王杏娟,董國(guó)強(qiáng),劉然,方覺,李紅

(1.河北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院,河北省現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北唐山 063009;2.唐山鋼鐵股份有限公司,河北唐山 063000)

焦炭質(zhì)量的好壞對(duì)高爐生產(chǎn)有著十分重大的影響。近年來,隨著高爐的大型化和高噴煤比等新技術(shù)的發(fā)展,對(duì)焦炭質(zhì)量提出了更高的要求[1]。隨著煤比的增大,焦炭負(fù)荷增大,未燃煤粉增加,焦炭強(qiáng)度下降。另一方面,焦炭的失碳率也隨之大幅度增加,從而造成焦炭高溫強(qiáng)度嚴(yán)重下降,破損率升高,從而導(dǎo)致高爐料柱透氣性、透液性惡化[2],最終影響高爐順行。焦炭強(qiáng)度,特別是反應(yīng)后的熱強(qiáng)度已成為進(jìn)一步降低焦比的一個(gè)限制性因素。

反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度是目前最常用的焦炭冶金性能[3],是各大鋼鐵廠衡量焦炭在高爐內(nèi)保持完好塊狀,維持料柱骨架作用最重要的指標(biāo)[4]。反應(yīng)性 CRI是焦炭在一定溫度下與 CO2反應(yīng)速度的指標(biāo),這個(gè)值越低越好。而反應(yīng)后強(qiáng)度 CSR則是完成反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)后,試樣在常溫下的抗磨和抗沖擊能力,這個(gè)值越高越好。

目前,唐鋼煉鐵廠主要使用干熄、水焦、老干混、光大、梗陽(yáng)和清徐 6種焦炭,在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)反應(yīng)后強(qiáng)度CSR指標(biāo)高的焦炭并沒有體現(xiàn)出太大的優(yōu)越性,相反卻大大增加了煉鐵的成本。為進(jìn)一步降低成本,了解焦炭在高爐內(nèi)強(qiáng)度變化規(guī)律,研究其反應(yīng)后的熱強(qiáng)度就變得尤為重要。

表1 焦炭成分及熱強(qiáng)度

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣準(zhǔn)備

選取唐鋼公司使用的干熄、水焦、老干混、光大、梗陽(yáng)和清徐 6種代表性焦炭并對(duì)其進(jìn)行常規(guī)檢驗(yàn)。內(nèi)容包括:焦炭的工業(yè)分析、灰分析和轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)表 1所示:

為下一步實(shí)驗(yàn)方便,需要選取易于固定和便于切割的長(zhǎng)條狀焦炭。選擇好焦炭樣品后,使用巖石切片機(jī)將選好的焦炭切成10～12mm厚的片狀,用臺(tái)鉆配合Φ8 mm的金剛砂空心鉆頭在焦炭片上鉆取焦芯,所得圓柱形焦芯即為實(shí)驗(yàn)試樣。

以上工作完成后進(jìn)行初選,拋棄形狀不合格或存在宏觀裂紋的樣品。

1.2 KSJ高溫爐脫碳實(shí)驗(yàn)

將已經(jīng)制好的圓柱體焦炭進(jìn)行脫碳,得到失碳率分別為 0、20%和 40%左右的焦樣。在一般條件下焦炭在進(jìn)入燃燒區(qū)前的失碳率不會(huì)高于 40%,因此,本實(shí)驗(yàn)定焦炭失碳率最高為 40%。

利用KSJ高溫加熱爐進(jìn)行脫碳實(shí)驗(yàn)。脫碳劑使用 CO2,自高溫爐下部通入。CO2在上升過程中接觸焦炭時(shí)與碳素發(fā)生反應(yīng),消耗碳素,生成 CO,達(dá)到脫碳的目的。在加熱爐上部放置一個(gè)電子熱天平,用以衡量焦炭被氧化所失去的碳量,該電子熱天平可以精確到0.001 g。KSJ高溫加熱爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 KSJ高溫加熱爐

1.3 焦炭高溫抗壓強(qiáng)度的測(cè)定

利用可調(diào)氣氛高溫抗壓實(shí)驗(yàn)機(jī)模擬高爐反應(yīng)條件,研究焦炭在實(shí)際條件下的高溫抗壓強(qiáng)度。該實(shí)驗(yàn)機(jī)可在還原性、中性或氧化性氣氛下連續(xù)測(cè)量 10個(gè)試樣,最高使用溫度為 1500℃,短期可達(dá) 1600℃?？烧{(diào)氣氛高溫抗壓實(shí)驗(yàn)機(jī)如圖2所示:

圖2 可調(diào)氣氛高溫抗壓實(shí)驗(yàn)機(jī)

測(cè)定上述脫碳實(shí)驗(yàn)中不同失碳率焦炭試樣在不同溫度下的一系列抗壓強(qiáng)度(每一溫度條件下測(cè)定5-10組抗壓強(qiáng)度,求其平均值),實(shí)驗(yàn)溫度分別為常溫、500℃、800℃、1000℃、1100℃和 1200℃?？箟簩?shí)驗(yàn)前后的焦炭試樣如下圖示。

圖3 脫碳后的焦炭試樣

圖4 壓碎后的焦炭試樣

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

表2 不同失碳率焦炭高溫抗壓強(qiáng)度結(jié)果

為了研究焦炭在高爐內(nèi)抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律,分別對(duì) 6種反應(yīng)后焦炭試樣進(jìn)行不同溫度下的抗壓實(shí)驗(yàn)。測(cè)定結(jié)果如表 2所示。

2.1 焦炭抗壓強(qiáng)度與溫度及失碳率的關(guān)系

根據(jù)表 2給出的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù),對(duì)目前唐鋼使用的 6種代表性焦炭作進(jìn)一步的研究。

圖5給出了常溫下 6種不同焦炭抗壓強(qiáng)度與失碳率的關(guān)系?？梢钥闯?二者關(guān)系較簡(jiǎn)單,基本呈斜率為負(fù)的直線。其中4號(hào)(光大)焦抗壓強(qiáng)度隨失碳率增加的下降幅度最大。失碳率為 0時(shí)廣大焦的強(qiáng)度最高,為29.25 MPa,但當(dāng)失碳率升高到40%時(shí),其強(qiáng)度變?yōu)?種焦炭的最低值,僅僅為 3.43%。其他 5種焦炭抗壓強(qiáng)度隨失碳率增加下降幅度變化不大。

與唐鋼現(xiàn)場(chǎng) 6種焦炭的常規(guī)檢驗(yàn)相比較(見表1),可以發(fā)現(xiàn)光大焦的反應(yīng)性 CRI最好,而反應(yīng)后強(qiáng)度CSR卻降至最低。也就是說,僅僅考慮失碳率這一單因素對(duì)焦炭強(qiáng)度的影響,反應(yīng)性好的焦炭在高爐反應(yīng)過程中容易發(fā)生碳熔反應(yīng),失碳率增加,強(qiáng)度下降較明顯。于是,我們可以得出這樣的結(jié)論:如果焦炭強(qiáng)度下降的主要原因是由失碳率引起的,那么目前唐鋼常規(guī)檢驗(yàn)就足以能夠說明問題。為保證高爐料柱具有良好的透氣性,常規(guī)檢驗(yàn)中要求焦炭具有較低的反應(yīng)性和較高的反應(yīng)后強(qiáng)度。

圖5 常溫下焦炭抗壓強(qiáng)度與失碳率的關(guān)系

僅考慮溫度對(duì)焦炭造成的影響,可通過 LC=0時(shí)抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系圖來分析。從圖 6可以看出:抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系較為簡(jiǎn)單,也呈斜率為負(fù)的直線關(guān)系,即隨著溫度的升高,焦炭抗壓強(qiáng)度逐漸升高。不同焦炭的抗壓強(qiáng)度受溫度影響下降幅度有所不同,唐鋼目前所使用的焦炭中,光大焦降幅最大,梗陽(yáng)焦次之,其他焦炭的抗壓強(qiáng)度隨溫度升高的降幅較小。梗陽(yáng)焦在常溫時(shí)強(qiáng)度較高,但在 1200℃高溫時(shí)強(qiáng)度卻降為了最低值。從唐鋼常規(guī)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出,梗陽(yáng)焦炭的反應(yīng)性CRI較差,反應(yīng)后強(qiáng)度 CSR在 6種焦炭中位居第三。這一點(diǎn)充分說明了目前常規(guī)檢驗(yàn)的不足,即忽略或輕視了高溫對(duì)焦炭強(qiáng)度的影響。

圖6 抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系(Lc=0)

實(shí)際情況下,焦炭在高爐內(nèi)受到溫度和失碳率的雙重影響。在隨爐料下降過程中,溫度升高,失碳率增加,抗壓強(qiáng)度隨之下降。根據(jù)表 2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以得出不同失碳率條件下,焦炭抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。如圖7(LC=20%)和圖8(LC=40%)所示。

從圖中可以看出:焦炭的抗壓強(qiáng)度與溫度基本成簡(jiǎn)單的斜率為負(fù)的直線關(guān)系,在溫度較高時(shí),曲線稍稍有些彎曲。失碳率為0時(shí),光大常溫強(qiáng)度最高,達(dá)到29.25 MPa,但隨溫度升高,強(qiáng)度大幅下降,至1200℃時(shí),抗壓強(qiáng)度僅僅為2.54 MPa,降幅達(dá)91.3%;水焦常溫強(qiáng)度并不太高,但降幅較小,僅僅 33.12%?？傮w分析,可以得出 6種焦炭受溫度影響,強(qiáng)度降幅由高至低的順序?yàn)?光大、梗陽(yáng)、清徐、干熄、老干混、水焦。當(dāng)失碳率達(dá)到 20%時(shí),梗陽(yáng)焦降幅最大,光大、清徐、干熄、老干混次之,水焦降幅最小。失碳率為 40%時(shí),6種焦炭的抗壓強(qiáng)度受溫度影響的變化規(guī)律為:梗陽(yáng)焦降幅略大,清徐、干熄、老干混次之,水焦和光大降幅略小。將這一結(jié)果與焦炭在高爐內(nèi)的行為相結(jié)合,可判斷出唐鋼目前所使用的 6種焦炭的性能優(yōu)劣。

2.2 焦炭在高爐內(nèi)的強(qiáng)度變化規(guī)律

在高爐冶煉中,由于各部位的溫度、CO濃度、CO2含量都不同,焦炭的狀態(tài)和行為也各不相同[5]。塊狀帶為爐腰以上溫度低于 1000℃左右的部位,這一區(qū)域碳熔損失一般不超過 10%,焦炭承受熱的作用影響很小,焦炭塊度和強(qiáng)度下降很少。進(jìn)入軟熔帶后,溫度升高至 1000℃～1300℃左右,此時(shí)碳溶反應(yīng)劇烈,焦炭中碳的損失可達(dá) 30%～40%,焦炭強(qiáng)度下降,塊焦減小很明顯。滴下帶溫度在 1350℃以上,主要完成鐵的滲碳反應(yīng),焦炭碳溶反應(yīng)不深。進(jìn)入爐缸上方區(qū)域,焦炭被源源不斷的卷入回旋區(qū),參與燃燒反應(yīng)。

對(duì)焦炭強(qiáng)度的評(píng)價(jià)應(yīng)結(jié)合高爐內(nèi)反應(yīng)的實(shí)際情況。高爐內(nèi)焦炭主要受到溫度和失碳率的雙重影響,溫度升高,失碳率增加,焦炭強(qiáng)度大大降低。綜合溫度和失碳率兩方面的影響,可得高爐內(nèi)不同部位焦炭強(qiáng)度自高至低的排列順序如表 3所示。本文中低于1200℃的抗壓強(qiáng)度由實(shí)驗(yàn)得出,高溫部分?jǐn)?shù)據(jù)由Lc= 40%時(shí)抗壓強(qiáng)度與溫度的曲線關(guān)系推算所得。

從唐鋼常規(guī)檢驗(yàn)的CSR指標(biāo)中得出6種焦炭的強(qiáng)度由高到低順序?yàn)?干熄、清徐、水焦、梗陽(yáng)、老干混、光大。反應(yīng)后強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)是在反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,也就是說反應(yīng)后強(qiáng)度的試樣是反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品。因此試樣的失碳率是由反應(yīng)性決定的,并沒有反應(yīng)焦炭在高爐內(nèi)的實(shí)際失碳率。其次,反應(yīng)后強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)也是在常溫下得出的結(jié)論。和本文所研究的結(jié)合失碳率和溫度雙重因素影響的高溫抗壓強(qiáng)度相比,其結(jié)果有明顯的不足之處。

根據(jù)上述分析結(jié)果,對(duì)唐鋼目前所用 6種焦炭的常溫強(qiáng)度及入爐后的高溫強(qiáng)度作出如下評(píng)價(jià):通過焦炭高溫抗壓強(qiáng)度研究結(jié)果可預(yù)測(cè)其在高爐內(nèi)的實(shí)際狀況,使工作人員對(duì)入爐焦的選擇有了更加清晰地認(rèn)識(shí)。將目前唐鋼煉鐵廠的常規(guī)焦炭檢測(cè)指標(biāo)反應(yīng)性 CRI和反應(yīng)后強(qiáng)度 CSR和高溫抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果相結(jié)合,可對(duì)焦炭質(zhì)量有一個(gè)更加全面的評(píng)價(jià)。

表3 高爐內(nèi)不同部位焦炭強(qiáng)度自高至低排序

表4 綜合評(píng)價(jià)

3 結(jié)論

(1)唐鋼目前檢驗(yàn)焦炭的反應(yīng)后強(qiáng)度 CSR指標(biāo)所揭示的強(qiáng)度差別在更大程度上是失碳率不同造成的結(jié)果,忽略和輕視了高溫對(duì)焦炭強(qiáng)度的影響。

(2)綜合考慮各項(xiàng)因素,目前唐鋼所使用的 6種焦炭中,清徐焦的反應(yīng)后高溫強(qiáng)度最高,水焦次之,干熄焦和梗陽(yáng)焦強(qiáng)度一般,廣大焦和老干混的強(qiáng)度較差。

(3)利用可調(diào)氣氛高溫抗壓實(shí)驗(yàn)機(jī)研究焦炭在高爐內(nèi)實(shí)際冶煉條件下的抗壓強(qiáng)度具有重要意義。一方面彌補(bǔ)了目前唐鋼常規(guī)檢驗(yàn)指標(biāo)的不足,另一方面還可以對(duì)焦炭入爐后的高溫強(qiáng)度有一個(gè)綜合評(píng)價(jià)。擺脫了唐鋼以前一味地追求焦炭高反應(yīng)后強(qiáng)度 CSR指標(biāo)的現(xiàn)象,在保證和提高焦炭質(zhì)量的同時(shí),大大降低了煉鐵成本,對(duì)優(yōu)化煉鐵系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)具有重要的戰(zhàn)略意義。

[1] 陳啟厚,楊俊和.焦炭抗拉強(qiáng)度與氣孔結(jié)構(gòu)間關(guān)系初探[J].燃料與化工,2002(33):68-70.

[2] 徐萬仁,吳信慈,錢暉,等.高噴煤比操作對(duì)焦炭劣化的影響[J].寶鋼技術(shù),2000(5):13-16.

[3] 方覺,王杏娟,等.高爐塊狀帶焦炭強(qiáng)度模擬研究[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),2007(19):13-15.

[4] 蔡克難,程相利,等.提高焦炭強(qiáng)度的研究與實(shí)踐[J].鋼鐵,2005(40):23-24.

[5] 傅永寧.高爐焦炭[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995(1):196-202.