现代方法评价冶金焦炭质量的探讨.pdf

4 现代冶金 2 0 1 4年第 1 期 现代方法评价冶金焦炭质量的探讨 俄罗斯 A ． K ． T a p a x a n o a等 摘要 降低焦炭的反应性， 同时会提高焦炭反应后强度 ， 研究证明， 这样做并不总是经济的。因为如此也会增加 焦 比。 关键词 冶金焦炭 ； 反应性 ； 焦炭强度 ； 焦 比 在近十年来发表 了大量的文章 ， 简述 了影响高 炉运行指标的焦炭质量指标 ， 指 出其重要性 。焦炭 质量严重地影响着高炉冶炼的进程和结果， 但是， 很 明显 ， 在现有炼焦工艺和优化配煤条件下 ， 以什么样 具体的指标来指导炼焦 ， 到 目前仍然是空 白。 通过对焦炭 的技术分析 ， 对冷强度指标 M 、 M加、 M。 。 的要求是显而易见和无可争辩 的； 有 问题 及构成矛盾 的是彼此几乎形成 函数关 系的反应性 C R I 和反应后强度 C S K 指标的要求。 在近 2 0年来 的世界高炉生产 中， 普遍检验焦炭 的反应性指标 ， 其值是在明显降低 ， 这样的指标值显 示出， 在焦炭质量 的综合评价中， 除了优 良特性 ， 焦 炭反应性低的负面特性 ， 是最具不确定性的。 该文的 目的在于， 在现代条件下 ， 试图建立起对 高炉冶金焦炭质量评价的合理方法。高炉冶炼中的 焦炭要完成一 系列重要任务 燃料 提供热量 、 还 原剂 、 炉料软融区的搅松作用 ， 高炉下部透气透液的 骨架料 。第一个功能是 主要的 ， 确定了冶炼铁水时 与热交换相适应的最低程度热平衡焦炭的消耗量。 冶炼的其他重要的技术一经济指标 ， 如高炉生产率 和铁水成本 ， 在很 大程度上取 决于焦 比。焦炭作为 还原剂的功能 ， 通过还原过程对高炉下部所需热量 的影响而在其消耗 中表现 出来 。焦炭 的这两个功 能， 可以由与炉料一起人炉的或喷吹的任何其它燃 料来完成。 焦炭作为炉料搅松及透气透液骨架的功能， 要 取决于它在高炉中的粒度 、 消耗及破损程度。高炉 中焦炭的粉碎及在炉料 中其份额 的减少 ， 会降低冶 炼的气体动力学强度， 限制生产率的提高 ， 加速高炉 运行气体动力学制度的破坏 ， 会带来沿其切面铁矿 石料的不均匀分布 ， 这些现象不仅表现在高炉生产 率上， 而且也表现在焦比上。 焦炭更重要 的功能， 是不允许 由其它形式的块 状燃料来代替的， 这就是排流骨架的功能 ， 它可以让 分布于焦炭块之间的铁水和渣无阻碍地在炉缸底部 通过。这个功能遭到破坏 ， 会阻碍高炉的正常运行 ， 称为炉缸堵塞。它不仅取决于焦炭的特性 ， 而且还 取决于其他一系列因素。炉缸的堵塞不会 由于细粒 焦炭和细粒碳而发生， 只有 细粒碳材料在炉缸深处 通过铁质渣迅速地气化以及块状焦炭在炉缸里代替 了细粒焦炭的情况下 ， 炉缸的堵塞才会发生。铁质 渣的 自然形成途径是在风 口处部分氧化流人炉缸 的 情况下形成的， 在小容积高炉 中风 口处 的氧化区很 大程度上要比在大容积高炉覆盖炉缸面要大， 而且 ， 在风口处要氧化大部分铁水 。所 以， 特 别严重 的炉 缸堵塞问题经常出现在大容积高炉 中， 在大高炉的 炉缸中心， 由于相对较低 的温度而形成几乎是非流 动渣浸渍过的较少运动的焦炭堆积体。 炉缸堵塞 ， 在 目前状态下 ， 会促使铁水温度的更 大幅度的波动 ， 在 炉缸下部总是 以碳来加 以饱 和。 在炉缸的底部 ， 在加热时焦炭里的碳会进一步渗透 在铁水里 ， 从而加速焦炭的细粒化。在铁水冷却时， 焦炭中碳的溶化性在降低 ， 从铁水中会分解 出石墨 泡 ， 它会漂浮在炉缸溶 液的表面 ， 从而阻碍渣 的排 流 。 在炉缸堵塞严重时， 需要调节难还原 的入炉待 洗选物料。为了更好地实现排渣 ， 必须提高它的加 热温度 ， 但同时 ， 又会破坏高炉运行的平稳性和煤气 流的分布 ， 以至于增加焦炭 的消耗 。在高炉中喷入 煤粉燃料达到 1 5 0 2 0 0 k g ／ t 铁时 ， 焦炭的消耗一般 超过 4 0 0 k g ／ t 铁 ， 在高炉中其细化的程度相对较小 ， 而在风 口处的氧化趋势是较高的。其结果不总是表 现在制约炉缸焦炭层的排流能力上。对焦炭质量 的 基本要求就是冷态强度要高 M 、 M 。 和 M m 的指 2 0 1 4年第 1 期 5 标 。 世界各 国往高炉 中大量 喷吹煤粉燃料 ， 焦 比缩 减为3 0 0 3 5 0 k g ／ t 铁时， 焦炭停留时间和它在高炉 中细化程度将大幅提高。焦炭在炉缸中的残余强度 和焦炭的粒度成为在新条件下保证高炉正常运行的 主要条件 。 许多研究表明 ， 焦炭的高反应性 ， 会强化焦炭与 气相 的 C O 、 H O的相互作用 ， 会强化焦炭表面的灰 化 ， 加速其结构的松散 ， 以及加大在高炉下部焦炭的 破坏程度 。 焦炭反应性与其消耗 的逻辑联系的解释 ， 从一 开始这方面的焦炭特性研究就有如下结论 在提 高 焦炭 C R I时， 会强化在铁 间接 还原 中形成 的 C O 、 H O与焦炭 中碳 的反应。在这种推理 中， 会 出现直 接还原程度的发展 提升、 冶炼过 程热量需求 的增加 及焦炭焦 比的增加。 目前有许多公开发表文献 ， 证 明了焦炭 消耗 与 C R I的直 接联系 ， 表明这些 论证 ， 支持这样的推论 ， 虽然 ， 实 际上 ， 焦炭 的低反应性基 本上影响对其消耗的作用过程， 但在这种情况下还 有另一种情形 。这种焦炭 的利用 ， 会促进在没有洗 涤材料下炉缸堵塞 的解除 ， 使高炉运行正常 ， 使炉缸 中排渣更好 ； 可以创造条件 ， 以使沿高炉截面煤气分 布和炉料的分布更趋均匀 ； 可 以实现煤气 的有效利 用 ， 由此 ， 也会减少焦炭的消耗。 但是 ， 在以逆流热质交换为特性的高炉冶炼时 ， 降低反应性 ， 也存在焦炭消耗增加的前提条件。在 这种情况下 ， 低程度 的热交换确定 了焦炭的需求量 ， 此处炉料流热容要大于煤气流热容。热交换区域底 部和上部之间温度范 围的不同 ， 不可避免地会影响 区域热平衡 ， 随后 ， 会影响到所需的焦炭消耗。 缓慢温度交换 区域 的温度取决于温度 A ， 在 温度 A 下 ， 高炉里炉料的热 容可以与煤气 流的热 容相比。缓慢温度交换区域温度的升高， 可促进在 降低焦炭反应性的条件下 ， 抑制在 8 0 0～ 9 5 0 o C时的 气化反应 。 气化反应 C O C2 C O一1 6 6 K J ／ 克 分子 在热交换高低程 度间界面上温度 的升高 ， 可 以减少在其他相同条件下在高炉下部区域吸收 的热 量， 而这里的需热量决定了焦炭的消耗。 日本的研究者利用探测器集 中进行 了焦炭 反 应性的变化下的温度变化情况研究 。文章 中所列的 利用反应性 3 3 ． 2 ％的焦炭代替 2 3 ． 3 ％焦炭的冶炼 试验结果 ， 确实将焦 比降低 了 1 0 k g ／ t 铁 。为了获得 反应性如此高的焦炭 ， 日本研 究人员在炼焦 配煤 时 积极采用含 C a O的填加剂 。而俄罗斯 的配煤组成 恰好相 反， 很 有 问题地 获 得 了低 反应 性焦 炭。在 C R I 提高 的条件下 ， 由于直接还原程度 的降低 ， 有助 于焦 比的降低 。这是完全可 以实现的 ， 也更支持 了 日本学者的研究。 日本研究人员在温度低于 1 1 0 0℃下通过强化 氧化铁还原进行 了焦炭反应性对间接还原程度影 响 机理的研究 ， 由于这种条件下 ， 温度的升高在总体上 不会产生烧结矿的软化和它的疏松结构保持到更高 温度的矛盾 ， 虽然在高 炉还原进程中不一定起决定 性作用。 在温度低于 1 1 5 0℃时 ， 可 以实现间接还原反 应速度 F e OC OF eC O 比焦炭气化速 度更 快。但是 ， 在温度低于 1 0 0 0 q C 时 ， 由于煤气的组成 接近于它的平衡条件而使这个反应受到抑制 。在这 种条件下 ， 焦 炭气化反应 C O C2 C O 生成 C O 是上述间接还原反应进行的条件。在焦炭反应性增 强条件下 ， 焦炭气化反应的强化 ， 最终会提高间接还 原的发展程度， 还 可以促进 C O利 用率 的提 高 图 1 。 ● 莒 l 卜 旺 0 U ％ 图 1 9号高炉煤气利用率随焦炭反应性 变化的 示 意 图 在焦炭反应性越强 ， 单位铁水燃料总消耗越高 的条件下 ， 焦 比降低 的潜力确定 了高炉 中煤气流单 位热容 的大小。在基础焦 比 4 8 0 k g ／ t 铁时 ， 焦炭反 应性的增强可以保证焦 比降低 2 0～ 3 0 k g ／ t 铁 。 从 2 0 0 6 --2 0 1 0年俄 罗 斯 克 里 沃伊 罗格 公 司 N 0 6 _ _ 9高炉运行的月平均数据 ， 考察分析焦炭反应 性对焦 比的影响。这种条件下 ， 对于焦炭实际单位 消耗的准确预测图式基本上是没有 的。但是 ， 对于 同样条件下焦炭消耗之后的图式是非常确定的 图 2 5 。高炉运行分析表明， 在足够宽的范围内焦 炭反应性变化 ， 不会显示 出对高炉运行平稳性 的决 定性影响。但是 ， 高炉对 M 2 5 8 ％反 映强烈。 6 2 0 1 4年第 1期 鼍 - 罐 涎 娥 筮 靛 4 0 0 y ． 6 5 3 6 x ％4 3 ． 4 6 9 x - 2 2 9 ．6 3 k O ． 5 6 S a 一⋯ ⋯⋯⋯ ⋯⋯t ． v ，’ 一 ⋯⋯⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯⋯- - r ⋯ 一 3 O 3 2 3 4 3 8 4 0 42 44 ； 4 一T⋯ 3 O 3 2 3 4 3 6 3 8 4 0 4 2 4 4 0 y _ 0 ． 5 7 7 q x 3 9 ． 7 6 x 一1 3 9 ． 9 。 ； C R I , ％ 高炉容积分别为 6号一2 0 0 0 n l a 7号一2 0 0 0 11 1 6 8号一2 7 0 0 i3 1 B 9号 _ 5 0 0 0 n l r 图 2 焦 比随入 炉 焦炭反应 性 变化 关 系对 比 图 提高煤气的动力学强度 ， 高炉炉况会变得不稳 定， 引起炉缸严重堵塞 ， 由此就不得不采用洗炉料 ， 风嘴频繁燃烧 ， 形成焦 比增加的态势。 所有上述论述并不意味着 ， 应当减少对焦炭反 应性和反应后强度的关注 ， 没有理 由将 这些相对新 的指标与焦炭冷强度等 旧指标相对立起来 ， 这 当中 的每一项都映射出焦炭特殊特性 ， 这些特性实质性 地影响着高炉 的运行。 C R I 和 C S R指标还远远不够完善 ， 测定 的试样 焦炭的粒度 1 9～ 2 2 ． 4 m i l 1 是不同于实际高炉的焦 炭粒 度。试 样 的 处 理 是 以 纯 C O 在 温 度 为 1 1 0 0 o C、 时长为 1 2 0 ra i n的条件下进行 的。这样 ， 也是不符合高炉中焦炭表面氧化条件的。另外 ， 还 没有考虑其它一系列因素对焦炭粉碎的影响 ， 例如 ， 碱 、 铁水 、 渣 、 焦炭碳的石墨化 、 高温条件来 自焦炭灰 分中硅的还原性 、 在接近风 口区的热 冲击等。所有 这些因素 ， 都会促进焦炭在整体上的粉碎 ， 而且要比 用二氧化碳作用的焦炭灰化更严重。转鼓试验也不 符合高炉中装入的焦炭 。但是正像其它许多指标一 样 ， 在论及它们时 ， 肯定会存在一 系列 的不足。所 以， 在用实际的标准指标 M 、 M 。 、 M 。 、 C R I和 C S R 对焦炭质量评价进行限制就具有 了一定的意义 。焦 炭工作者们在执行这些焦炭质量指标方面积累了大 量的经验， 还有高炉操作者们依据高炉冶炼的具体 条件对这些指标也充分地提出了要求 。 结论 从近年来 的资料看 ， 焦炭 的反应性是允许 保持在较高水平上 ， 而不会出现严重的炉缸堵塞 ， 这 样 ， 可 以充分节约焦炭。高炉冶炼 的一般制度应 当 由对焦炭冷强度 M 和 Mm 指标的严格要求来保 证。 兰金亮译 C T a n t , 2 0 1 1 ， N o ． 7 沈茂森校 蛐 枷 枷 渤 啪 渤 螂 枷 ＼ 盖 ． 攥裙 遮 茛 鼍 ． 习 目 I 瓣 避 莨