王文澤， 湛文龍， 劉肖， 劉起航， 余盈昌， 吳鏗

（北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京100083）

隨著高爐生產(chǎn)大型化和噴煤技術的應用，焦炭在高爐中的骨架作用顯得更為重要，焦炭反應性（CRI）和反應后強度（CSR）已經(jīng)成為評價焦炭質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標[1-6].CRI是指焦炭的化學穩(wěn)定性，CSR是指焦炭在高爐內(nèi)的高溫穩(wěn)定性[7-10].焦炭反應特性的研究方法因目的不同而不同，常用的有塊焦測定法，粒焦測定法，X射線衍射法和熱重法4種[11-12].測定焦炭的反應性和反應性強度是用國家標準GB/T4000-1966，通常被稱為塊焦法.塊焦法和粒焦法各有其特點，與粒焦法相比，塊焦法由于所需焦炭試樣量較大，因此實驗室采用符合國家標準的粒焦法來研究安鋼1#和2#高爐所用焦炭的反應性和反應后強度.通過現(xiàn)場塊焦法測定結果與實驗室粒焦法測定結果之間的對比，分析了導致2種測定方法所得測定結果存在差異性的內(nèi)在影響因素.通過擬合2種方法的測定結果，發(fā)現(xiàn)兩者之間線性關系顯著，進而可在不進行塊焦測定法的情況下通過粒焦法逆向得出塊焦法的測定結果，達到簡化試驗流程，減少焦炭試樣量的目的．本文采用安鋼1#和2#高爐連續(xù)3 d所用的入爐焦炭進行研究．

1 安鋼高爐焦炭的工業(yè)分析

焦炭的水分波動會引起入爐干焦量的變化，即焦炭真實負荷的波動，故水分穩(wěn)定比水分值本身更重要，且含水分過高則焦粉黏附在焦塊上不易篩除而被帶入高爐，對焦炭質(zhì)量不利，影響篩分和高爐透氣性，導致爐塵量明顯上升，高爐順行變差，降低焦炭水分的含量可提高焦炭的熱態(tài)性能指標[13]．

表1和表2分別給出了安鋼高爐連續(xù)3 d所用入爐焦炭的工業(yè)分析 （表1～表7中1、2、3分別代表3月6日、3月7日、3月8日）．

表1 安鋼1#高爐焦炭的工業(yè)分析/%

表2 安鋼2#高爐焦炭的工業(yè)分析/%

從指標對比看，2個高爐所用焦炭的揮發(fā)分和干基灰分含量近乎一致，而2#高爐焦炭水分明顯過高，且波動較大，導致反應性升高，反應后強度下降．

因此設法將2#高爐焦炭的水分穩(wěn)定在較低的水平對提高其焦炭的高溫反應特性是非常重要的．

2 粒焦法測定安鋼焦炭高溫反應特性

測定焦炭的反應性能已有國家標準GB/T4000-1966，通常被稱為塊焦法．焦炭試樣的粒度20 mm，重量200 g．在1 000～1 300℃下測定與CO2的反應性能，用塊焦反應指數(shù)和反應后強度評價焦炭的反應性能．塊焦反應性因試樣量多、粒度大被認為測定結果可信度較高，目前各大型焦化廠都采用該方法測定其焦炭的反應性．但塊焦法需要的反應介質(zhì)（焦炭）的量特別大，因此實驗室采用粒焦法研究焦炭的高溫反應特性．

采用粒焦法測定焦炭的反應性能國家也有相應的標準GB220-77，但對粒度的量、粒度的大小、反應的溫度等給出的是一個區(qū)間范圍，并未進行嚴格統(tǒng)一．結合前人對高爐風口焦反應性測定的經(jīng)驗確定本研究采用的粒焦法的試驗條件為：粒度4～6 mm，重量15 g左右，反應時間70 min，CO2氣體流量為800 mL/min．反應過程的失重量為反應性，反應后大于3 mm所占的比例為反應后強度．通過對入爐焦2次平行試驗分別確定出安鋼粒焦反應性和反應后強度．

表3和表4分別為安鋼1#和2#高爐所用焦炭由粒焦法測定的高溫反應性（CRI）和反應后強度（CSR）．

表3 粒焦法測定的安鋼1#和2#高爐焦炭反應性（CRI）/%

表4 粒焦法測定的安鋼1#和2#高爐焦炭反應后強度（CSR）/%

由表3和表4可以看出，測定結果的相對誤差最大僅為5．81%，表明實驗室采用的粒焦法可以得到穩(wěn)定的測定結果，該試驗方法的準確性較好．

3 安鋼焦炭的礦相顯微結構

焦炭的顯微結構分為各向同性結構、絲質(zhì)破片狀結構、細粒鑲嵌、粗粒鑲嵌、流動型等，其各向異性程度依次增強[14]．煤炭科學院通過顯微結構研究認為，同一種焦炭中各顯微結構對CO2反應性的影響順序為：絲質(zhì)破片狀結構＞各向同性結構＞細粒鑲嵌結構＞粗粒鑲嵌結構＞纖維狀結構＞片狀結構．本研究觀察焦炭礦相顯微結構采用德國萊卡（Leica）DAS顯微鏡，型號為DM、RXP．測定方法采用國家標準，即統(tǒng)計數(shù)據(jù)500個點，樣品放大倍數(shù)為500倍．

表5給出了安鋼高爐連續(xù)3 d所用入爐焦炭的礦相顯微結構分析結果．

由表5可見，安鋼1#高爐使用的焦炭各向異性和粗粒鑲嵌結構的比例比2#高爐所用焦炭的要高一些，而中粒鑲嵌結構的比例則要低一些．

表5 安鋼高爐入爐焦礦相顯微分析礦物表面積百分比/%

圖1給出了安鋼高爐入爐焦炭巖相顯微分析中不同結構的微觀形貌.

圖1 安鋼高爐入爐焦炭礦相顯微分析中的不同結構

3.1 2種方法測定的焦炭反應性結果分析

煤炭科學院通過顯微結構研究給出了對51組焦炭與CO2反應性和焦炭顯微結構的多元線性回歸方

式（1）中：Ⅰ為各向同性結構含量，%；Mf、Mc為分別代表細顆粒和粗顆粒鑲嵌結構含量，%；Fc為纖維狀結構含量，%；Lf為片狀結構含量，%.

考慮到中間顆粒鑲嵌結構和殘?zhí)己繉固糠磻缘挠绊?，對公式?）按經(jīng)驗進行修正，給出了公式

式（2）中：Mm為代表中間顆粒鑲嵌結構含量，%；Cc為殘?zhí)碱w粒結構含量，%.

按式（2）計算入爐焦炭組織結構反應性和2種方法測定的焦炭反應性見表6.

表6 安鋼入爐焦炭計算和測定的焦炭反應性（CRI）/%

由表6可見，安鋼1#和2#高爐入爐焦炭由現(xiàn)場塊焦法測定的高溫反應性（CRI）結果相差較大，但由實驗室采用粒焦法得到的結果兩者之間較為接近，由焦炭的組織結構計算出的反應性（CRI）1#高爐與2#高爐相差也不大，因此認為2個高爐焦炭的高溫反應性基本相同.表6中焦炭組織結構的反應性表示焦炭中不同煤的變質(zhì)程度對焦炭反應性的影響.由于實際焦炭的反應性還與煉焦的技術工藝和添加劑有關，也就是說，焦炭組織結構的反應性僅反映煤質(zhì)帶來的影響.

圖2對比了3種方法求得的焦炭反應性的平均值.

圖2 不同方法測定的安鋼入爐焦炭的平均反應性的比較

由圖2可見，由塊焦法得到的焦炭反應性1#高爐比2#高爐的要低，粒焦法的反應性也是如此，但相差不大，由組織結構計算的反應性卻相反，即1#高爐比2#高爐的要高些.這表明2#高爐焦炭使用的煤質(zhì)在降低反應性方面比1#高爐的略好一些.但塊焦法得到的實際結果卻相反，由此可以推斷，在生產(chǎn)高爐焦炭的外界條件如：工藝、設備和操作水平等方面，1#高爐比2#高爐要好一些.

3.2 2種方法測定的焦炭反應后強度結果分析

焦炭光學組織是焦炭在高爐內(nèi)劣化的一個重要因素[15]，通常用焦炭光學組織指數(shù)（OTI）來表征焦炭光學組織各向異性程度[16].煉焦行業(yè)認為，焦炭光學組織指數(shù)（OTI）高的礦相結構，如不同顆粒的鑲嵌結構、纖維狀結構含量和片狀結構等對增加焦炭反應后強度有利.∑ISO為類絲碳、絲質(zhì)破片和各向同性之和，表示高溫抗堿能力比其他各向異性的礦相結構組分強，各向同性結構主要是來自低變質(zhì)程度、高揮發(fā)分氣煤中的鏡質(zhì)組.

式（3）中：DL、Dp為分別代表類絲碳和絲質(zhì)破片結構含量，%.

考慮到高爐風口焦試樣中殘?zhí)急壤^高，本研究定義了焦炭組織結構強度來表示焦炭礦相結構對焦炭強度的貢獻，其經(jīng)驗計算公式（4）如下：焦炭組織結構強

根據(jù)公式（3）計算的入爐焦炭的∑ISO、公式（4）計算的焦炭組織結構強度和由2種方法測定的焦炭反應后強度見表7.

表7 安鋼高爐焦炭的∑ISO和不同方法得到的焦炭反應后強度（CSR）/%

表7中，除3月7日2#高爐焦炭的∑ISO過低外，其它的都在1.7左右，由于煉焦用煤是不均勻的，個別試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)大的波動也屬正常，因此可以認為2個高爐焦炭的高溫抗堿性相差不大，∑ISO值均在1.7左右.

圖3為1#高爐和2#高爐由上述3種方法得到的焦炭反應后強度的平均值對比.

在圖3中，對于1#高爐使用的焦炭，3種方法得到的反應后強度值相差不大，而2#高爐使用的焦炭，塊焦法的反應后強度值要明顯低于粒焦法和焦炭組織結構法.影響焦炭組織結構強度的主要是煤質(zhì)的組成，即僅與煉焦使用的煤種有關；粒焦法將焦炭在低溫下烘干外水，然后破碎成小塊進行試驗分析，影響其結果的因素有煤種的組成和煉焦的過程；而塊焦法則是直接采用生產(chǎn)中使用的焦炭進行試驗，影響其結果的因素有煤種的組成、煉焦的全部過程（包括息焦）及其他影響因素.因此可以得出，安鋼1#和2#高爐所用焦炭其煤種質(zhì)量和煉焦環(huán)節(jié)相差較小，不是造成反應后強度差異的主要原因，而2個高爐在煉焦以外的環(huán)節(jié)上存在區(qū)別，使得2#高爐焦炭的反應后強度低于1#高爐.

圖3 不同方法測定的安鋼入爐焦炭的平均反應后強度的比較

3.3 塊焦法和粒焦法測定CRI和CSR結果的擬合

塊焦法和粒焦法反應性和反應后強度的擬合見圖4.

圖4 塊焦法和粒焦法反應性和反應后強度的擬合

由圖4可以看出，塊焦法反應性和粒焦法反應性之間線性關系良好，塊焦法反應后強度和粒焦法反應后強度之間線性關系同樣良好.

4 結論

（1）實驗室粒焦法測得的安鋼1#和2#高爐焦炭高溫反應特性結果的相對誤差最大僅為5.81%，表明該方法測定結果穩(wěn)定，準確性也較好.

（2）在生產(chǎn)高爐焦炭的外界條件如：工藝、設備和操作水平等方面，1#高爐要比2#高爐更好一些.安鋼1#和2#高爐所用焦炭其煤種質(zhì)量和煉焦環(huán)節(jié)基本一致，但在煉焦以外的環(huán)節(jié)上存在較大差異，使得2#高爐焦炭的反應后強度低于1#高爐.

（3）由塊焦法和粒焦法測定的焦炭反應性之間呈現(xiàn)良好的線性相關，2種方法測得的焦炭反應后強度之間線性關系同樣良好.

（4）安鋼2#高爐焦炭含水分過高，且波動較大，導致反應性升高，反應后強度降低，應設法將2#高爐焦炭的水分穩(wěn)定在較低的水平.

[1]王航民，王成林，周小輝，等.焦炭冶金性能與高爐順行的關系[J].萊鋼科技，2009，33（1）：64-66.

[2]徐萬仁，吳信慈，陳君明，等.高噴煤比操作對焦炭劣化的影響[J].鋼鐵，2009，38（3）：4-7.

[3]孔德文，張建良，龔必俠，等.高爐塊狀帶焦炭反應性的研究[J].鋼鐵，2011，46（4）：15-18.

[4]耿家銳，沈強華，劉俊場.焦炭反應性影響因素研究現(xiàn)狀及展望[J].云南冶金，2009，38（2）：59-63.

[5]崔平，楊敏，康世剛，等.焦炭的鈍化處理及其機理[J].鋼鐵研究學報，2007，19（3）：6-10.

[6]劉培驍，方覺，郭麗，等.焦炭失碳率分布研究[J].河南冶金，2006，14（1）： 9-13.

[7]方覺，邵劍華，王興艷.高爐用焦炭的高溫抗壓強度[J].鋼鐵研究學報，2007，19（4）：12-16.

[8]Goscinski JS，Gray R J，Robinson JW，et al.A review of american coal quality and its effect on coke reactivity and reaction strength of cokes[J].Journal of Coal Quality， 1994， 13（1）：1-6.

[9]傅永寧.解剖高爐中不同部位焦炭性質(zhì)變化的研究[J].鋼鐵，1982，17（11）： 33-39.

[10]于青，王德全，吳子良，等.焦炭反應性和反應后強度的關系及影響因素研究[J].中國冶金，2012，22（3）：10-14.

[11]朱玉廷，崔平.焦炭熱性質(zhì)的研究進展[J].燃料與化工，2004，35（2）： 4-5.

[12]吳瑋璐，吳鏗，陳洪飛，等.用粒焦法測定高爐風口焦炭反應特性[J].中國稀土學報，2008，26（8）：116-119.

[13]楊森，吳鏗，萬鵬，等.高爐風口焦熱態(tài)性能的研究[J].冶金能源，2010，29（1）：52-55.

[14]王曉磊，郭冶，曲思建，等.焦炭顯微結構及礦物質(zhì)存在下反應性變化規(guī)律探討[J].潔凈煤技術，2008，14（2）：87-88.

[15]周師庸，趙俊國.煉焦煤性質(zhì)與焦炭質(zhì)量[M].北京：冶金工業(yè)出版，2005.

[16]陳洪博，白向飛，王大力，等.焦炭光學組織與煤、焦質(zhì)量關系研究[J].潔凈煤技術，2009，15（6）： 78-81.