★煤炭科技・加工转化★高炉用焦炭热性能控制指标的研究张明远 万 新 冯淋虹 阳银权(重庆科技学院,重庆市沙坪坝,401331) 摘 要 通过对焦炭热性能相关指标的研究,分析了焦炭在高炉内热性能的影响因素和改善焦炭热性能的途径,强调了制定高炉用焦炭热性能控制指标的重要性。
关键词 焦炭热性能 控制指标 反应性中图分类号 TQ52 文献标识码 AA research on formulating a control target for blast furnace coke thermal propertyZhang Mingyuan,Wan Xin,Feng Linhong,Yang Y inquan(Chongqing U niversity of Science and Technology,Shapingba,Chongqing401331,China) Abstract On t he basis of a st udy on t he performance figures of coke t hermal property,fac2 tors affecting coke t hermal properties in blast f urnace are analyzed and ways to imp rove t he coke t hermal p roperties are tested.The importance of drawing up a control target for blast f urnace coke t hermal p roperty is also emp hasized.K ey w ords coke t hermal property,cont rol target,CRI,CSR1 概述焦炭作为高炉炼铁的重要原料,一直是钢铁工程师关注的焦点问题。
尤其由于现代高炉炼铁的发展,高炉大型化、大喷煤量等对焦炭提出了更高的要求。
从目前发展来看,以焦炭的热性能指标操作高炉的条件在国内已经成熟:一方面已经有了国内大型冶金企业在这方面的成功经验;另一方面是手段已经比较成熟。
但还面临一些亟待解决的问题。
G B/T-4000-1996给出的是一个试验的方法,却没有给出一个广泛可行的控制标准,因此各个企业需要结合自己的实际情况来制订相应的CSR(反应后强度)和CRI(反应性)的控制目标。
根据现在已有资料可以看出,企业所制定的标准也是与本身的条件具有相当针对性的,见表1。
关于制定高炉用焦炭热性能国家控制标准的意见已经出现,各企业对焦炭热性能的研究也反应积极。
但是,对于在企业内部科学制定控制标准的研究还没有形成系统意见,部分大企业根据长期的质量控制经验制定明确的标准,中小企业中除个别采取套用大企业指标的思路制定标准外,绝大多数还是采用M40、M10指标指导高炉操作,直接套用大企业指标忽略了企业本身的诸多条件,因此其焦炭热性能对生产的指导性也就被削弱了。
目前,企业进行高炉用焦炭热性能控制指标的制定具有积极意义:一方面为配合精料进一步节能降耗提供了技术保障;另一方面也为国家制定统一的焦炭热性能控制标准积累了经验。
表1 中国和部分国外冶金企业对焦炭热性能的要求国家公司或工厂名字CSR CRI中国宝钢>66<26中国马钢每月例检3～4次,监控焦炭热性能变化中国济钢每周试验1次,监控焦炭热性能变化中国昆钢平均31169澳大利亚Voest Alpine>60<31芬兰K overhar>65<25法国Sollac>53英国Corus>45～70<20～25焦炭在高炉内的强度保持能力直接关系到高炉的顺行和降耗,对于它的研究最早是从风口焦的平均直径开始的,它是直接评价焦炭在高炉内强度保持能力的最有效的办法。
焦炭的热性能CSR和反应性CRI是对风口焦块度影响最直接的2个指标,焦炭反应性指焦炭与CO2气体的反应能力。
此反应也称为焦炭的气化反应。
反应后的焦炭因失碳而产生裂缝,同时因气孔壁变薄而失去强度。
高炉焦炭在高炉冶炼中的作用非常重要。
作为发热剂,它提供铁矿石还原熔化所需的热量;作为还原剂,它提供铁矿石还原所需的还原气体;作为料柱骨架,它对炉料起支撑作用,并提供一个煤气通过的透气层;铁中的碳也全部来源于高炉焦炭。
随着富氧喷煤技术的发展,焦炭的还原剂、发热剂、渗碳的作用已部分被喷吹煤粉所取代,但是作为料柱骨架,保持料柱在高炉冶炼过程中具有良好的透气性是不能取代的,而且由于以煤代焦大幅度降低了入炉的焦炭,其保持强度的能力更加值得关注。
同时,高炉大型化后,对于高炉能否顺行来说,焦炭料柱骨架的作用也显得尤为重要。
再有,从节能的角度看,高反应性的焦炭在较低温度下开始降解,反应开始位置移向高炉上部,焦炭强度下降幅度增大,粉末增多导致炉料的透气、透液性变差从而影响到高炉顺行,能量利用也随着焦炭的气化加剧而变差。
以上这些因素都对焦炭提出了更高的要求,即要求焦炭有更高的反应后强度和尽可能低的反应性。
用CSR和CRI配合或取代M40和M10操作高炉,其优点已经得到公认。
但是简单地套用别的企业指标却并不合适。
这主要是高炉的大小不同、原料不同、操作不同所致,研究表明高炉用焦炭的含水量和炉内的循环碱对CSR和CRI的影响就不容忽视。
2 热性能与相关指标的统计研究211 焦炭反应性、反应后强度和小于3mm含量之间的关系我们从2002年至今一直在关注焦炭热性能的一些内在关系,图1和图2是针对重钢、川威、达钢等3个钢铁企业和2个焦化企业,在工作中进行实验研究时获得的共20个焦炭样数据。
各焦炭的配煤情况肯定存在差异,但结果表明其指标的内在关联性非常强,存在明显的线性相关的变化趋势。
212 焦炭热性能与生产指标的关系近年来的国内外生产实践表明,焦炭CSR与高炉生产情况密切相关。
焦炭从进入高炉那一刻起,M40就不能真实反映焦炭在炉内的变化趋势,简单地说2个M40值相同的焦炭在炉内的块状焦保持能力却不尽相同,当然对生产的影响也就不同。
但是,在炼焦生产稳定的情况下,M40的意义还是明显的,图3是印度Pypkene冶金工厂焦炭热强度与产量的关系。
可是,目前国内的冶金企业还没有建立自己的焦炭热性能控制标准,多数情况是高炉不顺的时候才检测焦炭的CSR和CRI,仅仅是对导致高炉顺行受阻的原因进行排查。
因此,焦炭热性能与生产指标的关系只是一些零星的报道。
图3 印度“Pypkene冶金工厂”4#高炉产量与M40的关系实际上,采用统计的方法对焦炭热性能与生产指标的关系进行研究并不复杂,建立的关系对我们制定企业控制标准意义重大。
某420m3高炉的5个焦炭热强度数据与产量的关系见图4。
为了排除其他因素的干扰,这些数据均是在生产稳定的条件下取得的。
图4 某420m 3高炉产量与焦炭热强度的关系上述规律是我们在工作中观察到的一些局部现象,国内企业在CRI 和CSR 的应用规定中往往是经验性的,缺乏足够的依据。
如果企业能主动进行这些工作,再配合对碱金属、水分对焦炭热性能影响的研究,就可以制定出更加合理的焦炭热性能控制指标,提高高炉操作控制水平。
3 焦炭热强度在高炉内劣化的影响因素焦炭的CSR 与M40比较,可以通过剖析高炉过程进行了解。
将焦炭的行进过程划分成3段,即炉外冷态下的转运、高炉炉腹以上区域和炉腹至炉缸区域。
从焦炭破损机理来看M40对前2段的模拟还是比较准确的,但是对第3段的模拟显然就有疑问了。
因为在第3段,焦炭主要是由于受到气化反应、高温热力和碱金属作用而趋于整体破裂的,在这一段CSR 对其模拟就更加准确。
311 焦炭含水量对焦炭热性能的影响关于水分对焦炭热强度的影响有2种不同观点,一种认为按照现行的标准G B/T4000-1996,水分不影响CSR 和CRI 的检测结果;二是认为干焦的热性能指标要好于湿焦。
为此,我们通过实验进行了检验。
G B/T4000-1996中规定的试样必须在170～180℃干燥2h ,因此要了解水分对焦炭热性能的影响就需要取消该环节。
为了更好地模拟高炉过程,我们将反应管置入炉膛时的温度分别设为室温和350℃,以350℃模拟炉顶温度。
实验数据见表2。
实验数据表明,湿焦在室温下置入反应管升温,其升温过程中焦炭的水分得以顺利溢出,实验结果与干焦的实验结果无显著差异。
但是湿焦在350℃时才将反应管置入炉膛,实验的结果就与干焦的实验数据产生了差异,说明在高炉炼铁过程中,湿焦中的水分并不能迅速溢出焦炭表面,因此水的存在加速了碳的流失。
表2 湿焦和干焦的热性能指标对比%试样CRI CSR <3mm 干焦(基准)251061163612湿焦(室温)251762123515湿焦(350℃)291856104114 基于以上的情况,企业在制定控制标准的时候,可以对水分的影响做进一步的研究,如果仍然采用的湿法熄焦,可以考虑一个对焦炭含水修正的方案而不必改变G B/T4000-1996规定的实验程序。
312 碱金属对焦炭热性能的劣化关于碱金属对焦炭热性能的劣化作用研究比较成熟,方法多是碱泡或加碱的方式处理后测定其热性能的变化。
可以认为,碱金属的存在形态以K 2O 和Na 2O 为主,其对焦炭的劣化机理是:K 2O +CO =2K +CO 2(1)CO 2+C =2CO(2)联立(1)、(2)式,得:K 2O +C =2K +CO(3)(3)式表明,K 的存在加速了焦炭中碳的流失,根据已有的研究成果,如果焦炭中K 2O 提高013%,那么其CRI 将提高5%左右。
根据这种情况,在制定企业控制标准的时候必须对应碱金属的各种形态。
也就是说实验测定的焦炭热性能在实际生产条件下会发生变化,而且这种变化与各个高炉的具体条件联系密切。
我们对某420m 3高炉的炉内粘结物和布袋灰进行了分析,结果如表3。
表3 某420m 3高炉的炉内粘结物和布袋灰成分分析%试样K 2O Na 2O Pb Zn C 高炉内粘结物01205010806158591255153布袋灰112290127011302113018105 如果不考虑高炉内粘结物的影响,那么布袋灰中的碱金属也会导致普通焦炭的反应性上升到50%左右。
这种推测可能是成立的,这表明在制定焦炭热性能企业控制标准的时候,正确分析高炉内碱金属的平衡情况是相当重要的。
313 高冶炼强度对焦炭热性能的劣化随着冶炼强度的提高,风口焦上的包裹物增多,风口焦中TiO 2、Fe 2O 3含量增加,焦炭气孔率增加。
入炉焦和风口焦的平均粒度差增大,即焦炭在炉内消耗加快、强度变差。
因此,在提高冶炼强度的同时必须考虑焦炭劣化对高炉的影响。