高爐用焦炭熱強度指標要求及檢測方法

魏 國，沈峰滿，杜 鋼，杜鶴桂

（1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004）

高爐用焦炭熱強度指標要求及檢測方法

魏 國，沈峰滿，杜 鋼，杜鶴桂

（1.東北大學 材料與冶金學院，沈陽 110004）

高爐冶煉通常要求焦炭具有較低的反應性和較高的反應后強度.但焦炭反應性過低不利于提高高爐反應效率.本文對焦炭在高爐內消耗機理進行了分析，認為高爐爐身焦炭消耗量與鐵礦石直接還原度相關，爐身消耗的焦炭量是比較穩定的，現有焦炭熱強度評價方法存在不足.為了避免焦炭反應過度，應調整焦炭熱強度指標的測定方法，如改變反應氣氛或根據焦炭失重量確定反應時間，使測定結果能夠合理反映爐內焦炭消耗的規律.

高爐;焦炭;反應性;反應后強度;碳溶反應

焦炭是傳統高爐煉鐵工藝不可缺少的燃料.近年來，隨著高爐噴吹燃料技術的發展，焦比不斷下降，焦炭質量對高爐冶煉的影響愈來愈明顯，成為限制高爐生產發展的因素之一［1］.

用于高爐冶煉的焦炭通常需要滿足成分、粒度和強度等三個方面的質量要求，如固定C含量高、灰分低、有害元素含量低，粒度為40～60 mm且均勻，冷強度高等.為了保證焦炭在爐內溫度和氣氛條件下抗破碎和磨損的能力，還要求焦炭具有一定的熱強度（反應后強度CSR:Coke Strength After Reaction）和較弱的反應性（CRI:Coke Reactivity Index）［2］.

近年來，日本煉鐵界開展了一系列關于提高高爐反應效率的研究，其中包括使用高反應性焦炭的技術［3］.我國一些高爐也有長期使用高反應性焦炭進行冶煉的實例（CRI≈50%）［4］.這與目前對焦炭熱強度的認識相差較大.本文從焦炭在冶煉中的作用、焦炭在高爐內消耗機理方面進行了分析，探討了現有焦炭熱強度評價方法的問題，提出確定焦炭合理熱強度指標的可能調整措施，以期為促進高爐降低燃耗、擴大資源適應性提供理論參考.

1 焦炭在高爐中的作用及其質量要求

1.1 焦炭在高爐中作用的演變

焦炭在高爐內不同位置起著不同作用（圖1）.

圖1 高爐內部物料存在形態Fig.1 Schematic representation o f a section of blast furnace

（a）在高爐風口前燃燒帶，焦炭燃燒提供冶煉所需的熱量，產生還原煤氣;

（b）在軟熔帶和滴落帶，作為料柱骨架維持爐芯透氣透液性，并為鐵水滲碳提供碳源;

（c）在爐身下部塊狀帶，通過Boudouard反應（碳溶反應）消耗.

隨著煉鐵技術的發展，焦炭已不是高爐的唯一燃料，作用（a）逐漸為噴吹燃料所替代.我國許多高爐噴煤比都已超過150 kg/t·HM，一些先進高爐的噴煤比可穩定在180 kg/t·HM左右，焦比也降至300 kg/t·HM 水平［5］.隨著焦比下降，焦炭保持爐內透氣透液性的作用更加突出.高爐生產實踐表明，若使用強度較差的焦炭冶煉，在高溫區域焦炭容易粉化，惡化料柱透氣透液性，影響煤氣流穩定，引起高爐爐況波動.因此，當前焦炭生產是以滿足作用（b）為主要目標，即生產高強度的焦炭（包括冷強度和熱強度）.

1.2 高爐冶煉對焦炭的質量要求

通常，高爐冶煉對焦炭質量有以下幾方面的要求:

（1）化學成分.要求固定碳含量高、灰分低［6］.固定碳含量高，焦炭提供的熱量和還原劑多.焦炭灰分高，高爐渣量將增加;灰分與焦質的膨脹性不同，在高爐內加熱后，灰分顆粒周圍產生裂紋，使焦炭強度降低;灰分中的堿金屬等對焦炭碳溶反應起催化作用，使焦炭反應性增高，影響反應后強度.此外，還要求焦炭揮發份含量低，焦炭水分穩定在較低水平.硫、磷和堿金屬等有害元素含量低.

（2）冷態機械強度.包括焦炭抗碎強度M40和抗磨強度M10指標.冷態強度與風口焦炭的粒度組成、平均粒度有較強的相關關系，整體反映了焦炭在高爐內保持粒度的能力，因而被用作日常生產檢驗指標.

（3）粒度.焦炭粒度要求均勻，平均粒度保持在40～50 mm水平.具體要求根據高爐容積、操作水平和指標水平略有不同.

（4）高溫性能.焦炭高溫性能包括反應性CRI和反應后強度CSR.反應性是衡量焦炭在高溫狀態下與CO2碳溶反應能力的穩定性指標;反應后強度是衡量焦炭在經受CO2和堿金屬侵蝕狀態下，保持高溫強度的能力.通常認為焦炭反應后強度CSR比冷強度指標更能反映焦炭的質量.

研究表明:焦炭反應后強度與反應性指標有較好的負相關性（圖2），即 CRI越低，CSR越高［3］.這是因為，高溫下焦炭與CO2發生碳溶反應，氣孔壁結構遭到破壞，容易粉碎和粉化，強度變差，無法起到料柱骨架的支撐作用.因此，降低CRI、提高CSR，改善高溫性能一直是國際煉焦、煉鐵界的共識.表1為國內外有關企業的焦炭反應性和反應后強度指標［7］.由表可見，多數企業要求焦炭反應性CRI小于30%，反應后強度CSR大于60%.

圖2 焦炭反應性和反應后強度指標的關系Fig.2 Relationship between CRIand CSR

表1 國內外一些企業的焦炭反應性CRI和反應后強度指標CSRTable 1 Requirement of CRIand CSR in some plants%

從數據來看，提高焦炭反應性與保證焦炭強度的要求是相互矛盾的.焦炭具有較好的反應性，則FeO越易被還原，有利于減少燃料消耗.但焦炭反應性越好，反應后強度CSR越差.為保證焦炭具有足夠的反應后強度，很多企業將焦炭反應性CRI小于30%作為焦炭質量的控制指標.

然而，我國新疆八鋼高爐長期以來使用高反應性的焦炭進行冶煉.根據標準方法測得該焦炭反應性高達50% ～60%，反應后強度CSR僅為20% ～30%，.按照傳統觀點，這種焦炭在爐內很快氣化，焦炭易破碎粉化影響料柱透氣性，高爐生產難以進行.然而，八鋼2 500 m3高爐生產基本穩定，利用系數不高但保持在2.0 t/（m3·d）左右，焦比約420 kg/t·HM，煤比約120 kg/t·HM.顯然，現有檢測方法不能全面反映焦炭在爐內的實際變化.

2 焦炭合理反應性指標的分析

2.1 焦炭碳溶反應分析

在高爐中，碳溶反應程度（也可理解為焦炭消耗量）與溫度、氣氛以及焦炭自身性質有關.根據煤氣成分和溫度變化（圖3），可將焦炭在高爐爐身區域的消耗情況分為兩類:

（1）在爐身上部塊狀帶區域，爐料被上升煤氣迅速加熱，溫度低于900℃;由于溫度較低，焦炭碳溶反應可以進行，但消耗焦炭量有限.

（2）在爐身中下部，即熱保存帶（Thermal reserve zone）中，是焦炭發生碳溶反應的主要區域.爐內氣氛由FeO還原的熱力學平衡條件決定，鐵氧化物被還原，其中的氧最終與碳結合為CO或CO2.碳溶反應和FeO被還原為Fe的反應互相促進，并決定了高爐爐身的反應效率.

在實際高爐生產中，碳溶反應消耗的焦炭量基本是一定的，大約占焦炭總量的25% ～30%;另外，約有5%的焦炭用于還原鐵以外的氧化物，約5%用于熔融鐵滲碳;其余55% ～70%在高爐下部燃燒，供給高爐熱量、產生還原煤氣.

瑞典LKAB公司在容積為8.2 m3的高爐進行了試驗［8］:分別裝入反應性 CRI為 19.9% ～38.2%的焦炭進行冶煉并取樣分析，結果表明，不同焦炭在爐內的反應量幾乎相同.

根據上述分析，新疆八鋼焦炭測得焦炭反應性高達50%以上，但實際在碳溶反應消耗的焦炭量僅為一半左右，實際焦炭反應后強度也不會下降到20%.這是八鋼高爐盡管生產指標偏低，但還能穩定生產的原因.

綜上分析，現有評價焦炭熱強度的方法并未考慮高爐內碳溶反應焦炭量消耗有限的前提，因

圖3 高爐中煤氣成分和溫度變化示意圖Fig.3 Scheme of temperature distribution of gas along the height of the blast furnace

2.2 質量檢測方法的探討

我國國家標準“焦炭反應性及反應后強度試驗方法”（GB－T 4000－2008）規定了焦炭熱強度指標的測定方法:稱取一定質量的焦炭試樣置于反應器中，在1 100±5℃時與二氧化碳反應2 h后，以焦炭質量損失的百分數表示焦炭反應性（CRI%）.反應后的焦炭經I型轉鼓試驗，大于10 mm粒級焦炭占反應后焦炭的質量分數表示反應后強度（CSR%）.

在國標規定條件下，焦炭反應性不同，碳溶反應消耗的焦炭量顯然不同，因而反應后強度也呈現較大差異.圖2所示的CSR和CSI的關系正是反映了這一規律.但是，如前所述，高爐爐身熱保存帶段的煤氣組成由FeO的還原反應決定，而不是100% 的CO2;并且焦炭消耗量不應超過40%～50%.所以圖2中高反應性區的數據在實際高爐中并不一定存在，只是實驗室測得結果.試驗中焦炭過度反應，使原本滿足可需要的焦炭CSR指標大幅下降.

由此可見，測定方法中反應氣組成和流量不當，會對焦炭熱強度指標測定結果產生很大影響.要準確評價焦炭的熱強度指標，可通過下述途徑進行調整:

（1）改變反應氣組成.減小GB－T 4000－2008所規定的CO2流量，或是保持通入氣體流量不變，組成變為p（CO2）/p（CO）=1/2的混合氣體，當反應時間達到2 h后通入氮氣.

（2）反應氣組成不變，實時測定裝入焦炭的失重情況，取失重達到某一限度的時間為反應時間.例如，當失重超過30%時（反應時間＜2 h），立即通入氮氣;如果2 h內焦炭失重仍低于30%，則取2 h為反應時間.

試驗結束后，測定反應后焦炭失重，計算轉鼓試驗大于10 mm粒級焦炭所占的百分比，得到CSR和CSI指標.

上述調整可避免焦炭反應過度的情況.與現有國標方法比較，其測定結果應更接近爐內焦炭消耗的規律，避免對焦炭反應性的過度要求，從而確定高爐冶煉對焦炭反應性和反應后強度的合理指標.

由于焦炭生產對煤資源的要求非常苛刻，需要配用一定量的主焦煤以生產高強度、低反應性的焦炭.在滿足強度要求前提下，焦炭反應性適當提高，有利于擴大煉焦用煤資源.此外，還有利于降低高爐燃耗，減少CO2的排放.因此，有必要展開深入研究，盡快確定合理的焦炭熱強度檢測方法.

3 結論

通過分析焦炭在高爐冶煉中的作用和消耗機理，探討現有焦炭熱強度評價指標存在的問題，得出如下結論:

（1）隨著高爐焦比下降，焦炭保持爐內透氣透液性的作用更加突出.因此，當前焦炭生產以獲得高強度的焦炭（包括冷強度和熱強度）為主要目標.由于焦炭反應后強度與反應性指標有較好的負相關性，焦炭低反應性、高反應強度成為國際煉焦、煉鐵界的共識.

（2）高爐爐身焦炭消耗量應與鐵礦石直接還原度相關.一定操作條件下，高爐直接還原度是相對穩定的，故爐身消耗焦炭量也應該是比較穩定的.現有評價高爐焦炭熱強度的方法存在過度反應的問題，不能全面反映焦炭在爐內的強度變化規律.

（3）為避免焦炭反應過度，應調整測定焦炭熱強度指標的方法，如改變反應氣組成或根據焦炭失重確定反應時間，使其測定結果更接近實際焦炭消耗的規律.確定評價焦炭熱強度指標的科學測定方案對擴大煉焦用煤資源、促進高爐降低燃耗都具有積極意義.

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Thermal strength requirement and testing method for blast furnace coke

WEIGuo，SHEN Feng－man，DU Gang，DU He－gui
（School of M aterialsand Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110004，China）

The BF ironmaking processusually requirescoke has low reactivity and higher strength after reaction，but it isunfavorable to improve efficiency of blast furnace reaction while coke has reactivity is too low.The consumption mechanism of coke in blast furnace was analyzed in this paper;the results show that the coke consumption in shaft directly related w ith the degree of direct reduction，and the consumption quantity is stable，so the existing evaluation method for coke thermal strength is inappropriate.In order to avoid coke overreacted，the evaluation method should be adjusted，such as change the atmosphere or determ ine testing time according to coke weight lost，thus the determ ination resultswould be reasonable and corresponded w ith factsof coke consumption in blast furnace.

blast furnace;coke;CRI;CSR;carbon solution loss reaction

TF 526

A

1671－6620（2011）04－0237－04

2011－09－10.

國家自然科學基金資助項目 （51074206）.

魏國 （1974—），男，河南項城人，東北大學副教授，E－mail:weig@smm.neu.edu.cn.