分析焦炭反應(yīng)性對(duì)高爐爐料熔滴性能的影響

王剛

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

在高爐應(yīng)用富氧大噴煤的強(qiáng)化冶煉措施之后，高爐冶煉出現(xiàn)了一些變化，而其最大的特征就是對(duì)焦炭料柱骨架作用要求較為嚴(yán)格。焦炭的反應(yīng)性以及反應(yīng)強(qiáng)度是對(duì)焦炭熱態(tài)性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，而焦炭的反應(yīng)性就是焦炭自身的化學(xué)穩(wěn)定性。焦炭反應(yīng)之后的強(qiáng)度就是焦炭在爐內(nèi)的高溫強(qiáng)度數(shù)值。對(duì)其探究分析，了解性能指標(biāo)具有一定的實(shí)踐價(jià)值與意義。

1 焦炭熱強(qiáng)度與熔滴性能指標(biāo)分析

1.1 焦炭熱強(qiáng)度

焦炭熱強(qiáng)度就是反應(yīng)焦炭熱態(tài)性能的機(jī)械強(qiáng)度指標(biāo)（CSR%）。其主要表現(xiàn)焦炭在應(yīng)用環(huán)境的溫度等狀態(tài)之下，同時(shí)受到熱應(yīng)力以及機(jī)械力的作用力之下抵抗破碎以及磨損的能力，焦炭的熱強(qiáng)度有著不同的測定方式。第一種測定方式就是熱轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度測定分析。測量焦炭的熱轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度，就是將焦炭放在含有惰性氣氛的高溫轉(zhuǎn)鼓之中，以特定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)一定轉(zhuǎn)數(shù)之后，測定其大于或者小于特定篩級(jí)的焦炭中的百分率，就是焦炭的熱強(qiáng)度。而第二種方式就是通過稱取一定比例的焦炭試樣，放置在高溫的反應(yīng)器中，將其放置在焦炭反應(yīng)性測定儀中，按壓啟動(dòng)鍵設(shè)備進(jìn)行一定程度升溫，在溫度為1100±5℃時(shí)，將其與二氧化碳反應(yīng)2小時(shí)后，對(duì)焦炭質(zhì)量損失的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行測量，即可獲得焦炭反應(yīng)性(CRI%)。焦炭反應(yīng)性就是焦炭與二氧化碳、水蒸氣以及氧的化學(xué)反應(yīng)能力。焦炭反應(yīng)后強(qiáng)度就是反應(yīng)后的焦炭在機(jī)械力以及熱應(yīng)力作用之下抵抗碎裂以及磨損的能力。焦炭在高爐煉鐵以及鑄造化鐵、固定床氣化的過程中，要與二氧化碳、氧氣以及水蒸氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。因?yàn)榻古c氧、水蒸氣的反應(yīng)與二氧化碳之間有著類似的規(guī)律特征，因此許多國家都是通過焦炭以及二氧化碳的反應(yīng)特性評(píng)定焦炭的反應(yīng)性(CSR%）。

1.2 熔滴性能指標(biāo)分析

通過實(shí)驗(yàn)自身對(duì)原料的荷重、升溫、還原、軟化、滴落工程中的料層位移、壓差以及溫度變化產(chǎn)生影響，綜合記錄數(shù)據(jù)分析，不同的人員對(duì)熔滴性能的衡量參數(shù)進(jìn)行了分析。

（1）軟化開始溫度。不同的研究者對(duì)軟化開始溫度的理解不同。我國的相關(guān)研究者主要就是根據(jù)荷重軟化實(shí)驗(yàn)慣例為基礎(chǔ)，將體積收縮10%對(duì)應(yīng)的溫度定義為軟化開始溫度。在國外的文獻(xiàn)中，實(shí)驗(yàn)中主要就是通過30%的體積收縮對(duì)應(yīng)溫度作為主要的指標(biāo)。此數(shù)值意味著礦料初步變形問題較高更為適宜。為了便于進(jìn)行指標(biāo)信息對(duì)比，要基于我國習(xí)慣為標(biāo)準(zhǔn)，將體積收縮10%的對(duì)應(yīng)溫度作為軟化開始溫度。

（2）軟化終了溫度。在實(shí)驗(yàn)中，優(yōu)質(zhì)的燒結(jié)礦具有良好的抗變形能力，在體積沒有收縮50%的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)滴落。應(yīng)用40%的體積收縮對(duì)應(yīng)溫度作為其軟化終了溫度。

（3）熔化開始溫度。此概念并沒有明確的定義。在荷重升溫還原過程中，材料的荷重狀態(tài)屬于融化是值得探究的問題。一些學(xué)者將50%的體積收縮對(duì)應(yīng)溫度作為融化的開始溫度，也有學(xué)者將總壓阻峰值的50%對(duì)應(yīng)的溫度作為指標(biāo)。而基于理論分析論述，礦石熔化會(huì)出現(xiàn)壓阻急劇上升。因此壓差的陡升溫度作為開始溫度較為科學(xué)。為了避免軟化終了與不出現(xiàn)熔化開始溫度概念，可以將壓差陡升溫度作為參考信息。

2 實(shí)驗(yàn)方法與方案

（1）實(shí)驗(yàn)原料。二氧化硅、氧化鈣、氧化鎂、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鈉、氧化鉀、氧化鐵以及硅。

（2）實(shí)驗(yàn)原理。在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的原料與碳的基本反應(yīng)原理大致相同。例如，在氧化鐵與碳的反應(yīng)中，氧化鐵中的鐵離子為正三價(jià)鐵離子，而焦炭中的碳元素為零價(jià)，三價(jià)鐵離子以及零價(jià)碳離子缺乏穩(wěn)定性，在高爐中隨著反應(yīng)原料的加熱，零價(jià)碳離子以及三價(jià)鐵離子在高溫的環(huán)境之下就會(huì)產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，碳離子作為還原劑，化合價(jià)隨著其升高就會(huì)變?yōu)榉€(wěn)定的正四價(jià)，鐵離子作為氧化劑會(huì)在還原反應(yīng)之下變?yōu)槎r(jià)鐵離子，而主要的還原產(chǎn)物就是二氧化鐵。

（3）實(shí)驗(yàn)步驟。高爐中的實(shí)驗(yàn)是在高溫高壓的狀況之下開展，無法詳細(xì)的觀察實(shí)驗(yàn)過程，高爐熔滴性主要就是高爐中反應(yīng)之后，殘留的物質(zhì)作為主要的殘留物質(zhì)。高爐中在較為獨(dú)立的空間，而在不同空間加入等量的氧化鐵以及焦炭，要保障高爐中供氧的充足性，在實(shí)踐中可以通過氮?dú)獗苊鉁囟冗^高。應(yīng)用的氮?dú)馀c高爐中的化學(xué)原料不會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)，具有保護(hù)高爐的作用。在反應(yīng)中對(duì)高爐進(jìn)行持續(xù)的加熱，溫度在1000逐漸增加到1600，高爐中物體就會(huì)充分的反應(yīng)，此種方式適用于不同的實(shí)驗(yàn)原料，通過電子顯微鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)的殘?jiān)M(jìn)行觀察。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 焦炭反應(yīng)性對(duì)爐料熔滴性能的影響

（1）焦炭反應(yīng)性對(duì)爐料的影響。焦炭反應(yīng)性對(duì)爐料函數(shù)的影響具體如圖1。

圖1 焦然反應(yīng)性熔滴實(shí)驗(yàn)軟化溫度

隨著焦炭反應(yīng)性的不斷增加，t10就會(huì)逐漸的降低，表明爐料軟化開展的過程中溫度就會(huì)逐漸的降低。圖表中4號(hào)應(yīng)用的焦炭反應(yīng)性較高，爐料軟化開始溫度最低數(shù)值為112℃，相對(duì)于爐料軟化開始的溫度對(duì)比分析，二者相差108℃。主要就是因?yàn)榻固糠磻?yīng)性提升，增強(qiáng)了煤氣中鈷濃度逐漸提升，提升了煤氣自身的還原能力。而在其溫度高于1000℃的時(shí)候，大量的氧化鐵就會(huì)降低熔點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致爐料軟化，溫度逐漸降低。t40的最低溫度為1407℃，最高溫度為1438℃，其最低溫度與最高溫度之間降低了31℃。隨著范圍的逐漸增大，爐料軟化結(jié)束溫度并沒有出現(xiàn)顯著的變化，在軟化開始隨著溫度的降低而軟化結(jié)束，在溫度沒有顯著變化的狀態(tài)之下，軟化區(qū)間中的Δt1會(huì)逐漸的增大，料層的透氣性就會(huì)變差，主要就是因?yàn)殡S著焦炭反應(yīng)的增強(qiáng)，在反應(yīng)之后其強(qiáng)度逐漸降低，焦炭的粒度就會(huì)降級(jí)，粉末就會(huì)增加，這樣就會(huì)影響料層的透氣性，導(dǎo)致軟化區(qū)間的逐漸增大。

（2）焦炭反應(yīng)性對(duì)爐料的影響。焦炭反應(yīng)性對(duì)爐料產(chǎn)生的影響具體如圖2。

圖2 焦然反應(yīng)性熔滴實(shí)驗(yàn)軟化溫度

通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著焦炭反應(yīng)性的不斷增強(qiáng)，ts逐漸降低，降低為1268℃，降低了38℃。而td則沒有太大的變化，在1437℃ ～1446℃區(qū)間之間波動(dòng)，相差9℃。隨著Δtds的增大，溫度上升到169℃，增加了37℃。表明焦炭反應(yīng)性增強(qiáng)之后爐料壓差突然提升，溫度也隨之降低，滴落的溫度并沒有明顯的變化，熔化區(qū)間也在增大，主要就是因?yàn)殁洝⑩c等堿金屬在軟溶帶區(qū)域中富集較為嚴(yán)重，在此高溫區(qū)域中主要就是通過單質(zhì)蒸汽的方式存在。其對(duì)于焦炭具有催化的作用，增強(qiáng)了焦炭的反應(yīng)性，導(dǎo)致爐料壓差快速提升，溫度逐漸降低。隨著反應(yīng)的持續(xù)開展，焦炭中的碳素?fù)p失問題嚴(yán)重，在反應(yīng)之后其強(qiáng)度也會(huì)逐漸的降低，這樣就會(huì)在一定程度上減弱焦炭料柱骨架，導(dǎo)致料層透氣性不佳。Δtds則就會(huì)增大，融化的溫度區(qū)間也逐漸的增大。

（3）焦炭反應(yīng)性影響爐料最大壓差。隨著焦炭反應(yīng)性的不斷提升，爐料中的最大壓差也在不斷的增大，表明爐料中的最大壓差增加。隨著焦炭反應(yīng)性的增強(qiáng)，焦炭碳素的溶損反應(yīng)就會(huì)加劇，導(dǎo)致料層中氣體流量不斷的增加，導(dǎo)致壓差阻力損失的增加。隨著爐料在荷重條件的影響之下，焦炭的碳素溶損反應(yīng)以及鐵礦石的還原會(huì)導(dǎo)致爐料出現(xiàn)破碎，導(dǎo)致料層孔隙度的降低，直接影響了料層的透氣性，導(dǎo)致壓差的增大。

（4）焦炭反應(yīng)性對(duì)爐料總特性值的影響。在焦炭反應(yīng)性的增加過程中，爐料總特征數(shù)值就會(huì)不斷的增大，也就意味著爐料熔滴性總特性數(shù)值在不斷的增大。在實(shí)驗(yàn)中，可以發(fā)現(xiàn)隨著焦炭反應(yīng)性的增加，爐料總體特征增加大了140kPa·℃，通過結(jié)果分析，焦炭CRI的數(shù)值增高，爐料熔滴綜合指標(biāo)數(shù)值較高。主要就是因?yàn)榻固糠磻?yīng)性的增強(qiáng)，爐料中壓差迅速提升，溫度降低，軟熔區(qū)間會(huì)不斷的變寬，料層的透氣性就會(huì)較差，導(dǎo)致壓差增大，熔滴的綜合性指標(biāo)數(shù)值就會(huì)增大，如果將爐料總體特征數(shù)值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，就要適當(dāng)?shù)慕档透郀t中焦炭的反應(yīng)性。

3.2 焦炭碳素溶損反應(yīng)

通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測分析，了解到隨著焦炭反應(yīng)性的增強(qiáng)，焦炭中氣孔數(shù)量逐漸增加，氣孔孔壁也逐漸變薄，質(zhì)地也更為疏松，焦炭反應(yīng)性在增強(qiáng)之后，熔滴過程會(huì)存在較為激烈的反應(yīng)，碳素的損失較為嚴(yán)重，主要就是因?yàn)榻固恳约盃t料中的鐵氧化物反應(yīng)過于激烈導(dǎo)致的。

4 結(jié)語

通過對(duì)焦炭反應(yīng)性對(duì)高爐爐料熔滴性能的影響分析，了解具體的影響因素以及狀況，對(duì)各項(xiàng)要點(diǎn)進(jìn)行分析，明確不同的反應(yīng)狀況，綜合實(shí)際狀況有效完善優(yōu)化，可以保障生產(chǎn)的安全性以及穩(wěn)定性。