焦炭反應性及反應后強度試驗的影響因素探討

原斌

（山西省地質勘查局二一三地質隊 山西 臨汾 041000）

引言

焦炭在高爐中主要起熱源、還原劑、支撐骨架及提供碳元素作用。很久以來，我國一直將焦炭的機械強度作為衡量焦炭質量的一個重要指標，用于反映其在焦爐中的強度狀況。但是實際高爐生產中，冷強度并不能真實的模擬出焦炭在高爐中的真實情況。為此國家在新的冶金焦炭標準中增加了焦炭的反應性和反應后強度兩項指標，來更好反應焦炭在高爐生產中的反應行為。

焦炭的反應性和反應后強度試驗是一個對檢測過程條件要求很高的試驗。從試驗中的樣品加工、反應器選擇、升溫速度等因素方面都對整個檢測結果有著不可預估的影響。

1 試樣的影響

試樣的均勻性影響試驗結果的重復性。試樣粒徑的變化導致焦炭顆粒表面積的差異，從而導致實驗過程中反應界面的差異，導致實驗結果的差異。GB/T 4000-2017中樣品的粒徑由21-25mm改為23-25mm，因此，樣品的粒徑和數量趨于相同[1]。

實驗結果的再現性也受到了人的因素的影響。焦炭和焦頭熱特性的實驗結果表明，CRI極差為6.1%，CSR極差為9.0%，大大超過了實驗再現性要求。在GB/T4000～2017中，明確要求丟棄發泡焦炭，但是發泡焦炭的判別中的人為差異引起樣品的差異。條形焦炭和片狀焦炭的選擇必須盡可能一致。可以修改直徑的1/5以上的厚度，為了確保樣品的均勻性需要去除較薄的厚度[2]。

2 升溫速度的影響

在升溫過程中，焦炭在達到最大線膨脹溫度T1后發生體積變化，焦炭中出現新的裂紋，使體積迅速收縮。由于T1>1100℃高于焦炭熱反應性的實驗溫度，對實驗過程沒有影響。通過不同加熱速度對檢測結果影響的實驗，發現加熱速度控制在要求的范圍內（8℃-16℃/MIM），檢測結果不會有顯著差異。對于連續實驗設備，爐溫冷卻時間較長。為了縮短連續實驗時間，進行了室溫加熱與300～400℃啟動的對比實驗。結果見表1。可以看出，初始溫度對實驗結果影響不大[3]。

表1 初始溫度對實驗結果的影響(%)

3 氣體的影響

3.1 氮氣對實驗結果的影響

實驗在400～1100℃加熱時，在焦炭中注入0.8l/min的氮，冷卻到100℃以下時，在焦炭中注入2l/min的氮。實驗表明，在氮氣氛的正常流動中，焦炭的質量損失在0.3g以下，對實驗結果幾乎沒有影響，但是氮的純度對實驗結果特別影響cri。純度越低，CRI越大。因此，氮的純度小于99.99%，必須被精制以除去氧氣和水[4]。

3.2 CO2對實驗結果的影響

溫度達到1100℃后通入CO2反應，實驗中要求CO2的流量控制在5L/min。

a、CO2流量要穩定，準確。CO2流量不足時，反應性偏低，強度偏高，過量則相反，如果不是使用CO2流量計，需要經過校正換算成CO2氣體流量，通氣前要使用電加熱減壓閥提前預熱CO2氣瓶的出口處，以保證氣體流量的穩定，若流量計在氣體凈化之前，在檢查進入反應器的氣體流量或是否漏氣時，可在反應器前串聯流量計。實驗過程中要監視CO2流量，出現流量變化或波動時需及時調整[5]。

b、CO2的純度越低，測定的反應性越大，因此，對于含量達不到99.5%的CO2，應進行凈化。洗氣瓶中的濃硫酸和干燥劑要經常更換，否則會使實驗結果產生偏差。

4 爐溫的影響

溫度是影響 CRI 和 CSR 最主要的因素。在高爐內的氣體條件下，焦炭的活化能約為310-335kJ/mol，即反應溫度每增加30℃，焦炭的化學反應速度約增加1倍。檢測中爐溫波動范圍要求在±3℃。控制爐溫的穩定，主要包括以下環節。

(1)反應爐爐絲的使用周期為50-60次左右，需經常注意觀察。使用新爐絲時需要重新設定爐子的升溫參數，確保爐溫波動小于3℃。爐體內的耐火材料要填充均勻、密實，減少散熱，使上下部試樣整體受熱均勻。

(2)使用的熱電偶必須是經過校正的。熱電偶套管長350mm，熱電偶要插到套管底部，端部位于料層中心位置，反應器深度為500mm，200g 試樣高度約為100mm，爐膛恒溫區的長度必須大于150mm，保證實驗時試樣位置在爐膛恒溫區之內。

5 熱電偶安裝高度對焦炭反應性測定結果的影響

根據GB/T 4000-1996 的要求反應器底部的高鋁球約高100mm，根據實踐經驗需 20mm 高鋁球 約58個，使反應器內焦炭層處于電爐恒溫區，熱電偶套管插入焦炭層中心位置。國標規定了反應器插熱電偶的中心套管的長度是350mm，但是由于批次的反應器中心套管位置有所差異，因此我們就兩個批次熱電偶插管高度分別350mm 和340mm(從密封處向下測量)的反應器進行實驗。不同反應器對幾組不同焦炭進行的對比實驗結果見表2。

表2 不同反應器對幾組不同焦炭的對比實驗結果

6 結語

焦炭 CRI 及 CSR 測定是一項規范性很強的實驗，焦炭試樣的均勻性、氣體的純度和流量、爐溫變化都對實驗結果影響較大，在一定響環節加以控制，才能保證實驗結果的穩定性和重復性。

附：其他實驗室研究結論舊國標下焦炭顆粒研究焦塊數量多少對焦炭反應性測定結果的影響邯鋼焦化廠焦炭反應性試驗的取制樣方法參照GB/T4000-1996進行，試樣制備方法簡述如下：取大于25mm 焦炭 60kg，棄去泡焦和爐頭焦，用顎式破碎機破碎、混勻，然后用φ21 和φ25圓孔篩篩分，φ21篩上物去掉片狀焦和條狀焦裝入轉鼓，轉鼓后焦樣 170-180℃溫度下烘干2小時后即可作為試驗樣品。由于國際規定的范圍較寬，200g 試樣中可以選取不同塊數的焦炭(37-43塊)進行試驗，但是在實踐過程中存在性狀和粒度不規則等問題，這就造成了實驗的可重復性較差，同樣條件下我們所做的一組的焦炭對比試驗結果發現，顆粒數在37顆與43顆對比時檢測結果有著明顯差異，因此我們試驗時最好能選取粒度均勻的顆粒從而減少結果差異。