王杏娟,董國強,劉然,方覺,李紅

(1.河北理工大學 冶金與能源學院,河北省現(xiàn)代冶金技術重點實驗室,河北唐山 063009;2.唐山鋼鐵股份有限公司,河北唐山 063000)

焦炭質量的好壞對高爐生產(chǎn)有著十分重大的影響。近年來,隨著高爐的大型化和高噴煤比等新技術的發(fā)展,對焦炭質量提出了更高的要求[1]。隨著煤比的增大,焦炭負荷增大,未燃煤粉增加,焦炭強度下降。另一方面,焦炭的失碳率也隨之大幅度增加,從而造成焦炭高溫強度嚴重下降,破損率升高,從而導致高爐料柱透氣性、透液性惡化[2],最終影響高爐順行。焦炭強度,特別是反應后的熱強度已成為進一步降低焦比的一個限制性因素。

反應性和反應后強度是目前最常用的焦炭冶金性能[3],是各大鋼鐵廠衡量焦炭在高爐內(nèi)保持完好塊狀,維持料柱骨架作用最重要的指標[4]。反應性 CRI是焦炭在一定溫度下與 CO2反應速度的指標,這個值越低越好。而反應后強度 CSR則是完成反應性實驗后,試樣在常溫下的抗磨和抗沖擊能力,這個值越高越好。

目前,唐鋼煉鐵廠主要使用干熄、水焦、老干混、光大、梗陽和清徐 6種焦炭,在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)反應后強度CSR指標高的焦炭并沒有體現(xiàn)出太大的優(yōu)越性,相反卻大大增加了煉鐵的成本。為進一步降低成本,了解焦炭在高爐內(nèi)強度變化規(guī)律,研究其反應后的熱強度就變得尤為重要。

表1 焦炭成分及熱強度

1 實驗方法

1.1 試樣準備

選取唐鋼公司使用的干熄、水焦、老干混、光大、梗陽和清徐 6種代表性焦炭并對其進行常規(guī)檢驗。內(nèi)容包括:焦炭的工業(yè)分析、灰分析和轉鼓實驗。數(shù)據(jù)表 1所示:

為下一步實驗方便,需要選取易于固定和便于切割的長條狀焦炭。選擇好焦炭樣品后,使用巖石切片機將選好的焦炭切成10～12mm厚的片狀,用臺鉆配合Φ8 mm的金剛砂空心鉆頭在焦炭片上鉆取焦芯,所得圓柱形焦芯即為實驗試樣。

以上工作完成后進行初選,拋棄形狀不合格或存在宏觀裂紋的樣品。

1.2 KSJ高溫爐脫碳實驗

將已經(jīng)制好的圓柱體焦炭進行脫碳,得到失碳率分別為 0、20%和 40%左右的焦樣。在一般條件下焦炭在進入燃燒區(qū)前的失碳率不會高于 40%,因此,本實驗定焦炭失碳率最高為 40%。

利用KSJ高溫加熱爐進行脫碳實驗。脫碳劑使用 CO2,自高溫爐下部通入。CO2在上升過程中接觸焦炭時與碳素發(fā)生反應,消耗碳素,生成 CO,達到脫碳的目的。在加熱爐上部放置一個電子熱天平,用以衡量焦炭被氧化所失去的碳量,該電子熱天平可以精確到0.001 g。KSJ高溫加熱爐結構如圖1所示。

圖1 KSJ高溫加熱爐

1.3 焦炭高溫抗壓強度的測定

利用可調(diào)氣氛高溫抗壓實驗機模擬高爐反應條件,研究焦炭在實際條件下的高溫抗壓強度。該實驗機可在還原性、中性或氧化性氣氛下連續(xù)測量 10個試樣,最高使用溫度為 1500℃,短期可達 1600℃?？烧{(diào)氣氛高溫抗壓實驗機如圖2所示:

圖2 可調(diào)氣氛高溫抗壓實驗機

測定上述脫碳實驗中不同失碳率焦炭試樣在不同溫度下的一系列抗壓強度(每一溫度條件下測定5-10組抗壓強度,求其平均值),實驗溫度分別為常溫、500℃、800℃、1000℃、1100℃和 1200℃?？箟簩嶒炃昂蟮慕固吭嚇尤缦聢D示。

圖3 脫碳后的焦炭試樣

圖4 壓碎后的焦炭試樣

2 實驗結果及討論

表2 不同失碳率焦炭高溫抗壓強度結果

為了研究焦炭在高爐內(nèi)抗壓強度的變化規(guī)律,分別對 6種反應后焦炭試樣進行不同溫度下的抗壓實驗。測定結果如表 2所示。

2.1 焦炭抗壓強度與溫度及失碳率的關系

根據(jù)表 2給出的抗壓強度數(shù)據(jù),對目前唐鋼使用的 6種代表性焦炭作進一步的研究。

圖5給出了常溫下 6種不同焦炭抗壓強度與失碳率的關系?？梢钥闯?二者關系較簡單,基本呈斜率為負的直線。其中4號(光大)焦抗壓強度隨失碳率增加的下降幅度最大。失碳率為 0時廣大焦的強度最高,為29.25 MPa,但當失碳率升高到40%時,其強度變?yōu)?種焦炭的最低值,僅僅為 3.43%。其他 5種焦炭抗壓強度隨失碳率增加下降幅度變化不大。

與唐鋼現(xiàn)場 6種焦炭的常規(guī)檢驗相比較(見表1),可以發(fā)現(xiàn)光大焦的反應性 CRI最好,而反應后強度CSR卻降至最低。也就是說,僅僅考慮失碳率這一單因素對焦炭強度的影響,反應性好的焦炭在高爐反應過程中容易發(fā)生碳熔反應,失碳率增加,強度下降較明顯。于是,我們可以得出這樣的結論:如果焦炭強度下降的主要原因是由失碳率引起的,那么目前唐鋼常規(guī)檢驗就足以能夠說明問題。為保證高爐料柱具有良好的透氣性,常規(guī)檢驗中要求焦炭具有較低的反應性和較高的反應后強度。

圖5 常溫下焦炭抗壓強度與失碳率的關系

僅考慮溫度對焦炭造成的影響,可通過 LC=0時抗壓強度與溫度的關系圖來分析。從圖 6可以看出:抗壓強度與溫度的關系較為簡單,也呈斜率為負的直線關系,即隨著溫度的升高,焦炭抗壓強度逐漸升高。不同焦炭的抗壓強度受溫度影響下降幅度有所不同,唐鋼目前所使用的焦炭中,光大焦降幅最大,梗陽焦次之,其他焦炭的抗壓強度隨溫度升高的降幅較小。梗陽焦在常溫時強度較高,但在 1200℃高溫時強度卻降為了最低值。從唐鋼常規(guī)檢驗數(shù)據(jù)中可以看出,梗陽焦炭的反應性CRI較差,反應后強度 CSR在 6種焦炭中位居第三。這一點充分說明了目前常規(guī)檢驗的不足,即忽略或輕視了高溫對焦炭強度的影響。

圖6 抗壓強度與溫度的關系(Lc=0)

實際情況下,焦炭在高爐內(nèi)受到溫度和失碳率的雙重影響。在隨爐料下降過程中,溫度升高,失碳率增加,抗壓強度隨之下降。根據(jù)表 2的實驗數(shù)據(jù),可以得出不同失碳率條件下,焦炭抗壓強度與溫度的關系。如圖7(LC=20%)和圖8(LC=40%)所示。

從圖中可以看出:焦炭的抗壓強度與溫度基本成簡單的斜率為負的直線關系,在溫度較高時,曲線稍稍有些彎曲。失碳率為0時,光大常溫強度最高,達到29.25 MPa,但隨溫度升高,強度大幅下降,至1200℃時,抗壓強度僅僅為2.54 MPa,降幅達91.3%;水焦常溫強度并不太高,但降幅較小,僅僅 33.12%?？傮w分析,可以得出 6種焦炭受溫度影響,強度降幅由高至低的順序為:光大、梗陽、清徐、干熄、老干混、水焦。當失碳率達到 20%時,梗陽焦降幅最大,光大、清徐、干熄、老干混次之,水焦降幅最小。失碳率為 40%時,6種焦炭的抗壓強度受溫度影響的變化規(guī)律為:梗陽焦降幅略大,清徐、干熄、老干混次之,水焦和光大降幅略小。將這一結果與焦炭在高爐內(nèi)的行為相結合,可判斷出唐鋼目前所使用的 6種焦炭的性能優(yōu)劣。

2.2 焦炭在高爐內(nèi)的強度變化規(guī)律

在高爐冶煉中,由于各部位的溫度、CO濃度、CO2含量都不同,焦炭的狀態(tài)和行為也各不相同[5]。塊狀帶為爐腰以上溫度低于 1000℃左右的部位,這一區(qū)域碳熔損失一般不超過 10%,焦炭承受熱的作用影響很小,焦炭塊度和強度下降很少。進入軟熔帶后,溫度升高至 1000℃～1300℃左右,此時碳溶反應劇烈,焦炭中碳的損失可達 30%～40%,焦炭強度下降,塊焦減小很明顯。滴下帶溫度在 1350℃以上,主要完成鐵的滲碳反應,焦炭碳溶反應不深。進入爐缸上方區(qū)域,焦炭被源源不斷的卷入回旋區(qū),參與燃燒反應。

對焦炭強度的評價應結合高爐內(nèi)反應的實際情況。高爐內(nèi)焦炭主要受到溫度和失碳率的雙重影響,溫度升高,失碳率增加,焦炭強度大大降低。綜合溫度和失碳率兩方面的影響,可得高爐內(nèi)不同部位焦炭強度自高至低的排列順序如表 3所示。本文中低于1200℃的抗壓強度由實驗得出,高溫部分數(shù)據(jù)由Lc= 40%時抗壓強度與溫度的曲線關系推算所得。

從唐鋼常規(guī)檢驗的CSR指標中得出6種焦炭的強度由高到低順序為:干熄、清徐、水焦、梗陽、老干混、光大。反應后強度實驗是在反應性實驗的基礎上進行的,也就是說反應后強度的試樣是反應性實驗的產(chǎn)品。因此試樣的失碳率是由反應性決定的,并沒有反應焦炭在高爐內(nèi)的實際失碳率。其次,反應后強度實驗也是在常溫下得出的結論。和本文所研究的結合失碳率和溫度雙重因素影響的高溫抗壓強度相比,其結果有明顯的不足之處。

根據(jù)上述分析結果,對唐鋼目前所用 6種焦炭的常溫強度及入爐后的高溫強度作出如下評價:通過焦炭高溫抗壓強度研究結果可預測其在高爐內(nèi)的實際狀況,使工作人員對入爐焦的選擇有了更加清晰地認識。將目前唐鋼煉鐵廠的常規(guī)焦炭檢測指標反應性 CRI和反應后強度 CSR和高溫抗壓強度測定結果相結合,可對焦炭質量有一個更加全面的評價。

表3 高爐內(nèi)不同部位焦炭強度自高至低排序

表4 綜合評價

3 結論

(1)唐鋼目前檢驗焦炭的反應后強度 CSR指標所揭示的強度差別在更大程度上是失碳率不同造成的結果,忽略和輕視了高溫對焦炭強度的影響。

(2)綜合考慮各項因素,目前唐鋼所使用的 6種焦炭中,清徐焦的反應后高溫強度最高,水焦次之,干熄焦和梗陽焦強度一般,廣大焦和老干混的強度較差。

(3)利用可調(diào)氣氛高溫抗壓實驗機研究焦炭在高爐內(nèi)實際冶煉條件下的抗壓強度具有重要意義。一方面彌補了目前唐鋼常規(guī)檢驗指標的不足,另一方面還可以對焦炭入爐后的高溫強度有一個綜合評價。擺脫了唐鋼以前一味地追求焦炭高反應后強度 CSR指標的現(xiàn)象,在保證和提高焦炭質量的同時,大大降低了煉鐵成本,對優(yōu)化煉鐵系統(tǒng)各項指標具有重要的戰(zhàn)略意義。

[1] 陳啟厚,楊俊和.焦炭抗拉強度與氣孔結構間關系初探[J].燃料與化工,2002(33):68-70.

[2] 徐萬仁,吳信慈,錢暉,等.高噴煤比操作對焦炭劣化的影響[J].寶鋼技術,2000(5):13-16.

[3] 方覺,王杏娟,等.高爐塊狀帶焦炭強度模擬研究[J].鋼鐵研究學報,2007(19):13-15.

[4] 蔡克難,程相利,等.提高焦炭強度的研究與實踐[J].鋼鐵,2005(40):23-24.

[5] 傅永寧.高爐焦炭[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995(1):196-202.