杜生強(qiáng)

（寶鋼集團(tuán)八鋼公司煉鐵分公司）

1 前言

八鋼焦化煉焦煤所用煤種中，艾礦煤是煉焦原料的主流煤種，其熱態(tài)性能偏差，其焦炭的反應(yīng)性高，反應(yīng)強(qiáng)度偏低，超出一般鋼廠高爐焦的使用范圍。八鋼煉鐵多年的生產(chǎn)實踐表明，采用反應(yīng)后強(qiáng)度僅為30%～40%的焦炭仍能滿足大型高爐生產(chǎn)需求。文章介紹了在1350℃高爐軟熔帶溫度下研究八鋼焦炭與CO2的反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度，以深入探究國標(biāo)焦炭反應(yīng)性能與高溫反應(yīng)性能的區(qū)別及其它冶金焦炭的性能。

2 40kg實驗焦?fàn)t煉制焦炭1350℃熱性質(zhì)

八鋼煉焦用單種煤煤質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 單種煤煤質(zhì)指標(biāo) %

2.1 單種煤40kg焦?fàn)t煉別焦炭的1350℃熱性質(zhì)

焦炭的高溫反應(yīng)實驗條件為在反應(yīng)爐溫度達(dá)到800℃時通入 CO262L/h、N2200L/h，當(dāng)爐溫達(dá)到1350℃時再通入CO2232L/h、N230L/h，然后進(jìn)行焦炭與二氧化碳反應(yīng)30min，之后用氮氣冷卻。

八鋼用單種煤在40kg實驗焦?fàn)t所煉焦炭的1100℃國標(biāo)熱態(tài)性能結(jié)果較差，特別是疆內(nèi)單種煤焦炭的CSR較低。對單種煤40kg實驗焦?fàn)t所煉焦炭1350℃條件下高爐軟熔帶氣體組成進(jìn)行的熱態(tài)性能進(jìn)行研究，結(jié)果見表2。

表2 單種煤及生產(chǎn)配比煤焦炭的高溫1350℃熱態(tài)性能

由表2可見，八鋼用疆內(nèi)煤所煉焦炭在高溫1350℃熱態(tài)性能與國標(biāo)焦炭高溫?zé)嵝阅艿臄?shù)值截然不同。當(dāng)采用1350℃時，以高爐模擬氣氛進(jìn)行反應(yīng)性和反應(yīng)后強(qiáng)度實驗時，所獲得的焦炭熱態(tài)性能相對較高，1890煤焦炭的 CRI*為 30.9%，CSR*為67.4%，其與蒙古主焦煤CSR*67.8%相近；1930煤和2130煤所煉焦炭分別為CSR*61.6%和60.0%，但其CSR*高于清河蒙古煤1350℃的焦炭性能，其CSR*為55.6%。因此，從1890煤的高溫?zé)釓?qiáng)度看，其值與蒙古主焦煤相當(dāng)，其高溫?zé)岱磻?yīng)性CRI*與2130煤、拜城14煤相當(dāng)。因此，單種煤焦炭的高溫1350℃熱態(tài)性能與國標(biāo)反應(yīng)性有較大的差異，而高溫1350℃焦炭的性能更能表征八鋼在焦炭的高爐軟熔帶所處環(huán)境下所受到的影響和作用。

2.2 配合煤40kg焦?fàn)t所煉焦炭的1350℃熱性質(zhì)

為進(jìn)一步分析配煤結(jié)構(gòu)對焦炭高溫1350℃熱態(tài)性能的影響，對不同配煤結(jié)構(gòu)的實驗焦?fàn)t所煉焦炭進(jìn)行了高溫?zé)釕B(tài)性能研究，探尋艾礦煤、拜城煤及蒙古煤配入不同比例時焦炭的熱態(tài)行為，為八鋼大型焦?fàn)t穩(wěn)定生產(chǎn)需要的配煤結(jié)構(gòu)提供技術(shù)支持。實驗針對不同配煤方案進(jìn)行了焦炭的高溫1350℃熱態(tài)性能研究，結(jié)果見表3。

表3 八鋼煉焦煤40kg實驗配合煤配比及焦炭1350℃熱態(tài)性能

由表3可見，不同配煤結(jié)構(gòu)對應(yīng)的焦炭高溫1350℃熱態(tài)性能普遍較高，說明八鋼配煤煉焦的基礎(chǔ)煤種性能良好。其中XJ-8配煤結(jié)構(gòu)與八鋼大焦?fàn)t生產(chǎn)配煤結(jié)構(gòu)相近。

3 焦炭1350℃熱態(tài)性能及微結(jié)構(gòu)比較

將八鋼生產(chǎn)焦炭與典型鋼廠1350℃熱態(tài)性能及焦炭結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析

3.1 1350℃的熱態(tài)性能對比

由表4和圖1可見，盡管八鋼焦炭的國標(biāo)熱態(tài)性能指標(biāo)偏差，但在高溫1350℃熱態(tài)性能和分別為23.6%和68.6%，僅低于TG焦炭高溫?zé)釓?qiáng)度1.8%，且比AG的略高。但與TG的19.9%和仍有差距。從圖1八鋼焦炭與其他兩個鋼廠AG和TG焦炭的高溫?zé)崾е厮俾士矗虽摻固颗c其他兩個比較，焦炭的熱失重速率基本相當(dāng)。因此，該實驗焦炭反應(yīng)特性方面反映了八鋼煉焦煤所煉焦炭的獨有特性，是支撐大型2500m3高爐穩(wěn)定生產(chǎn)操作的重要依據(jù)。

表4 八鋼煉焦煤40kg實驗配合煤焦炭1350℃熱態(tài)性能

3.2 1350℃處理后焦炭XRD分析

為進(jìn)一步剖析八鋼焦炭的微觀結(jié)構(gòu)性能，采用荷蘭帕納科公司X'PertPowde的XRD分析儀對焦炭進(jìn)行了分析研究。實驗條件為Cu靶，管壓40kV，管流40mA， 步 進(jìn) 式 掃 描 ，Step size=0.013° Time per step=5s，掃描范圍5°～90°。分析結(jié)果見表5和圖2。

圖1 八鋼BG焦炭與AG、TG焦炭在1350℃與CO2動態(tài)反應(yīng)性能

表5 八鋼BG、AG及TG鋼廠生產(chǎn)焦炭的XRD分析結(jié)果

圖2 八鋼BG、AG及TG鋼廠生產(chǎn)焦炭的XRD譜圖

從XRD衍射數(shù)據(jù)可以看出，八鋼生產(chǎn)焦炭（BG）經(jīng)過高溫1350℃熱處理后，AG和TG兩個鋼廠焦炭的Lc分別為1.1930nm和1.4555nm，而BG焦炭在1350℃只有0.2132nm，AG和TG兩個鋼廠焦炭微晶碳層厚度分別是八鋼焦炭的的6和6.8倍；同時，焦炭經(jīng)過高溫1350℃熱處理后，八鋼BG生產(chǎn)焦炭的值為3.2488，其值高于AG焦炭值（1.6260nm），低于TG 焦炭值（4.7773nm）?？梢钥闯觯邷厍闆r下，微晶結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，趨于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定化，并且八鋼焦炭結(jié)構(gòu)寬度最明顯。

3.3 1350℃處理后Laman光譜分析

為進(jìn)一步掌握焦炭在生產(chǎn)條件下及高爐軟熔帶操作過程中碳的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，實驗研究了焦炭的Laman光譜分析。實驗采用法國Jobin Yvon公司LabRAM XploRA分析儀，Grating:1200gr/mm，ND Filter:10%，試樣粒度小于300μm。實驗研究了八鋼生產(chǎn)焦炭與典型鋼廠焦炭的Laman光譜，結(jié)果見表6，圖 3～ 圖 5。

表6 八鋼焦炭與AG、TG焦炭激光拉曼光譜分析結(jié)果

圖3 新疆生產(chǎn)焦炭的拉曼光譜

圖4 AG生產(chǎn)焦炭的拉曼光譜

圖5 AG廠生產(chǎn)焦炭的拉曼光譜圖

由表6可知，八鋼生產(chǎn)焦炭XJ的ID/IG（峰強(qiáng)比）為1.03，其值低于AG鋼廠生產(chǎn)焦炭1.13的峰強(qiáng)比，與TG鋼廠焦炭1.05的峰強(qiáng)比相近，八鋼生產(chǎn)焦炭的碳微晶結(jié)構(gòu)缺陷接近TG鋼廠焦炭，好于AG鋼廠焦炭，但將焦炭經(jīng)過1350℃熱處理后，八鋼生產(chǎn)焦炭XJ的峰強(qiáng)比減少到0.95，其經(jīng)高溫處理后所表現(xiàn)的碳結(jié)構(gòu)缺陷有所減少，但其值仍高于AG鋼廠焦炭0.92的峰強(qiáng)比，也比TG鋼廠生產(chǎn)焦炭的0.87高出近11.4%。

八鋼、AG鋼廠和TG鋼廠焦炭的峰面積比AD/AG和半高寬WD/WG都可以得到上述相同的結(jié)論。

4 焦炭的常溫和高溫抗壓性能研究

焦炭在高爐中需要承受高溫炭素溶解損失反應(yīng)，特別是軟熔帶的碳素溶解對焦炭劣化影響更為重要。由高爐爐料結(jié)構(gòu)特性可知，焦炭在高爐中還要承受高溫負(fù)荷作用，特別是1350℃軟熔帶時焦炭的負(fù)荷。為此，特別研究了焦炭在高溫和常溫條件下的抗壓強(qiáng)度及抗壓模量變化，結(jié)果見表7。

表7 八鋼焦炭與AG、TG鋼廠焦炭抗壓性能對比

由表7可見，在常溫下八鋼生產(chǎn)焦炭的抗壓強(qiáng)度為12.30 MPa，分別比AG和TG鋼廠焦炭低3.70 MPa和4.50 MPa，相對低30.1%和36.6%；八鋼生產(chǎn)焦炭在高溫1350℃時，其抗壓強(qiáng)度增加到17.2 MPa，僅比AG和TG鋼廠焦炭在同樣溫度下低2.2MPa和6.7MP，相對低12.8%和38.9%?？梢?，八鋼焦炭在高溫1350℃條件下的抗壓強(qiáng)度與AG焦炭的抗壓強(qiáng)度接近，與TG焦炭的高溫抗壓強(qiáng)度有較大的差距。

八鋼焦炭在常溫條件下的抗壓模量為111.5 MPa，比AG廠和TG廠焦炭抗壓模量分別低116.5 MPa和18.3 MPa，因此八鋼焦炭在常溫條件下的抗壓模量只有AG廠的48.9%，是TG廠的85.9%。但八鋼焦炭在高溫1350℃條件下的抗壓模量為128.0 MPa，其與AG廠焦炭的抗壓模量125.1 MPa相當(dāng)，比TG廠焦炭抗壓模量200.0 MPa低72MPa。因此，八鋼生產(chǎn)的焦炭高溫抗壓模量較低，與AG廠的2500m3高爐用焦相近。高溫條件下，BG焦炭抗壓性能改善明顯。

5 結(jié)論

通過八鋼焦化與生產(chǎn)焦炭用于2500m3高爐的生產(chǎn)實踐與理論以及試驗研究分析，經(jīng)過反復(fù)論證，對八鋼煉焦用煤及焦炭有了進(jìn)一步認(rèn)識，得出以下結(jié)論：

（1）艾礦煤及其它新疆煉焦煤生產(chǎn)出來的焦炭可以滿足2500m3大型高爐煉鐵需求，實現(xiàn)八鋼的經(jīng)濟(jì)煉鐵，并能夠長期穩(wěn)定生產(chǎn)。

（2）通過充分論證得出，現(xiàn)有國標(biāo)熱態(tài)性能測試方法對八鋼生產(chǎn)焦炭的應(yīng)用有一定的局限性，不能充分表明焦炭在高爐內(nèi)的熱狀態(tài)及熱過程。在較高的反應(yīng)溫度條件下，才能夠較客觀評價焦炭的熱態(tài)性能，特別是1890煤焦炭的CSR*為67.4%，這是八鋼焦炭支撐2500m3高爐穩(wěn)定生產(chǎn)的重要依據(jù)。

（3）八鋼生產(chǎn)焦炭經(jīng)過高溫1350℃熱處理后，石墨化程度得到了較大的提高，并且碳結(jié)構(gòu)缺陷有所減少。

（4）八鋼焦炭抗壓性能較好，尤其在高溫條件下，常規(guī)裝置檢測不易碎裂，對高爐的生產(chǎn)有很大的指導(dǎo)意義，該指標(biāo)將作為八鋼焦炭質(zhì)量的補(bǔ)充評價因素。