高炉用焦炭热性能控制指标的研究

张明远 万 新 冯淋虹 阳银权

(重庆科技学院,重庆市沙坪坝,401331)

1 概述

焦炭作为高炉炼铁的重要原料,一直是钢铁工程师关注的焦点问题。尤其由于现代高炉炼铁的发展,高炉大型化、大喷煤量等对焦炭提出了更高的要求。从目前发展来看,以焦炭的热性能指标操作高炉的条件在国内已经成熟:一方面已经有了国内大型冶金企业在这方面的成功经验;另一方面是手段已经比较成熟。但还面临一些亟待解决的问题。GB/T-4000-1996给出的是一个试验的方法,却没有给出一个广泛可行的控制标准,因此各个企业需要结合自己的实际情况来制订相应的CSR(反应后强度)和CRI(反应性)的控制目标。根据现在已有资料可以看出,企业所制定的标准也是与本身的条件具有相当针对性的,见表1。

关于制定高炉用焦炭热性能国家控制标准的意见已经出现,各企业对焦炭热性能的研究也反应积极。但是,对于在企业内部科学制定控制标准的研究还没有形成系统意见,部分大企业根据长期的质量控制经验制定明确的标准,中小企业中除个别采取套用大企业指标的思路制定标准外,绝大多数还是采用M40、M10指标指导高炉操作,直接套用大企业指标忽略了企业本身的诸多条件,因此其焦炭热性能对生产的指导性也就被削弱了。目前,企业进行高炉用焦炭热性能控制指标的制定具有积极意义:一方面为配合精料进一步节能降耗提供了技术保障;另一方面也为国家制定统一的焦炭热性能控制标准积累了经验。

表1 中国和部分国外冶金企业对焦炭热性能的要求

焦炭在高炉内的强度保持能力直接关系到高炉的顺行和降耗,对于它的研究最早是从风口焦的平均直径开始的,它是直接评价焦炭在高炉内强度保持能力的最有效的办法。焦炭的热性能CSR和反应性CRI是对风口焦块度影响最直接的2个指标,焦炭反应性指焦炭与CO2气体的反应能力。此反应也称为焦炭的气化反应。反应后的焦炭因失碳而产生裂缝,同时因气孔壁变薄而失去强度。

高炉焦炭在高炉冶炼中的作用非常重要。作为发热剂,它提供铁矿石还原熔化所需的热量;作为还原剂,它提供铁矿石还原所需的还原气体;作为料柱骨架,它对炉料起支撑作用,并提供一个煤气通过的透气层;铁中的碳也全部来源于高炉焦炭。随着富氧喷煤技术的发展,焦炭的还原剂、发热剂、渗碳的作用已部分被喷吹煤粉所取代,但是作为料柱骨架,保持料柱在高炉冶炼过程中具有良好的透气性是不能取代的,而且由于以煤代焦大幅度降低了入炉的焦炭,其保持强度的能力更加值得关注。同时,高炉大型化后,对于高炉能否顺行来说,焦炭料柱骨架的作用也显得尤为重要。再有,从节能的角度看,高反应性的焦炭在较低温度下开始降解,反应开始位置移向高炉上部,焦炭强度下降幅度增大,粉末增多导致炉料的透气、透液性变差从而影响到高炉顺行,能量利用也随着焦炭的气化加剧而变差。以上这些因素都对焦炭提出了更高的要求,即要求焦炭有更高的反应后强度和尽可能低的反应性。

用CSR和CRI配合或取代M40和M10操作高炉,其优点已经得到公认。但是简单地套用别的企业指标却并不合适。这主要是高炉的大小不同、原料不同、操作不同所致,研究表明高炉用焦炭的含水量和炉内的循环碱对CSR和CRI的影响就不容忽视。

2 热性能与相关指标的统计研究

2.1 焦炭反应性、反应后强度和小于3 mm含量之间的关系

我们从2002年至今一直在关注焦炭热性能的一些内在关系,图1和图2是针对重钢、川威、达钢等3个钢铁企业和2个焦化企业,在工作中进行实验研究时获得的共20个焦炭样数据。各焦炭的配煤情况肯定存在差异,但结果表明其指标的内在关联性非常强,存在明显的线性相关的变化趋势。

2.2 焦炭热性能与生产指标的关系

近年来的国内外生产实践表明,焦炭CSR与高炉生产情况密切相关。焦炭从进入高炉那一刻起,M40就不能真实反映焦炭在炉内的变化趋势,简单地说2个M40值相同的焦炭在炉内的块状焦保持能力却不尽相同,当然对生产的影响也就不同。但是,在炼焦生产稳定的情况下,M40的意义还是明显的,图3是印度Pypkene冶金工厂焦炭热强度与产量的关系。可是,目前国内的冶金企业还没有建立自己的焦炭热性能控制标准,多数情况是高炉不顺的时候才检测焦炭的CSR和CRI,仅仅是对导致高炉顺行受阻的原因进行排查。因此,焦炭热性能与生产指标的关系只是一些零星的报道。

图3 印度“Pypkene冶金工厂”4#高炉产量与M40的关系

实际上,采用统计的方法对焦炭热性能与生产指标的关系进行研究并不复杂,建立的关系对我们制定企业控制标准意义重大。某420 m3高炉的5个焦炭热强度数据与产量的关系见图4。为了排除其他因素的干扰,这些数据均是在生产稳定的条件下取得的。

图4 某420 m3高炉产量与焦炭热强度的关系

上述规律是我们在工作中观察到的一些局部现象,国内企业在CRI和CSR的应用规定中往往是经验性的,缺乏足够的依据。如果企业能主动进行这些工作,再配合对碱金属、水分对焦炭热性能影响的研究,就可以制定出更加合理的焦炭热性能控制指标,提高高炉操作控制水平。

3 焦炭热强度在高炉内劣化的影响因素

焦炭的CSR与M40比较,可以通过剖析高炉过程进行了解。将焦炭的行进过程划分成3段,即炉外冷态下的转运、高炉炉腹以上区域和炉腹至炉缸区域。从焦炭破损机理来看M40对前2段的模拟还是比较准确的,但是对第3段的模拟显然就有疑问了。因为在第3段,焦炭主要是由于受到气化反应、高温热力和碱金属作用而趋于整体破裂的,在这一段CSR对其模拟就更加准确。

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3.1 焦炭含水量对焦炭热性能的影响

关于水分对焦炭热强度的影响有2种不同观点,一种认为按照现行的标准GB/T4000-1996,水分不影响CSR和CRI的检测结果;二是认为干焦的热性能指标要好于湿焦。为此,我们通过实验进行了检验。GB/T4000-1996中规定的试样必须在170～180℃干燥2 h,因此要了解水分对焦炭热性能的影响就需要取消该环节。为了更好地模拟高炉过程,我们将反应管置入炉膛时的温度分别设为室温和350℃,以350℃模拟炉顶温度。实验数据见表2。

实验数据表明,湿焦在室温下置入反应管升温,其升温过程中焦炭的水分得以顺利溢出,实验结果与干焦的实验结果无显著差异。但是湿焦在350℃时才将反应管置入炉膛,实验的结果就与干焦的实验数据产生了差异,说明在高炉炼铁过程中,湿焦中的水分并不能迅速溢出焦炭表面,因此水的存在加速了碳的流失。

表2 湿焦和干焦的热性能指标对比%

基于以上的情况,企业在制定控制标准的时候,可以对水分的影响做进一步的研究,如果仍然采用的湿法熄焦,可以考虑一个对焦炭含水修正的方案而不必改变G B/T4000-1996规定的实验程序。

3.2 碱金属对焦炭热性能的劣化

关于碱金属对焦炭热性能的劣化作用研究比较成熟,方法多是碱泡或加碱的方式处理后测定其热性能的变化。可以认为,碱金属的存在形态以K2O和Na2O为主,其对焦炭的劣化机理是:

联立(1)、(2)式,得:

(3)式表明,K的存在加速了焦炭中碳的流失,根据已有的研究成果,如果焦炭中K2O提高0.3%,那么其CRI将提高5%左右。根据这种情况,在制定企业控制标准的时候必须对应碱金属的各种形态。也就是说实验测定的焦炭热性能在实际生产条件下会发生变化,而且这种变化与各个高炉的具体条件联系密切。我们对某420 m3高炉的炉内粘结物和布袋灰进行了分析,结果如表3。

表3 某420 m3高炉的炉内粘结物和布袋灰成分分析%

如果不考虑高炉内粘结物的影响,那么布袋灰中的碱金属也会导致普通焦炭的反应性上升到50%左右。这种推测可能是成立的,这表明在制定焦炭热性能企业控制标准的时候,正确分析高炉内碱金属的平衡情况是相当重要的。

3.3 高冶炼强度对焦炭热性能的劣化

随着冶炼强度的提高,风口焦上的包裹物增多,风口焦中TiO2、Fe2O3含量增加,焦炭气孔率增加。入炉焦和风口焦的平均粒度差增大,即焦炭在炉内消耗加快、强度变差。因此,在提高冶炼强度的同时必须考虑焦炭劣化对高炉的影响。

3.4 喷吹煤粉对高炉焦炭的劣化

随着喷吹煤粉技术的推广以及高炉喷吹技术含量的提高,焦炭在风口回旋区的滞留时间相对延长,会使焦炭破损,加剧焦炭的劣化。

4 改善焦炭热性能的途径

焦炭是高炉冶炼十分重要的原料,焦炭的质量与高炉的铁水质量密切相关。常用改善和提高焦炭质量的途径和措施如下。

(1)改善配煤结构。配煤时,最大限度地增加惰性组分的量,可降低焦炭的反应性;配入焦粉、改质沥青等添加物,则可以提高反应强度。

(2)减少焦炭灰分。焦炭灰分会对高炉生产过程和产量带来一定影响。因此对原煤的成分需要严格控制。

(3)采用新工艺。预热煤炼焦技术可以提高焦炭的耐磨强度,配入型煤炼焦工艺能改善焦炭很多性能。

(4)配合煤的选用和控制。煤的水分含量影响其堆积密度和结焦时间,能影响焦炭的微观性能。此外,可以喷加负催化剂,使其富积在焦炭表面,抑制焦炭溶损反应的进行,从而提高焦炭热性能。

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