焦炭热性能影响因素分析

焦炭热性能影响因素分析

房尧宇

包钢化检验中心内蒙古包头014010

摘要：作为高炉主要的骨架材料，焦炭的热性能对日益强化的高炉生产起到了较大影响作用，为了提高高炉的耐热属性和其生产效率，必须对焦炭的热性能进行深入研究。本文从多个角度分析了焦炭热性能的影响因素，为相关单位进一步提高高炉的耐热性提供一些参考依据。

关键词：焦炭；热性能；影响因素

引言

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%。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。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。

1、影响焦炭热性质的主要因素

1.1、原料煤性质对焦炭反应性产生的影响

原料煤的变质程度、杂质含量以及结焦性能等会对焦炭反应性起到重要影响。原料煤变质程度不同，其炼制焦炭的反应性也不尽相同。在烟煤中，一般来说，低变质程度煤炼制的焦炭具有较高的反应性，煤的变质程度越高，所得焦炭的反应性越低，一旦煤的变质程度与贫煤接近时，其焦炭的反应性则会呈现上升情况。实践表明，在1000℃的条件下，对变质程度不同的煤炭进行焦炭反应性试验，无论是哪种反应气体，其反应性均与煤变质程度有着密切的联系，且呈现大致相同的规律，只有氢反应具有较大的离散程度。而在炼焦煤的范围内，其镜质组的最大平均反射率与焦炭反应性关系极为紧密，相关系数超出0．95。

1.2、煤炭中的部分矿物质则具有负催化作用或者不发生化学作用

负催化作用是指对焦炭的熔损反应起到阻碍作用的矿物质，这种矿物质的存在会有效抑制焦炭反应的活性，例如煤炭中所含有的Si以及B等元素，对二氧化碳的化学反应性有着较强的遏制作用。相关研究证明，当原料煤中灰成分不断增加时，焦炭自身的反应性与反应效率得到有效提高，当灰成分的比例为8.5%-9.5%，焦炭的反应性最好。一些学者通过一系列实验，对原料煤灰成分的比例对焦炭热性能的影响进行了分析，并在此基础上逐步构建起焦炭反应模型。另一部分专家学者则从不同的角度出发，对催化指数MCI与焦炭质量的关系进行分析，通过对相关试验数据进行汇总与有效分析，发现在一定条件下，焦炭的热性能的强弱直接受到MCI的控制。

1.3、碱金属等其他氧化物对焦炭反应的影响

大量研究表明，碱土金属、碱金属以及铁、锰、镍等氧化物对焦炭反应性也具有一定影响，其中以钾、钠的影响最为明显。众所周知，焦炭自身钾、钠含量非常低，对焦炭冶炼无法产生阻碍影响。但是在高炉中，因钾、钠等一系列碱金属呈现富集和循环状态，使得循环碱量要比矿石及焦炭中碱含量高出5倍左右，对焦炭的反应性产生严重影响。主要表现为以下几个方面:①当钾、钠的含量增加1%时，焦炭的反应性增加5%～8%。②当焦炭中钾、钠的含量过高时，还会导致焦炭与CO2提前产生反应。大量研究证明，焦炭中的钾、钠含量与焦炭的溶损反应呈现正相关，而焦炭反应性则与其反应后强度呈现负相关，即随着焦炭中含碱量的不断增加，其溶损反应的反应性也呈现上升趋势，其反应后强度则呈现下降趋势。

1.4、焦炭自身性质对焦炭热性能的影响

1.4.1、焦炭光学组织

当使用偏反光显微镜使用400-600倍对油浸物进行观察，可以发现焦炭的孔壁组织，焦炭自身的反应性主要受到同性组织、丝质以及破片结构影响，并且呈现出正相关的关系，同性组织、丝质以及破片结构越多，焦炭的化学反应性越强。各种异向组织则对焦炭有着一定的阻碍与抑制作用。焦炭各光学组织的反应性按如下关系递减：各向同性组织＞丝质组织＞破片组织＞细粒镶嵌状组织＞粗粒镶嵌状组织＞纤维状组织，且各向同性结构与细粒镶嵌组分之和与焦炭反应性相关良好。有学者通过研究焦炭光学组织指数OTI与CRI及CSR的关系后发现，CRI与OTI之间有较好的线性关系，且随着OTI的增大，CRI降低。

1.4.2、焦炭孔结构

焦炭是多孔体材料，90%以上气孔与外界相通，即开气孔，其余为闭气孔，焦炭气孔与反应性有一定的相关性。一般情况下，焦炭与CO2反应会使焦炭气孔率升高，孔径变大，气孔壁减薄，同时由于气孔壁穿透，气孔合并，会使小气孔发展成大气孔，反过来又使焦炭与CO2的接触面积增大，进一步增大了焦炭的反应性。有学者通过40kg实验焦炉炼焦后同样发现，当气孔率高、大气孔数量多、气孔大小不均匀及气孔壁薄时，焦炭易被CO2侵蚀，造成热性能指标变差。

2、焦炭热性质检测技术的应用及发展

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。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%。

2.2、不同温度下固定焦炭溶损量

由于焦炭的CSR与CRI呈负相关性，因而高CRI值的焦炭必然有较低的CSR值。虽然20世纪80年代某些高炉的统计表明低CRI、高CSR值的焦炭有利于冶炼，但是，国内某高炉近些年曾使用过CRI范围为40%～70%的多种焦炭，通过数据统计与分析并未发现CSR值的提高给高炉冶炼带来有利的变化趋势，实践证明了CRI和CSR值并不完善，尤其对于焦炭在高炉内的溶损量的模拟性并不充分。

高炉风口燃烧产生的CO在向上流动的过程中遇矿石层即还原铁氧化物产生CO2，CO2继续向上运动与焦炭层发生溶损反应产生CO，两者彼此交叠反复进行。所以焦炭在高炉中的溶损量受矿石还原提供CO2量的限制，理论计算得到的焦炭在高炉内的溶损量约为20%～30%（或约为25%）。虽然大部分高炉使用焦炭的CRI值为20%～30%，与理论计算的焦炭在高炉中的溶损量大体吻合，但有些焦炭的CRI值低于20%，有些超过30%，甚至达到40%。但实际上这些焦炭在高炉中的溶损量可以根据高炉的焦比和直接还原度计算得到，溶损量与其测试得到的CRI值并不相符。除了溶损量外，焦炭的溶损劣化情况还受反应的限制环节制约。如果化学反应是限制环节，焦炭内外都有炭素损失。如果扩散是限制环节，溶损反应在焦炭表面进行，焦炭的强度不会下降很多。鉴于NSC测试中焦炭溶损是在固定时间和固定温度下完成的，CRI值与实际高炉焦炭溶损量不符的情况，一些研究者相继开展了固定溶损量条件下的焦炭热性质测试。

2.3、粒焦测定法

在实际操作过程中，因块焦反应性具有块度大、试样量多等特点，被普遍认定为其检测结果具有较高的可信度，但实践表明，块焦检测法具有投资大、仪器易损坏、反应介质消耗量大、试验周期较长等缺陷，很难满足试验需求。所以，当前很多专家采用焦炭的粒焦反应性来加强对焦炭热性质的研究。在试验过程中，对单种煤焦炭与工业配煤焦炭之间的粒焦反应性以及反应后强度与块焦检测法的反应性及反应后强度之间的关系进行比较。从结果中不难看出，二者之间具有密切关联，相关系数高达0．65。此外，通过对单种煤焦炭的粒焦反应性与焦炭光学组织、煤质以及焦炭气孔结构参数等相关指标之间的关系进行研究，表明粒焦反应性能够对煤种进行良好区分。

结束语

总之，作为高炉耐热性能的重要影响因素之一，高炉的骨架材料——焦炭的热性能受到了学界的关注。关于焦炭热性能，相关单位还要积极深入研究，对焦炭热性能的影响因素进行了解，同时通过调整原料煤的选择标准和炼焦工艺等方式，提高焦炭的热性能指标。

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