焦炭反应性及反应后强度试验的影响因素探讨

原斌

（山西省地质勘查局二一三地质队 山西 临汾 041000）

引言

焦炭在高炉中主要起热源、还原剂、支撑骨架及提供碳元素作用。很久以来，我国一直将焦炭的机械强度作为衡量焦炭质量的一个重要指标，用于反映其在焦炉中的强度状况。但是实际高炉生产中，冷强度并不能真实的模拟出焦炭在高炉中的真实情况。为此国家在新的冶金焦炭标准中增加了焦炭的反应性和反应后强度两项指标，来更好反应焦炭在高炉生产中的反应行为。

焦炭的反应性和反应后强度试验是一个对检测过程条件要求很高的试验。从试验中的样品加工、反应器选择、升温速度等因素方面都对整个检测结果有着不可预估的影响。

1 试样的影响

试样的均匀性影响试验结果的重复性。试样粒径的变化导致焦炭颗粒表面积的差异，从而导致实验过程中反应界面的差异，导致实验结果的差异。GB/T 4000-2017中样品的粒径由21-25mm改为23-25mm，因此，样品的粒径和数量趋于相同[1]。

实验结果的再现性也受到了人的因素的影响。焦炭和焦头热特性的实验结果表明，CRI极差为6.1%，CSR极差为9.0%，大大超过了实验再现性要求。在GB/T4000～2017中，明确要求丢弃发泡焦炭，但是发泡焦炭的判别中的人为差异引起样品的差异。条形焦炭和片状焦炭的选择必须尽可能一致。可以修改直径的1/5以上的厚度，为了确保样品的均匀性需要去除较薄的厚度[2]。

2 升温速度的影响

在升温过程中，焦炭在达到最大线膨胀温度T1后发生体积变化，焦炭中出现新的裂纹，使体积迅速收缩。由于T1>1100℃高于焦炭热反应性的实验温度，对实验过程没有影响。通过不同加热速度对检测结果影响的实验，发现加热速度控制在要求的范围内（8℃-16℃/MIM），检测结果不会有显著差异。对于连续实验设备，炉温冷却时间较长。为了缩短连续实验时间，进行了室温加热与300～400℃启动的对比实验。结果见表1。可以看出，初始温度对实验结果影响不大[3]。

表1 初始温度对实验结果的影响(%)

3 气体的影响

3.1 氮气对实验结果的影响

实验在400～1100℃加热时，在焦炭中注入0.8l/min的氮，冷却到100℃以下时，在焦炭中注入2l/min的氮。实验表明，在氮气氛的正常流动中，焦炭的质量损失在0.3g以下，对实验结果几乎没有影响，但是氮的纯度对实验结果特别影响cri。纯度越低，CRI越大。因此，氮的纯度小于99.99%，必须被精制以除去氧气和水[4]。

3.2 CO2对实验结果的影响

温度达到1100℃后通入CO2反应，实验中要求CO2的流量控制在5L/min。

a、CO2流量要稳定，准确。CO2流量不足时，反应性偏低，强度偏高，过量则相反，如果不是使用CO2流量计，需要经过校正换算成CO2气体流量，通气前要使用电加热减压阀提前预热CO2气瓶的出口处，以保证气体流量的稳定，若流量计在气体净化之前，在检查进入反应器的气体流量或是否漏气时，可在反应器前串联流量计。实验过程中要监视CO2流量，出现流量变化或波动时需及时调整[5]。

b、CO2的纯度越低，测定的反应性越大，因此，对于含量达不到99.5%的CO2，应进行净化。洗气瓶中的浓硫酸和干燥剂要经常更换，否则会使实验结果产生偏差。

4 炉温的影响

温度是影响 CRI 和 CSR 最主要的因素。在高炉内的气体条件下，焦炭的活化能约为310-335kJ/mol，即反应温度每增加30℃，焦炭的化学反应速度约增加1倍。检测中炉温波动范围要求在±3℃。控制炉温的稳定，主要包括以下环节。

(1)反应炉炉丝的使用周期为50-60次左右，需经常注意观察。使用新炉丝时需要重新设定炉子的升温参数，确保炉温波动小于3℃。炉体内的耐火材料要填充均匀、密实，减少散热，使上下部试样整体受热均匀。

(2)使用的热电偶必须是经过校正的。热电偶套管长350mm，热电偶要插到套管底部，端部位于料层中心位置，反应器深度为500mm，200g 试样高度约为100mm，炉膛恒温区的长度必须大于150mm，保证实验时试样位置在炉膛恒温区之内。

5 热电偶安装高度对焦炭反应性测定结果的影响

根据GB/T 4000-1996 的要求反应器底部的高铝球约高100mm，根据实践经验需 20mm 高铝球 约58个，使反应器内焦炭层处于电炉恒温区，热电偶套管插入焦炭层中心位置。国标规定了反应器插热电偶的中心套管的长度是350mm，但是由于批次的反应器中心套管位置有所差异，因此我们就两个批次热电偶插管高度分別350mm 和340mm(从密封处向下测量)的反应器进行实验。不同反应器对几组不同焦炭进行的对比实验结果见表2。

表2 不同反应器对几组不同焦炭的对比实验结果

6 结语

焦炭 CRI 及 CSR 测定是一项规范性很强的实验，焦炭试样的均匀性、气体的纯度和流量、炉温变化都对实验结果影响较大，在一定响环节加以控制，才能保证实验结果的稳定性和重复性。

附：其他实验室研究结论旧国标下焦炭颗粒研究焦块数量多少对焦炭反应性测定结果的影响邯钢焦化厂焦炭反应性试验的取制样方法参照GB/T4000-1996进行，试样制备方法简述如下：取大于25mm 焦炭 60kg，弃去泡焦和炉头焦，用颚式破碎机破碎、混匀，然后用φ21 和φ25圆孔筛筛分，φ21筛上物去掉片状焦和条状焦装入转鼓，转鼓后焦样 170-180℃温度下烘干2小时后即可作为试验样品。由于国际规定的范围较宽，200g 试样中可以选取不同块数的焦炭(37-43块)进行试验，但是在实践过程中存在性状和粒度不规则等问题，这就造成了实验的可重复性较差，同样条件下我们所做的一组的焦炭对比试验结果发现，颗粒数在37颗与43颗对比时检测结果有着明显差异，因此我们试验时最好能选取粒度均匀的颗粒从而减少结果差异。