第一章 焦炭.ppt

1、第一章 焦炭第一节 焦炭的通性与用途,一、焦炭的宏观构造与孔孢结构 焦炭是一种质地坚硬、多孔、呈银灰色，并有不同粗细裂纹的碳质固体块状材料，其真相对密度约1.801.95，视密度0.881.08, 堆积密度约450kg/m3。 焦饼沿纵、横裂纹掰开即得焦块。沿微裂纹分开即得焦体。焦体由气孔和气孔壁构成，气孔壁又称焦质，其主要成分是碳和矿物质。焦炭裂纹的多少直接影响焦炭的粒度和抗碎强度。焦块微裂纹的多少和焦体的孔孢结构则与焦炭的耐磨强度和高温反应性能有密切关系。孔孢结构通常用气孔率、气孔平均直径、孔径分布、气孔壁厚度和比表面积等参数表示。,1、裂纹度 即焦炭单位面积上的裂纹长度。 2、气孔率 指

2、气孔体积与总体积的百分比。 气孔率=（1-假密度/真密度）100% 焦炭的气孔率在50%左右 3、比表面积 指单位重量焦炭内部的表面积，m2/g。 焦炭的比表面积在100m2/g左右 4、气孔平均直径与孔径分布 直径100微米的气孔为大气孔 直径20100微米的气孔为中气孔 直径20微米的为微气孔,二、焦炭的物理机械性质 1、筛分组成与平均粒度 用多级振动筛将一定量的焦炭试样进行筛分，然后分别称量各级筛上焦炭和最小筛孔的筛下焦炭重量，算出各级焦炭占试样总量的百分率，即得此焦炭的筛分组成。 平均粒度则由筛分组成为基础 ，从各级焦炭的重量百分率ri和该级焦炭上下两层筛孔的平均尺寸di算出： di=

3、ri*di 算术平均直径 或者： di=1/ ri/di 平均当量直径（用于焦炭层的阻力计算）,2、耐磨强度M10和抗碎强度M40 耐磨强度焦炭抵抗摩擦力破坏的能力，称为耐磨性或耐磨强度，用M10表示。 抗碎强度焦炭抵抗冲击力破坏的能力，称为抗碎性或抗碎强度，用M40表示。 实验方法：采用米库姆（Micum)转鼓试验。 取50kg直径60 mm的焦炭50kg入鼓，25rpm4min后，筛分、称量、并按下式计算： M40 =（ 40）/50 100% M10 =（10）/50 100%,三、焦炭的材料力学性质 1、显微强度 通常将预粉碎到一定粒度（0.61.18mm）的焦炭试样，放在一 定规格的

4、内装若干不锈钢球的园柱形转鼓内，经一定转数后，测量 鼓内大于0.6mm的焦炭百分含量，作为显微强度指标，它反映焦炭气 孔壁的强度。,2、抗拉强度 通常将焦炭制成1015 mm的圆柱状试样，在压力试验机上进行 径向压缩试验。或者制成方形截面长条状试样，用拉力试验机测定。 焦炭的抗拉强度值因煤种和配煤比的不同而不同，肥煤焦炭的抗拉 强度最高，瘦煤的最低，气煤和焦煤的介于中间。高炉焦炭的40kg/cm2. 3、弹性模量 是指试样承受简单的拉伸或压缩作用力时，对纵向变形的抵抗力或 刚性。,四、焦炭的化学组成 1、工业分析 （1）水分Mt 湿法熄焦时，Mt = 26% 干法熄焦时，Mt = 11.5%

5、焦炭水分的变化影响高炉顶部温度的波动。 （2）灰分Ad 灰分是焦炭中的有害杂质，主要成分是SiO2、Al2O3 等酸性氧化物，熔点高，只能用CaO等熔剂与它们反应生成低熔点化合物才能以熔渣的形式由高炉排出。 危害： Ad 增加1%，熔剂增加4%，炉渣增加3%，焦炭增加1.72.0%，生铁产量下降2.23.0%。 （3）挥发分Vdaf 焦炭成熟度的标志。 （4）固定碳 CFdaf CF = 100-M-A-V,2、元素分析 C、H、O、N、S、P S、P是焦炭的有害杂质。 S使生铁热脆, P使生铁冷脆。 S增加0.1%、焦炭增加1.2-2.0%、熔剂增加2%、生铁产 量下降2.02.5% Oda

6、f=100CdafHdafNdafSdaf, %,五、焦炭的热性质 1、焦炭的反应性 CRI 指在高温下，焦炭与CO2或水蒸汽的反应能力。 实验方法：取2025mm的焦炭样200g，在标准反应器中，在1100下，与CO2反应2h，然后称重，失重率定义为焦炭的反应性指标。 即：CRI = (G0G1)/G0100% 2、焦炭的反应后强度CSR 经过与CO2反应过的焦炭，装入I型转鼓，600转后，称重、并下式计算： CSR = G2/G1 100% 式中：G0-试验焦炭样重量，g； G1-反应后焦炭样重量，g; G2-转鼓后，10mm的焦炭样重量，g。,六、焦炭的光学性质 焦炭内碳的形态介于无定形

7、碳和石墨之间。无定形碳的结构排列没有规则，各向同性；而石墨碳则呈层状结构，各向异性。 在显微镜下，各向异性程度不同的碳表现出不同的光学各向异性、不同的反射率、不同的织构形态与尺寸，不仅可以定性区分，而且可以定量测定。 根据其特性可分为： 各向同性组分 惰性组分 各向异性组分：镶嵌型、流动型 镶嵌型：粗粒、中粒、细粒镶嵌型 流动型：纤维状、叶片状、单一流动型。 反应性：各向同性惰性组分微粒镶嵌型粗粒镶嵌型流动型,七、非高炉用焦炭的特性 1、铸造焦 用于冲天炉熔铁。C + O2 =CO2 + Q 要求：（1）粒度大且反应性低； （2）硫分低、灰分低 2、气化焦 用于煤气发生炉生产煤气。 C + C

8、O2 = 2CO, C + H2O = H2 + CO 要求：（1）粒度均匀且反应性高； （2）硫分低、灰分低 3、电石焦 用于电石生产。 CaO + 3C = CaC2 + CO (18002200） 要求：（1）粒度320mm； （2）灰分低、碳含量高 （3）水分低，6%,第二节 焦炭在高炉内的行为及焦炭的作用 一、高炉及其冶炼过程 1、高炉总体状况 高炉为中空竖炉，如图所示。 高炉：高炉本体、工作系统 高炉本体：炉基、炉壳、炉衬、冷却设备、框架、支 柱等； 工作系统：上料系统、装料系统、送风系统、喷吹系 统、渣铁处理系统、煤气除尘系统等； 由炉壳和炉衬围成的空间称为炉型。 炉型：炉喉、炉

9、身、炉腰、炉腹、炉缸等； 上料系统：将铁矿石、焦炭和熔剂运到炉顶； 装料系统：将上料系统运到炉顶的炉料而入炉内； 送风系统：将预热到800的空气或富氧空气鼓入风口，使焦 炭剧烈燃烧，最终生成CO，提供大量热能，并且 由于焦炭的燃烧及大部分炉料在高炉下部转变成液 态炉渣和铁水，并周期地从炉缸放出，使炉缸下部 不断形成空间，上部炉料连续稳定下降。,喷吹系统：将重油或煤粉从风口喷入，或将重油、天然气等 在炉外转化成高温的CO和H2后，由炉腰、炉腹下部 喷入，以降低焦炭消耗、提高高炉产量、改善生铁质 量； 渣铁处理系统：按时开关渣口、铁口放渣、出铁，使过程连续进 行； 煤气除尘系统：将含尘量1040g

10、/nm3的粗煤气由炉顶导出，经 冷却、除尘，制成含尘15mg/m3、Qnet=3570- 4410Kj/nm3的净煤气。煤气产率约20003000 nm3/t生铁，其中，约40%用于热风炉，其余可 用作焦炉等的燃料。 高炉煤气的消耗：每生产1吨冶金焦需消耗约1100nm3的高炉煤气 而1t冶金焦炼铁时约产生45006700nm3的高 炉煤气，热风炉消耗约40%，则外供2700 4700nm3的高炉煤气。所以高炉煤气除供焦炉 外，还可以供给其它用途。,2、高炉内的冶炼过程 炉料： 矿石：天然矿、烧结矿、团球矿 熔剂：石灰石、白云石、生石灰 焦炭 从炉顶依次分批、分层装入炉内。 高温空气或富氧空气

11、由风口鼓入，使焦炭在风口前的回旋区内剧烈燃烧。燃烧产生的热能，是高炉冶炼过程的主要热源，燃烧反应后产生的CO作为高炉冶炼过程的主要还原剂。 焦炭在回旋区内燃烧生成的高温煤气在上升过程中将热能传给炉料，与焦炭发生吸热反应生成CO和H2，随后CO和H2将铁矿石中的铁氧化物还原。,因此，从下至上煤气的温度逐渐降低，成分逐渐变化 （见图）。高炉内煤气从燃烧生成到流出高炉外共约46秒。 炉料在下降过程中，经预热、脱水、铁矿石中的铁氧化物依次同CO发生间接还原反应，同高温焦炭发生直接还原反应而转化为金属铁，并在下降过程中升温、渗碳而形成液态的铁水，铁矿石中的脉石（主要成分是SiO2、Al2O3等酸性氧化物

12、）则同熔剂相互作用而生成低熔点化合物-炉渣。铁水和炉渣在向下流动过程中相互作用，进行脱硫等反应，到炉缸下部，借互不溶性和比重差异而分层，分别从渣口和铁口定期放出炉外。炉料在高炉内的下降时间称为冶炼周期，约58小时。 焦炭在风口前回旋区内不断烧掉，使高炉下部形成自由空间，上部炉料稳定地下降，构成连续的冶炼过程。因此，可用单位时间内单位高炉有效容积所消耗的焦炭数量反映高炉冶炼过程的强度。 综上，高炉的基本功能是将炉料加热、还原、造渣、脱硫和熔化等。焦炭是主要的热源和还原剂。近年来，为了降低焦炭消耗，增加高炉产量，改善生铁质量，将无烟煤粉、重油从风口随热风喷入高炉。焦炭作为热源和还原剂，可在一定数量

13、上由喷吹燃料取代,此外，高炉过程都发生在上升煤气和下降炉料的相互作用之中，整个料柱的透气性是高炉操作的关键。 料柱上部矿石和焦炭层层相间，焦炭起煤气流分配层的作用，使上升煤气同铁矿石充分接触。 料柱中部，铁矿石软化、熔融，靠焦炭层支托才不致于聚堆，此时上升煤气只能从焦炭层的缝隙内流过。 在料柱的下部，金属铁和炉渣已熔化成液态的铁水和熔渣，唯有焦炭仍以固态块状存在，焦炭成为煤气上升和铁水、熔渣下降所必不可少的高温填料。所以，焦炭的重要作用在于它是料柱的疏松骨架，而且随高炉大型化和强化冶炼等技术进展这一作用愈显重要。 因此，焦炭的作用可以概括为： 高炉冶炼过程的热源； 矿石中铁氧化物的还原剂； 高

14、炉料柱的疏松骨架； 高炉铁的渗碳剂。,高炉指标： 高炉有效容积利用系数 U = P/Vu， 吨铁/立方米*昼夜 焦比C = Gc/P， 吨焦/吨铁 冶炼强度I = Gc/Vu， 吨焦/立方米*昼夜 则 P = Vu*I/C 式中：P高炉产铁量吨/昼夜 Vu高炉有效容积米3 Gc高炉每昼夜耗焦量吨焦/昼夜 因此，高炉的生产能力P与有效容积Vu和冶炼强度I成正比，与焦比C成反比。,3、高炉内料柱构造及还原反应 （1）料柱构造 料柱上段温度800-1000区域内，矿石和焦炭层层相间，保持入炉前的固体块状，因此，该区段称为块状带； 料柱中段温度800-1000 ， 1350-1400 的区域内焦炭和矿

15、石仍保持层层相间，但矿石状态已发生变化。在温度较低的外缘，矿石开始软化，由外缘到内缘，软化融着程度逐渐加深，而在温度较高的内缘，矿石已接近熔化。因此，这一区段被称为软融带（或熔融带）。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流过。 料柱下段温度1350-1400 ，此处仅焦炭呈固态块状，铁水和熔渣顺着焦炭层的缝隙向下流动、滴落，高温煤气则沿沾附有铁水和熔渣的焦炭层缝隙向上迅速流动。该区段称为滴落带。 焦炭在风口的回旋区内剧烈燃烧，形成动态平衡。,（2）铁氧化物的还原反应 间接还原： 当温度t570 时， Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2+17220Kj 当温度t=570800时

16、，铁氧化物还原过程按Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe这一顺序依次进行： 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+37200KJ Fe2O3+CO=3FeO+CO2-20960Kj FeO+CO=Fe+CO2+13650Kj 直接还原： 当温度t1100 时，碳溶反应的平衡常数和反应速度常数均很高，一出现CO2亦即刻与焦炭中的碳相互作用生成CO2 ，即CO2 + C = 2CO2，铁氧化物的还原按以下方式进行：,CO2+C=2CO-166320Kj FeO+CO=Fe+CO2+13650Kj FeO+C=Fe+CO-152670Kj 从反应历程来说仍属两步气固反应，但从热力学观点看，恰如铁氧化物被固态碳还原。因此，在1100以上，铁氧化物的还原属于和固态碳反应、