魏 國，沈峰滿，杜 鋼，杜鶴桂

（1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004）

高爐用焦炭熱強度指標(biāo)要求及檢測方法

魏 國，沈峰滿，杜 鋼，杜鶴桂

（1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽 110004）

高爐冶煉通常要求焦炭具有較低的反應(yīng)性和較高的反應(yīng)后強度.但焦炭反應(yīng)性過低不利于提高高爐反應(yīng)效率.本文對焦炭在高爐內(nèi)消耗機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為高爐爐身焦炭消耗量與鐵礦石直接還原度相關(guān)，爐身消耗的焦炭量是比較穩(wěn)定的，現(xiàn)有焦炭熱強度評價方法存在不足.為了避免焦炭反應(yīng)過度，應(yīng)調(diào)整焦炭熱強度指標(biāo)的測定方法，如改變反應(yīng)氣氛或根據(jù)焦炭失重量確定反應(yīng)時間，使測定結(jié)果能夠合理反映爐內(nèi)焦炭消耗的規(guī)律.

高爐;焦炭;反應(yīng)性;反應(yīng)后強度;碳溶反應(yīng)

焦炭是傳統(tǒng)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(shù)的發(fā)展，焦比不斷下降，焦炭質(zhì)量對高爐冶煉的影響愈來愈明顯，成為限制高爐生產(chǎn)發(fā)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(zhì)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(nèi)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(yīng)后強度CSR:Coke Strength After Reaction）和較弱的反應(yīng)性（CRI:Coke Reactivity Index）［2］.

近年來，日本煉鐵界開展了一系列關(guān)于提高高爐反應(yīng)效率的研究，其中包括使用高反應(yīng)性焦炭的技術(shù)［3］.我國一些高爐也有長期使用高反應(yīng)性焦炭進(jìn)行冶煉的實例（CRI≈50%）［4］.這與目前對焦炭熱強度的認(rèn)識相差較大.本文從焦炭在冶煉中的作用、焦炭在高爐內(nèi)消耗機(jī)理方面進(jìn)行了分析，探討了現(xiàn)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(biāo)的可能調(diào)整措施，以期為促進(jìn)高爐降低燃耗、擴(kuò)大資源適應(yīng)性提供理論參考.

1 焦炭在高爐中的作用及其質(zhì)量要求

1.1 焦炭在高爐中作用的演變

焦炭在高爐內(nèi)不同位置起著不同作用（圖1）.

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

（a）在高爐風(fēng)口前燃燒帶，焦炭燃燒提供冶煉所需的熱量，產(chǎn)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(yīng)（碳溶反應(yīng)）消耗.

隨著煉鐵技術(shù)的發(fā)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(jìn)高爐的噴煤比可穩(wěn)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(nèi)透氣透液性的作用更加突出.高爐生產(chǎn)實踐表明，若使用強度較差的焦炭冶煉，在高溫區(qū)域焦炭容易粉化，惡化料柱透氣透液性，影響煤氣流穩(wěn)定，引起高爐爐況波動.因此，當(dāng)前焦炭生產(chǎn)是以滿足作用（b）為主要目標(biāo)，即生產(chǎn)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(zhì)量要求

通常，高爐冶煉對焦炭質(zhì)量有以下幾方面的要求:

（1）化學(xué)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(zhì)的膨脹性不同，在高爐內(nèi)加熱后，灰分顆粒周圍產(chǎn)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(yīng)起催化作用，使焦炭反應(yīng)性增高，影響反應(yīng)后強度.此外，還要求焦炭揮發(fā)份含量低，焦炭水分穩(wěn)定在較低水平.硫、磷和堿金屬等有害元素含量低.

（2）冷態(tài)機(jī)械強度.包括焦炭抗碎強度M40和抗磨強度M10指標(biāo).冷態(tài)強度與風(fēng)口焦炭的粒度組成、平均粒度有較強的相關(guān)關(guān)系，整體反映了焦炭在高爐內(nèi)保持粒度的能力，因而被用作日常生產(chǎn)檢驗指標(biāo).

（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(jù)高爐容積、操作水平和指標(biāo)水平略有不同.

（4）高溫性能.焦炭高溫性能包括反應(yīng)性CRI和反應(yīng)后強度CSR.反應(yīng)性是衡量焦炭在高溫狀態(tài)下與CO2碳溶反應(yīng)能力的穩(wěn)定性指標(biāo);反應(yīng)后強度是衡量焦炭在經(jīng)受CO2和堿金屬侵蝕狀態(tài)下，保持高溫強度的能力.通常認(rèn)為焦炭反應(yīng)后強度CSR比冷強度指標(biāo)更能反映焦炭的質(zhì)量.

研究表明:焦炭反應(yīng)后強度與反應(yīng)性指標(biāo)有較好的負(fù)相關(guān)性（圖2），即 CRI越低，CSR越高［3］.這是因為，高溫下焦炭與CO2發(fā)生碳溶反應(yīng)，氣孔壁結(jié)構(gòu)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(nèi)外有關(guān)企業(yè)的焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強度指標(biāo)［7］.由表可見，多數(shù)企業(yè)要求焦炭反應(yīng)性CRI小于30%，反應(yīng)后強度CSR大于60%.

圖2 焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強度指標(biāo)的關(guān)系Fig.2 Relationship between CRIand CSR

表1 國內(nèi)外一些企業(yè)的焦炭反應(yīng)性CRI和反應(yīng)后強度指標(biāo)CSRTable 1 Requirement of CRIand CSR in some plants%

從數(shù)據(jù)來看，提高焦炭反應(yīng)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(yīng)性，則FeO越易被還原，有利于減少燃料消耗.但焦炭反應(yīng)性越好，反應(yīng)后強度CSR越差.為保證焦炭具有足夠的反應(yīng)后強度，很多企業(yè)將焦炭反應(yīng)性CRI小于30%作為焦炭質(zhì)量的控制指標(biāo).

然而，我國新疆八鋼高爐長期以來使用高反應(yīng)性的焦炭進(jìn)行冶煉.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法測得該焦炭反應(yīng)性高達(dá)50% ～60%，反應(yīng)后強度CSR僅為20% ～30%，.按照傳統(tǒng)觀點，這種焦炭在爐內(nèi)很快氣化，焦炭易破碎粉化影響料柱透氣性，高爐生產(chǎn)難以進(jìn)行.然而，八鋼2 500 m3高爐生產(chǎn)基本穩(wěn)定，利用系數(shù)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(xiàn)有檢測方法不能全面反映焦炭在爐內(nèi)的實際變化.

2 焦炭合理反應(yīng)性指標(biāo)的分析

2.1 焦炭碳溶反應(yīng)分析

在高爐中，碳溶反應(yīng)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(zhì)有關(guān).根據(jù)煤氣成分和溫度變化（圖3），可將焦炭在高爐爐身區(qū)域的消耗情況分為兩類:

（1）在爐身上部塊狀帶區(qū)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(yīng)可以進(jìn)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(fā)生碳溶反應(yīng)的主要區(qū)域.爐內(nèi)氣氛由FeO還原的熱力學(xué)平衡條件決定，鐵氧化物被還原，其中的氧最終與碳結(jié)合為CO或CO2.碳溶反應(yīng)和FeO被還原為Fe的反應(yīng)互相促進(jìn)，并決定了高爐爐身的反應(yīng)效率.

在實際高爐生產(chǎn)中，碳溶反應(yīng)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(chǎn)生還原煤氣.

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

根據(jù)上述分析，新疆八鋼焦炭測得焦炭反應(yīng)性高達(dá)50%以上，但實際在碳溶反應(yīng)消耗的焦炭量僅為一半左右，實際焦炭反應(yīng)后強度也不會下降到20%.這是八鋼高爐盡管生產(chǎn)指標(biāo)偏低，但還能穩(wěn)定生產(chǎn)的原因.

綜上分析，現(xiàn)有評價焦炭熱強度的方法并未考慮高爐內(nèi)碳溶反應(yīng)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(zhì)量檢測方法的探討

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

在國標(biāo)規(guī)定條件下，焦炭反應(yīng)性不同，碳溶反應(yīng)消耗的焦炭量顯然不同，因而反應(yīng)后強度也呈現(xiàn)較大差異.圖2所示的CSR和CSI的關(guān)系正是反映了這一規(guī)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(yīng)決定，而不是100% 的CO2;并且焦炭消耗量不應(yīng)超過40%～50%.所以圖2中高反應(yīng)性區(qū)的數(shù)據(jù)在實際高爐中并不一定存在，只是實驗室測得結(jié)果.試驗中焦炭過度反應(yīng)，使原本滿足可需要的焦炭CSR指標(biāo)大幅下降.

由此可見，測定方法中反應(yīng)氣組成和流量不當(dāng)，會對焦炭熱強度指標(biāo)測定結(jié)果產(chǎn)生很大影響.要準(zhǔn)確評價焦炭的熱強度指標(biāo)，可通過下述途徑進(jìn)行調(diào)整:

（1）改變反應(yīng)氣組成.減小GB－T 4000－2008所規(guī)定的CO2流量，或是保持通入氣體流量不變，組成變?yōu)閜（CO2）/p（CO）=1/2的混合氣體，當(dāng)反應(yīng)時間達(dá)到2 h后通入氮氣.

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

試驗結(jié)束后，測定反應(yīng)后焦炭失重，計算轉(zhuǎn)鼓試驗大于10 mm粒級焦炭所占的百分比，得到CSR和CSI指標(biāo).

上述調(diào)整可避免焦炭反應(yīng)過度的情況.與現(xiàn)有國標(biāo)方法比較，其測定結(jié)果應(yīng)更接近爐內(nèi)焦炭消耗的規(guī)律，避免對焦炭反應(yīng)性的過度要求，從而確定高爐冶煉對焦炭反應(yīng)性和反應(yīng)后強度的合理指標(biāo).

由于焦炭生產(chǎn)對煤資源的要求非?？量蹋枰溆靡欢康闹鹘姑阂陨a(chǎn)高強度、低反應(yīng)性的焦炭.在滿足強度要求前提下，焦炭反應(yīng)性適當(dāng)提高，有利于擴(kuò)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(jié)論

通過分析焦炭在高爐冶煉中的作用和消耗機(jī)理，探討現(xiàn)有焦炭熱強度評價指標(biāo)存在的問題，得出如下結(jié)論:

（1）隨著高爐焦比下降，焦炭保持爐內(nèi)透氣透液性的作用更加突出.因此，當(dāng)前焦炭生產(chǎn)以獲得高強度的焦炭（包括冷強度和熱強度）為主要目標(biāo).由于焦炭反應(yīng)后強度與反應(yīng)性指標(biāo)有較好的負(fù)相關(guān)性，焦炭低反應(yīng)性、高反應(yīng)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(yīng)與鐵礦石直接還原度相關(guān).一定操作條件下，高爐直接還原度是相對穩(wěn)定的，故爐身消耗焦炭量也應(yīng)該是比較穩(wěn)定的.現(xiàn)有評價高爐焦炭熱強度的方法存在過度反應(yīng)的問題，不能全面反映焦炭在爐內(nèi)的強度變化規(guī)律.

（3）為避免焦炭反應(yīng)過度，應(yīng)調(diào)整測定焦炭熱強度指標(biāo)的方法，如改變反應(yīng)氣組成或根據(jù)焦炭失重確定反應(yīng)時間，使其測定結(jié)果更接近實際焦炭消耗的規(guī)律.確定評價焦炭熱強度指標(biāo)的科學(xué)測定方案對擴(kuò)大煉焦用煤資源、促進(jìn)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(xué)基金資助項目 （51074206）.

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