现代方法评价冶金焦炭质量的探讨

4 现代冶金 2014年第1期 现代方法评价冶金焦炭质量的探讨 (俄罗斯)AK要：降低焦炭的反应性，同时会提高焦炭反应后强度，研究证明，这样做并不总是经济的。因为如此也会增加 焦比。 关键词：冶金焦炭；反应性；焦炭强度；焦比 在近十年来发表了大量的文章，简述了影响高 炉运行指标的焦炭质量指标，指出其重要性。焦炭 质量严重地影响着高炉冶炼的进程和结果，但是，很 明显，在现有炼焦工艺和优化配煤条件下，以什么样 具体的指标来指导炼焦，到目前仍然是空白。 通过对焦炭的技术分析，对冷强度指标(M 、 。)的要求是显而易见和无可争辩的；有问题 及构成矛盾的是彼此几乎形成函数关系的反应性 (反应后强度(标的要求。 在近20年来的世界高炉生产中，普遍检验焦炭 的反应性指标，其值是在明显降低，这样的指标值显 示出，在焦炭质量的综合评价中，除了优良特性，焦 炭反应性低的负面特性，是最具不确定性的。 该文的目的在于，在现代条件下，试图建立起对 高炉冶金焦炭质量评价的合理方法。高炉冶炼中的 焦炭要完成一系列重要任务：燃料(提供热量)、还 原剂、炉料软融区的搅松作用，高炉下部透气透液的 骨架料。第一个功能是主要的，确定了冶炼铁水时 与热交换相适应的最低程度热平衡焦炭的消耗量。 冶炼的其他重要的技术一经济指标，如高炉生产率 和铁水成本，在很大程度上取决于焦比。焦炭作为 还原剂的功能，通过还原过程对高炉下部所需热量 的影响而在其消耗中表现出来。焦炭的这两个功 能，可以由与炉料一起人炉的或喷吹的任何其它燃 料来完成。 焦炭作为炉料搅松及透气透液骨架的功能，要 取决于它在高炉中的粒度、消耗及破损程度。高炉 中焦炭的粉碎及在炉料中其份额的减少，会降低冶 炼的气体动力学强度，限制生产率的提高，加速高炉 运行气体动力学制度的破坏，会带来沿其切面铁矿 石料的不均匀分布，这些现象不仅表现在高炉生产 率上，而且也表现在焦比上。 焦炭更重要的功能，是不允许由其它形式的块 状燃料来代替的，这就是排流骨架的功能，它可以让 分布于焦炭块之间的铁水和渣无阻碍地在炉缸底部 通过。这个功能遭到破坏，会阻碍高炉的正常运行， 称为炉缸堵塞。它不仅取决于焦炭的特性，而且还 取决于其他一系列因素。炉缸的堵塞不会由于细粒 焦炭和细粒碳而发生，只有细粒碳材料在炉缸深处 通过铁质渣迅速地气化以及块状焦炭在炉缸里代替 了细粒焦炭的情况下，炉缸的堵塞才会发生。铁质 渣的自然形成途径是在风口处部分氧化流人炉缸的 情况下形成的，在小容积高炉中风口处的氧化区很 大程度上要比在大容积高炉覆盖炉缸面要大，而且， 在风口处要氧化大部分铁水。所以，特别严重的炉 缸堵塞问题经常出现在大容积高炉中，在大高炉的 炉缸中心，由于相对较低的温度而形成几乎是非流 动渣浸渍过的较少运动的焦炭堆积体。 炉缸堵塞，在目前状态下，会促使铁水温度的更 大幅度的波动，在炉缸下部总是以碳来加以饱和。 在炉缸的底部，在加热时焦炭里的碳会进一步渗透 在铁水里，从而加速焦炭的细粒化。在铁水冷却时， 焦炭中碳的溶化性在降低，从铁水中会分解出石墨 泡，它会漂浮在炉缸溶液的表面，从而阻碍渣的排 流。 在炉缸堵塞严重时，需要调节难还原的入炉待 洗选物料。为了更好地实现排渣，必须提高它的加 热温度，但同时，又会破坏高炉运行的平稳性和煤气 流的分布，以至于增加焦炭的消耗。在高炉中喷入 煤粉燃料达到150200 kg炭的消耗一般 超过400 kg高炉中其细化的程度相对较小， 而在风口处的氧化趋势是较高的。其结果不总是表 现在制约炉缸焦炭层的排流能力上。对焦炭质量的 基本要求就是冷态强度要高(M 、M 。和014年第1期 5 标)。 世界各国往高炉中大量喷吹煤粉燃料，焦比缩 减为300350 kg炭停留时间和它在高炉 中细化程度将大幅提高。焦炭在炉缸中的残余强度 和焦炭的粒度成为在新条件下保证高炉正常运行的 主要条件。 许多研究表明，焦炭的高反应性，会强化焦炭与 气相的H 强化焦炭表面的灰 化，加速其结构的松散，以及加大在高炉下部焦炭的 破坏程度。 焦炭反应性与其消耗的逻辑联系的解释，从一 开始这方面的焦炭特性研究就有如下结论：在提高 焦炭强化在铁间接还原中形成的 H 这种推理中，会出现直 接还原程度的发展提升、冶炼过程热量需求的增加 及焦炭焦比的增加。目前有许多公开发表文献，证 明了焦炭消耗与明这些论证， 支持这样的推论，虽然，实际上，焦炭的低反应性基 本上影响对其消耗的作用过程，但在这种情况下还 有另一种情形。这种焦炭的利用，会促进在没有洗 涤材料下炉缸堵塞的解除，使高炉运行正常，使炉缸 中排渣更好；可以创造条件，以使沿高炉截面煤气分 布和炉料的分布更趋均匀；可以实现煤气的有效利 用，由此，也会减少焦炭的消耗。 但是，在以逆流热质交换为特性的高炉冶炼时， 降低反应性，也存在焦炭消耗增加的前提条件。在 这种情况下，低程度的热交换确定了焦炭的需求量， 此处炉料流热容要大于煤气流热容。热交换区域底 部和上部之间温度范围的不同，不可避免地会影响 区域热平衡，随后，会影响到所需的焦炭消耗。 缓慢温度交换区域的温度取决于温度(A)，在 温度(A)下，高炉里炉料的热容可以与煤气流的热 容相比。缓慢温度交换区域温度的升高，可促进在 降低焦炭反应性的条件下，抑制在800950 化反应。(气化反应：C=2 分子)在热交换高低程度间界面上温度的升高，可 以减少在其他相同条件下在高炉下部区域吸收的热 量，而这里的需热量决定了焦炭的消耗。 日本的研究者利用探测器集中进行了焦炭反 应性的变化下的温度变化情况研究。文章中所列的 利用反应性332的焦炭代替233焦炭的冶炼 试验结果，确实将焦比降低了10 kg了获得 反应性如此高的焦炭，日本研究人员在炼焦配煤时 积极采用含俄罗斯的配煤组成 恰好相反，很有问题地获得了低反应性焦炭。在 于直接还原程度的降低，有助 于焦比的降低。这是完全可以实现的，也更支持了 日本学者的研究。 日本研究人员在温度低于1 100下通过强化 氧化铁还原进行了焦炭反应性对间接还原程度影响 机理的研究，由于这种条件下，温度的升高在总体上 不会产生烧结矿的软化和它的疏松结构保持到更高 温度的矛盾，虽然在高炉还原进程中不一定起决定 性作用。 在温度低于1 150时，可以实现间接还原反 应速度(O=O )比焦炭气化速度更 快。但是，在温度低于1 000 于煤气的组成 接近于它的平衡条件而使这个反应受到抑制。在这 种条件下，焦炭气化反应(C=2成上述间接还原反应进行的条件。在焦炭反应性增 强条件下，焦炭气化反应的强化，最终会提高间接还 原的发展程度，还可以促进图1)。 莒 0 U 图1 9号高炉煤气利用率随焦炭反应性变化的 示意图 在焦炭反应性越强，单位铁水燃料总消耗越高 的条件下，焦比降低的潜力确定了高炉中煤气流单 位热容的大小。在基础焦比480 kg炭反 应性的增强可以保证焦比降低2030 kg从200606_9高炉运行的月平均数据，考察分析焦炭反应 性对焦比的影响。这种条件下，对于焦炭实际单位 消耗的准确预测图式基本上是没有的。但是，对于 同样条件下焦炭消耗之后的图式是非常确定的(图 25)。高炉运行分析表明，在足够宽的范围内焦 炭反应性变化，不会显示出对高炉运行平稳性的决 定性影响。但是，高炉对 映强烈。 6 2014年第1期 鼍 - 罐 涎 娥 筮 靛 400 y 6536x434693 k=O56 t v，一 3O 32 34 38 40 42 44 ； 4 一T 3O 32 34 36 38 40 42 44 0 y=_05773976 。 ； 高炉容积分别为：6号一2 000 a)7号一2 000 111 (6) 8号一2 700 B)9号_5 000 r) 图2 焦比随入炉焦炭反应性变化关系对比图 提高煤气的动力学强度，高炉炉况会变得不稳 定，引起炉缸严重堵塞，由此就不得不采用洗炉料， 风嘴频繁燃烧，形成焦比增加的态势。 所有上述论述并不意味着，应当减少对焦炭反 应性和反应后强度的关注，没有理由将这些相对新 的指标与焦炭冷强度等旧指标相对立起来，这当中 的每一项都映射出焦炭特殊特性，这些特性实质性 地影响着高炉的运行。 定的试样 焦炭的粒度(19224 不同于实际高炉的焦 炭粒度。试样的处理是以纯温度为 1 100 长为120 样， 也是不符合高炉中焦炭表面氧化条件的。另外，还 没有考虑其它一系列因素对焦炭粉碎的影响，例如， 碱、铁水、渣、焦炭碳的石墨化、高温条件来自焦炭灰 分中硅的还原性、在接近风口区的热冲击等。所有 这些因素，都会促进焦炭在整体上的粉碎，而且要比 用二氧化碳作用的焦炭灰化更严重。转鼓试验也不 符合高炉中装入的焦炭。但是正像其它许多指标一 样，在论及它们时，肯定会存在一系列的不足。所 以，在用实际的标准指标M 、M 。、M 。、焦炭质量评价进行限制就具有了一定