作用,因此焦炭的CSR对高炉软熔带有着重要作用。软熔带焦炭气化的程度受到含铁粉尘粘附及碱金属的影响,加剧了焦炭表面扩散控制。软熔带内焦炭和矿石等炉料停留的时间相对较短,一般为0.5~1h,主要取决于矿石的软熔特性。软熔带下部是滴落带,焦炭处于1350℃以上,此时碳熔反应已经减弱,对焦炭的破坏主要来自于不断滴落的液渣和液铁的冲刷以及对液铁的渗碳作用。此处的焦炭已是炉料中唯一的固相物质,保持着一定的强度和块度,保证高炉有一定的透气性和气流分配以及透液渣和液铁的作用。在高炉下部热空气由风口鼓入后,形成一个略向上翘起的袋状空腔(风口回旋区)。焦炭在此处承受2000℃以上的高温和快速旋风的撞击作用,并发生剧烈的燃烧,为高炉提供热量和还原性气体CO。由于高风温和富氧喷煤技术的发展,风口焦的劣化和粉化都较为剧烈。风口区2000℃以上的高温,焦炭的灰成分已分解,焦炭的石墨化程度提高,由此强度变得很差,焦炭自进入高炉直至风口区历经各种热力和化学过程,因此焦炭保持一定的强度及块度是高炉稳定操作的基础条件和核心要素。

2CRI和CSR检测指标

2.1焦炭CRI和CSR在高炉的应用

低CRI和高CSR有利于高炉冶炼。焦炭的CRI低,反应开始温度高,可使高炉内间接还原区扩大,有助于间接还原的发展。由于直接还原降低,焦炭的熔损率下降,CSR提高,有利于高炉的透气性和渣铁的渗透。同时,焦炭的CRI和可燃性越低,则其在风口的反应性越慢,风口前形成的焦炭燃烧区的横断面积大,可使炉料的下降运动更均匀。如果焦炭的CRI高,反应开始温度低,则焦炭在较低的温度下就与CO2反应生成CO,生成的CO还来不及与铁矿石还原就随高炉煤气逸出炉外,造成资源浪费[7]。研究表明,焦炭的CRI每提高1%,焦比增加1kg,CO利用率降低0.5%[8]。日本新日铁在20世纪80年代研究并报道了其在3座高炉上进行的CSR与高炉操作参数之间的关系,发现CSR小于55.5%~57.5%时,高炉透气性阻力增大很多。随着焦炭CSR下降,风口处破损增加,高炉热效率降低。为了使高炉透气性最佳,并降低风口破碎率,认为焦炭CSR应大于57%。据报道,焦炭CSR小于57%时,高炉操作极不稳定,导致炉料分布和煤气流分布无规律,限制了高炉利用系数的提高。进一步研究表明,与CSR从30%提高到60%相比,CSR从60%提高到65%时效果趋缓[9]。高炉透气性主要取决于焦炭热态强度,焦炭CSR提高和CRI降低可有效减少炉内焦炭的粉末量。随着CSR从55%提高到67%,煤比可从120~140kg/t增加到150~180kg/t,总燃料比从500~510kg/t降低到470~490kg/t。焦炭CRI和CSR两者之间具有良好的负相关性,可作为分析和判断高炉料柱透气性、透液性和炉况顺行的重要依据,也可改进炼焦技术。

2.2对焦炭CRI和CSR的思考

当前冶炼条件先进的大型高炉(2500m3以上)、高风温技术以及鼓风富氧喷煤技术广泛应用,炉身的工作效率已达到90%以上,高炉内焦炭的熔损率通常保持在25%左右,因此用反应性的高低去衡量焦炭在高炉内的强度值得商榷。同时高炉内碱金属循环富集、气体成分复杂变化以及滴落带、风口区高温都对焦炭产生复杂的影响,使得目前焦炭热态性能评价指标与高炉模拟性产生了一定的偏离,对此也进行了一定程度的研究。

2.2.1高反应性焦炭通过提高焦炭CRI来降低高炉热储备区的温度,使得实际气氛中的CO2含量与浮氏体还原平衡点的CO2含量之差增大,可使还原反应的驱动力增强[10]。在当前高炉综合操作技术的进步与发展以及铁矿石具有良好还原性的条件下,利用高反应性焦炭完全可以取得较好的冶炼效果。研究认为[11]高炉内的温度分布存在一个自动调节过程,即高炉内热量分布与直接还原和间接还原是相互制约、互成比例的,通常不会发生变化。

2.2.2焦炭CRI和CSR对高炉模拟性的思考现行焦炭CRI和CSR的检测是在无碱金属条件下进行的,而实际碱金属对焦炭热性能指标的影响是很大的。高炉生产中碱金属会在高炉中逐渐积聚,达到一定含量后高炉循环碱处于平衡状态,超量的碱金属才会逐渐随炉渣排出,因此高炉内会存在不同程度的碱负荷,国内高炉的碱负荷一般在5.5~9kg/t。高炉内碱金属对焦炭熔损反应有较强的催化作用,使得焦炭的CRI大幅提高,CSR降低;同时使CO2对焦炭显微结构的反应速度序列逆转,在高温循环碱侵蚀的条件下,焦炭显微结构中各向同性结构比各向异性结构抗高温碱侵蚀的能力强。现行焦炭CRI及CSR的检测是在1100℃与CO2(5L/min)反应2h。焦炭在高炉软熔带反应温度900~1300℃,碳熔反应剧烈,焦炭的损失率高。滴落带焦炭处于1350℃以上,风口前和炉缸温度为1500℃左右,焦炭经历进一步高温受热,热性质发生不断变化。在高温作用下焦块表面和中心的温度梯度会产生巨大的热应力,使得焦炭产生较多的微裂纹。由此可见,在高温受热过程中,焦炭的组成和结构变化以及热应力作用对焦炭的劣化机理与熔损反应对焦炭的劣化机理完全不同。高炉内不同温度区域的CO2的浓度不都是100%,差别很大,同时各温度区域的升温速度也不尽相同,这些对焦炭在高炉中的熔损反应也会产生不同影响。综上所述,焦炭CRI及CSR对焦炭在高炉中的模拟性并不十分理想。

3结语

1)通过分析高炉的生产运行特别是物质流(焦炭、矿石及熔渣剂)在高炉中的行为作用,对配煤研究和冶金焦炭的冶炼及性质指标、高炉稳产高产及长寿化攻关等方面都具有推动和指导意义。2)焦炭CRI和CSR在高炉运行中模拟性仍不理想,存在无碱条件、反应温度、CO2浓度等问题。基于焦炭CRI和CSR指标对指导炼焦生产以及高炉稳定运行的重要影响和在模拟高炉熔损反应及高温强度时的不完善,有必要对其进行完善和补充。

参考文献

[1]孟庆波.加强焦炭质量与高炉冶炼关系研究采用炼焦新技术改善焦炭质量[N].世界金属导报,2010,6,22(10).

[2]王明海.炼铁原理与工艺[M].北京:冶金工业出版社,2012:16.

[3]张福明,程树森.现代高炉长寿技术[M].北京:冶金工业出版社,2012:17.

[4]刘运良,译.高炉中的焦炭[J].国外炼焦化学,1994(3):132-143.

[6]高晋生.煤的热解、炼焦和煤焦油加工[M].北京:化学工业出版社,2013:79.

[7]孙亮,郭瑞,汪琦.浅析焦炭反应性与高炉炼铁[J].燃料与化工,2012,43(6):2.

[8]付永宁.高炉焦炭[M].北京:冶金工业出版社,1995:79-81.

[9]高晋生.煤的热解、炼焦和煤焦油加工[M].北京:化学工业出版社,2013:82.

[10]郭瑞,汪琦.焦炭CRI和CSR指标的产生、发展和应用[J].炼铁,2012,31(1):47.

[11]洛杰.路瓦松.焦炭[M].北京:冶金工业出版社,1983:183-189.

作者:卢培山;江鑫 单位:内蒙古包钢钢联股份有限公司焦化厂

材料与冶金学报责任编辑:张雨    阅读:人次
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