第二章焦炭及其性质3

1、1 1、通过煤的形成年代，煤可以分为？根据化学性质可以分为？、通过煤的形成年代，煤可以分为？根据化学性质可以分为？2 2、灰分、挥发分、固定碳的定义？、灰分、挥发分、固定碳的定义？3 3、焦炭裂纹的分类？、焦炭裂纹的分类？4 4、焦炭的气孔率、转鼓强度、孔体积、平均孔径、二氧化碳反应、焦炭的气孔率、转鼓强度、孔体积、平均孔径、二氧化碳反应性能？性能？复习：复习： 第二章 焦炭及其性质主讲人：张国伟 内容概要1、高炉冶炼过程2、料柱构造及对焦炭的要求3、焦炭在高炉内的性质变化4、非高炉用焦的特性 1、焦炭在高炉中的作用有哪些焦炭在高炉中的作用有哪些？2 2、高炉炼铁中的焦炭作用？、高炉炼铁中的焦

2、炭作用？3 3、料柱构造及对焦炭的要求？、料柱构造及对焦炭的要求？一一 高炉冶炼过程高炉冶炼过程 焦炭主要用于高炉冶炼，其次还用于焦炭主要用于高炉冶炼，其次还用于铸造、气化、和生产电石等，它们对焦铸造、气化、和生产电石等，它们对焦炭有不同的要求。但高炉炼铁用焦炭炭有不同的要求。但高炉炼铁用焦炭（冶金焦）的质量要求为最高，用量也（冶金焦）的质量要求为最高，用量也最大。最大。高炉系中空竖炉，从上到下分高炉系中空竖炉，从上到下分炉喉、炉身、炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸五段炉腰、炉腹、炉缸五段。高炉本体是由以。高炉本体是由以下各部分组成：钢筋混凝土制成的炉基，下各部分组成：钢筋混凝土制成的炉基，钢板卷

3、成的炉外壳，耐火砖砌成的炉衬，钢板卷成的炉外壳，耐火砖砌成的炉衬，冷却设备以及框架和支柱等。从炼铁的工冷却设备以及框架和支柱等。从炼铁的工艺过程来看，它包括上料、鼓风、出铁排艺过程来看，它包括上料、鼓风、出铁排渣、和煤气等系统。耐火炉衬围成的空间渣、和煤气等系统。耐火炉衬围成的空间称为高炉炉型，是进行炼铁过程的所在。称为高炉炉型，是进行炼铁过程的所在。高炉内总体状况综述1.1 1.1 高炉炉型及各部位温度与煤气组成高炉炉型及各部位温度与煤气组成a a炉型；炉型；b b高炉内温度沿高炉的变化；高炉内温度沿高炉的变化； c c煤气中煤气中COCO沿高度的变化；沿高度的变化；800800以下区域；以

4、下区域； 80080011001100区域；区域；11001100以上区域；以上区域；H Hu u有效高度；有效高度； 炉腹角；炉腹角； 炉身角炉身角还原高炉造渣熔化熔化渗碳预热焦炭燃烧放出的热量是高炉焦炭燃烧放出的热量是高炉冶炼过程的主要热源，占冶炼过程的主要热源，占冶炼所需热量的冶炼所需热量的75%75%80%80%铁矿石中的脉石（主铁矿石中的脉石（主要成分为要成分为SiO2、Al2O3的高熔点化合物）同的高熔点化合物）同熔剂作用形成低熔点熔剂作用形成低熔点化合物化合物炉渣炉渣焦炭反应后生成的焦炭反应后生成的CO作为高炉冶炼过程的主作为高炉冶炼过程的主要还原剂，使铁矿石中要还原剂，使铁矿石

5、中的铁氧化物还原，的铁氧化物还原，铁水和炉渣在向下流动铁水和炉渣在向下流动过程中相互作用，进行过程中相互作用，进行脱硫等反应脱硫等反应脱硫脱硫铁矿石中的贴的氧化物被铁矿石中的贴的氧化物被还原成铁单质，融化生成还原成铁单质，融化生成铁水铁水铁水和炉渣二者铁水和炉渣二者借互不溶性和密借互不溶性和密度差异而分离，度差异而分离，并分别从渣口和并分别从渣口和铁口定期放出炉外铁口定期放出炉外1.3 高炉炼铁的化学反应高炉炼铁的化学反应直接还直接还原反应原反应提供热量提供热量风风口口区区区区3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+37.09MJ Fe3O4+CO=3FeO+CO2-20.87MJFeO+C

6、O=Fe+CO2+13.59MJ 80080011001100的的区区FeO+CO=Fe+CO2+13.59MJ CO2+C=2CO165.6MJ FeO+C=Fe+CO-152.01MJ CO2+C=2CO-165.6MJCO2+C=2CO-165.6MJ煤气中的煤气中的COCO2 2与焦炭作用生成与焦炭作用生成COCO并吸收热量。此处焦炭的消耗并吸收热量。此处焦炭的消耗约为约为35%35%。未被还原的未被还原的FeOFeO与与SiOSiO2 2作用生成炉渣并开始熔化作用生成炉渣并开始熔化化学反应 C+OC+O2 2=CO=CO2 2+399.440MJ+399.440MJ焦炭燃烧生成焦炭燃

7、烧生成CO2CO2并放出大量并放出大量热，温度可达热，温度可达1500150018001800，使铁、渣完全熔化而分离。使铁、渣完全熔化而分离。铁的氧化物与一铁的氧化物与一氧化碳的反应氧化碳的反应产生还原剂产生还原剂区区 区区二年级冶炼强度冶炼强度 效容积利用系数效容积利用系数焦比（焦比（c c）总式几个式子叠加计算几个式子叠加计算 扩大高炉生产能力的途径是增大扩大高炉生产能力的途径是增大炉容（炉容（V V），降低焦比和提高冶炼强度。），降低焦比和提高冶炼强度。当高炉容积增大到原炉容积的当高炉容积增大到原炉容积的2 2倍时，倍时，风口个数最多增加到原风口个数的倍，风口个数最多增加到原风口个数的

8、倍，所以在增大炉容的同时，提高冶炼强所以在增大炉容的同时，提高冶炼强度的可能性不大，因此应该设法提高度的可能性不大，因此应该设法提高焦炭质量，以降低焦比焦炭质量，以降低焦比 使铁矿石中的脉石和焦炭中的灰分（其中大部分为高熔点的酸性氧化物，如SiO2SiO2熔点为17131713、AI2O3AI2O3为20252025）与溶剂（如CaOCaO、MgOMgO）作用，生成熔点较低，流动性好的液态炉渣，从而与铁水分开，由炉中放出，以除去炉料带入的杂质；造渣脱硫的目的利用造渣脱硫和控制硅、锰等元素的还原，以获得合格的生铁。造渣脱硫的目的高炉中硫态高炉中硫态硫态硫态 高炉中的硫主要由焦炭带入，一般为炉料中

9、总硫量的高炉中的硫主要由焦炭带入，一般为炉料中总硫量的80%以上。焦炭中的硫，大多以硫碳复合体形态与焦炭物以上。焦炭中的硫，大多以硫碳复合体形态与焦炭物质结合在一起，也有一些以硫化铁和硫酸盐存在于灰分中。质结合在一起，也有一些以硫化铁和硫酸盐存在于灰分中。铁矿中的硫以硫化铁及硫酸钙的形式存在，在炼铁过程中生铁矿中的硫以硫化铁及硫酸钙的形式存在，在炼铁过程中生产硫化氢、二氧化硫、硫单质等产硫化氢、二氧化硫、硫单质等SO2+2C=2CO+SFeS2 = FeS+S 这些硫蒸气在随煤气上升过程中又被这些硫蒸气在随煤气上升过程中又被CaO、海棉铁、海棉铁和铁氧化物吸附而随炉料下降。生铁中的硫以和铁氧化

10、物吸附而随炉料下降。生铁中的硫以FeS的的形态溶于铁水中，只有在铁水滴穿渣层时被部分脱除。形态溶于铁水中，只有在铁水滴穿渣层时被部分脱除。影响生铁含硫的因素影响生铁含硫的因素生铁生铁含硫含硫影响生铁含硫的因素影响生铁含硫的因素 铁水和熔渣互不相溶，脱硫反应只能铁水和熔渣互不相溶，脱硫反应只能在铁水和炉渣的接触面上进行。在铁水和炉渣的接触面上进行。当其它条件一定时，炉料带入和煤气带走的硫分、渣当其它条件一定时，炉料带入和煤气带走的硫分、渣铁比、硫的分配系数越大影响生铁中的含硫量。铁比、硫的分配系数越大影响生铁中的含硫量。硫化物稳定性硫化物稳定性炉渣脱硫的目的炉渣脱硫的目的脱硫的实质脱硫的实质硫化

11、物的稳定性排列次序是硫化物的稳定性排列次序是CaS、MnS、FeS将熔于铁水中的将熔于铁水中的FeS转化为不熔于铁水中转化为不熔于铁水中的硫化物，并转入炉渣的硫化物，并转入炉渣炉渣脱硫的反应炉渣脱硫的反应 FeS+CaO+ C= CaS+Fe+CO141230kJ。炉渣脱硫的关键炉渣脱硫的关键 提高硫化铁从铁水中向炉渣扩散的速提高硫化铁从铁水中向炉渣扩散的速率，适当提高碱度和总碱度，改善共融率，适当提高碱度和总碱度，改善共融物的流动性物的流动性 二二 料柱构造及对焦炭的要求料柱构造及对焦炭的要求 高炉内自上而下的温度总趋势是逐渐升高，但高炉内的等温线并非沿横截面呈水平状，而是因高炉炉型、原料品

12、位和操作参数等因素，等温线可呈“”形或倒“”形。料柱构造料柱可以分为块状带（低于11001100 ）、软融带 （1100110013501350）、滴落带（高于13501350 ）三个区域。柱料构造柱料构造 料柱上部低于料柱上部低于1100的区域，炉料保持入炉前的固体块状，的区域，炉料保持入炉前的固体块状，焦炭与煤气流分配层作用。焦炭与煤气流分配层作用。2.1柱料分布柱料分布 11001350的部位焦炭和矿石仍保持层层相间，但矿石的部位焦炭和矿石仍保持层层相间，但矿石从外表到内部逐渐软化熔融，靠焦炭层支撑才不至于聚堆，该从外表到内部逐渐软化熔融，靠焦炭层支撑才不至于聚堆，该区域称软融带，在软融

13、带内融着层几乎不透气，上升煤气几乎区域称软融带，在软融带内融着层几乎不透气，上升煤气几乎全部从焦炭缝隙流过。全部从焦炭缝隙流过。块状带软融带 高于高于1350的部位，此处仅焦炭呈的部位，此处仅焦炭呈固块状固块状，熔化的铁，熔化的铁水和炉渣则沿焦炭层缝隙向下流动并滴落，高温煤气则沿粘附水和炉渣则沿焦炭层缝隙向下流动并滴落，高温煤气则沿粘附有铁水和熔渣的焦炭层缝隙向上流动。该区域称滴落带。在滴有铁水和熔渣的焦炭层缝隙向上流动。该区域称滴落带。在滴落带下方的中心部位，有一个缓慢移动的呆落带下方的中心部位，有一个缓慢移动的呆滞焦炭层滞焦炭层（也称死（也称死料层），这主要是当焦炭移动时由软融带上层滑落下

14、来，经受料层），这主要是当焦炭移动时由软融带上层滑落下来，经受剧烈碳溶反应的焦炭组成。剧烈碳溶反应的焦炭组成。滴落带 神华宁煤烯烃公司神华宁煤烯烃公司燃烧反应生成的燃烧反应生成的COCO作为高炉冶炼过程作为高炉冶炼过程的主要还原剂的主要还原剂；焦炭燃烧产生的热焦炭燃烧产生的热能是高炉冶炼过程能是高炉冶炼过程的主要热源；的主要热源；由于焦炭位于风口区以上地区，始由于焦炭位于风口区以上地区，始终处于固体状态，在高炉中其体积终处于固体状态，在高炉中其体积占高炉体积的占高炉体积的35%35%50%50%。所以对上。所以对上部炉料起支承作所部炉料起支承作所必不可少的高温疏松骨架用，并成为煤气上升架用，并

15、成为煤气上升和铁水、熔渣下降和铁水、熔渣下降还原剂还原剂热源剂热源剂骨架骨架2.2 焦炭的主要作用焦炭的主要作用冶金焦冶金焦强度强度灰分硫分灰分硫分反应性反应性粒度粒度越大的焦炉要求的强度越大越大的焦炉要求的强度越大加入加入CaO、MgO来除去灰分硫分来除去灰分硫分降低碳熔反应活性，控制矿石的碱金属降低碳熔反应活性，控制矿石的碱金属粒度控制在粒度控制在50mm左右左右2.3 冶金焦的要求冶金焦的要求三三 焦炭在高炉内的性质变化焦炭在高炉内的性质变化 下图高炉中焦炭沿高向的机械强度、粒度、气孔率、反应性和钾、钠下图高炉中焦炭沿高向的机械强度、粒度、气孔率、反应性和钾、钠元素等的变化情况。在高炉上

16、部块状带变化不大，只有在高炉中部超过元素等的变化情况。在高炉上部块状带变化不大，只有在高炉中部超过10001000的区域才开始急剧变化。的区域才开始急剧变化。图示高炉中心试样；高炉中心试样；炉墙与炉中心之间试样；炉墙与炉中心之间试样；靠近靠近炉墙试样；炉墙试样；平均试样平均试样3.1高炉内碱金属和焦炭反应性的变化高炉内碱金属和焦炭反应性的变化 碱金属、碱土金属、铁、锰、镍等，对碳溶反应能起催化作用，其中钾、钠的催化作用最为显著。气态的钾、钠随煤气上升至炉顶，因温度降低和COCO2 2分压升高又生成碳酸盐析出，这些碱金属碳酸盐，一部分粘附在炉壁上侵蚀耐火材料。碱金属作用碱金属作用 要降低碱金属对

17、高炉生产的影响，一方面应提高随炉渣的排出碱量，另一方面应减少炉料的带入碱量。措施措施3.2、炉体横向膨胀及护炉设备的作用、炉体横向膨胀及护炉设备的作用灰分的处理灰分的处理 焦炭中的灰分主要成分是焦炭中的灰分主要成分是SiO2和和AI2O3，它们的熔点分别为，它们的熔点分别为1713和和2050，为了脱除这些灰分，必须加入，为了脱除这些灰分，必须加入CaO、MgO等等碱性氧化物或相应的碳酸盐，降低其化合物的沸点，形成熔融炉碱性氧化物或相应的碳酸盐，降低其化合物的沸点，形成熔融炉渣。渣。碱度高的好处碱度高的好处 当炉渣碱度高时，当炉渣碱度高时，CaO相对过剩，相对过剩，SiO2处于较完全的束缚状处

18、于较完全的束缚状态，使得态，使得SiO2与与K2O反应的几率下降所以这样做又将致使炉渣反应的几率下降所以这样做又将致使炉渣带出的碱量减少，增加了炉内的碱循环，加剧了碳溶反应，促进带出的碱量减少，增加了炉内的碱循环，加剧了碳溶反应，促进了焦炭的降解。由此可见，降低焦炭的灰分、硫分，对高炉生产了焦炭的降解。由此可见，降低焦炭的灰分、硫分，对高炉生产具有重要意义。具有重要意义。 高炉冶炼厂高炉冶炼厂3.3高炉冶炼工艺流程高炉冶炼工艺流程高炉冶炼工艺高炉冶炼工艺四四 焦炭的用途及质量指标焦炭的用途及质量指标焦炭焦炭冶金焦冶金焦1)高温热源作用；高温热源作用；2)提供还原剂的作用；提供还原剂的作用；3)

19、疏松骨架作用。疏松骨架作用。铸造焦铸造焦铸造焦用于冲天炉铸造焦用于冲天炉(也称化铁炉也称化铁炉)作燃料，作燃料，冲天炉的作用是将生铁熔化，并尽可能冲天炉的作用是将生铁熔化，并尽可能提高铁水温度，进而提高铸件的质量。提高铁水温度，进而提高铸件的质量。电石焦电石焦电石焦是生产电石焦是生产CaC2的原料。的原料。C+CaO=CaC2+CO气化焦气化焦用于发生炉或水煤气生产的焦炭称为气用于发生炉或水煤气生产的焦炭称为气化焦。气化过程要求焦炭具有良好的反化焦。气化过程要求焦炭具有良好的反应性，而对焦炭的强度并无特殊要求。应性，而对焦炭的强度并无特殊要求。强度强度灰分硫分灰分硫分反应性反应性粒度粒度n4.

20、1 铸造焦铸造焦铸造焦铸造焦铸造焦用于冲天炉铸造焦用于冲天炉(也称化铁炉也称化铁炉)作燃料，作燃料，冲天炉的作用是将生铁熔化，并尽可能冲天炉的作用是将生铁熔化，并尽可能提高铁水温度，进而提高铸件的质量。提高铁水温度，进而提高铸件的质量。焦炭的主要作用就是提供热量，并对铁水进行焦炭的主要作用就是提供热量，并对铁水进行渗碳。因为冲天炉内不易脱硫，故铸造焦的硫分渗碳。因为冲天炉内不易脱硫，故铸造焦的硫分要求含硫量低。为了提高铁水温度，延长焦炭在要求含硫量低。为了提高铁水温度，延长焦炭在冲天炉内高温过热区的停留时间，要求铸造焦的冲天炉内高温过热区的停留时间，要求铸造焦的气孔率小、反应性低、块度大。气孔率小、反应性低、块度大。 铸造焦的强度要求较高，铸造焦的块度以大于铸造焦的强度要求较高，铸造焦的块度以大于80mm为佳。因此生产铸造焦一般都选用主焦煤为为佳。因此生产铸造焦一般都选用主焦煤为骨架煤料，生产工艺以捣固炼焦为主。为了降低铸骨架煤料，生产工艺以捣固炼焦为主。为了降低铸造焦的气孔率和反应性，增大块度，炼焦煤料中常造焦的气孔率和反应性，增大块度，炼焦煤料中常添加无烟煤或焦粉，有时还添加石油沥青焦，以降添加无烟煤或焦粉，有时还添加石油沥青焦，以降低铸造焦的灰分和硫分。低铸造焦的灰分和硫分。气化焦气化焦4.2 气化焦气化焦 用于发生炉或水煤气生产的焦