炼焦工艺有关知识

煤隔绝空气进行加热，分别得到固体产品、液体产品和气体产品的过程，即为煤的干馏过程。根据煤被加热的最终温度，分为低温干馏（500～550℃），中温干馏（600～800℃）和高温干馏（900～1050℃）即炼焦过程。

早期的炼铁使用木炭作燃料和还原剂，1709年开始用焦炭代替木炭进行炼铁，从此推动了炼焦生产和技术的发展。

1、炼焦技术的发展阶段

四个发展阶段分别为：成堆炼焦与窑式、倒焰炉、废热式焦炉及现代的蓄热室焦炉。

现在炼焦技术的继续发展阶段：

1）焦炉容积大型化

2）装炉煤预处理技术：配型煤技术、捣固工艺、煤预热工艺等

3）环境保护

4）炼焦自动化技术

2、焦炭的作用与性能

高炉是竖形炉子，从上到下有炉喉、炉顶、炉身、炉腰、炉腹和炉缸五部分。原料包括铁矿石（或烧结矿）、焦炭和石灰石，交替地由炉顶通过装料装置装入炉内，焦炭和氧气不完全燃烧生成的一氧化碳是高炉内主要的还原剂。焦炭与氧燃烧反应所放出的热量是高炉冶炼过程热量的主要来源。加入石灰石的目的，在于同石灰石与矿石、焦炭中的高熔点酸性氧化物起反应，形成熔点较低、比重较小的炉渣与铁水分开，从炉缸中放出。

由于焦炭在高炉内起支撑料柱的骨架作用，保持炉料分布均匀、透气性好，要求焦炭有较高的抗碎强度和耐磨强度，还要有一定的块度，块度越均匀越好。随着高炉越来越大，高炉喷煤技术的使用，对焦炭强度和块度要求就更高。

焦炭的化学组成包括水分、灰分、挥发分、硫分、磷分等。

焦炭的水分与炼焦煤料的水分无关，也不取决于炼焦工艺条件，主要受熄焦方式的影响。另外焦炭水分要尽量稳定，有利于高炉配料稳定。

焦炭的灰分的主要成分是SiO2和Al2O3。焦炭灰分升高，不但使焦炭的强度降低，在高炉冶炼中需多用石灰石，铁产量下降。

焦炭的挥发分是焦炭成熟程度的标志。焦炭挥发分过高，说明焦炭没有完全成熟，出现“生焦”。焦炭挥发分过低时，说明焦炭过火，焦炭裂纹增多，易碎。

焦炭的硫分是受炼焦煤料影响的，它是生铁中的主要有害杂质，当焦炭含硫量高时，在高炉冶炼中为了脱硫，需多加石灰石，使铁产量降低。

焦炭的磷分含量很少，焦炭的含磷量多少取决于炼焦煤料，煤中的含磷几乎全部转入焦炭中，一般焦炭含磷量约0.02％。磷在炼铁过程中，进入生铁中使生铁产生冷脆性。

焦炭的工业分析及机械强度

焦炭的工业分析包括水分、灰分、硫分、挥发分含量等项。机械强度包括抗碎强度指标M40、耐磨指标M10。我国采用米库姆转鼓试验方法测定焦炭的机械强度。

焦炭的筛分组成是计算焦炭块度＞80mm、80～60mm、60～40mm、40～25mm 等各粒级的百分含量。利用焦炭的筛分组成可以计算出焦炭的块度均匀系数k。k可由下式算出：

K =

焦炭强度的M40、M10转鼓指数都是焦炭的冷态特性，而焦炭在高炉中恰恰是在高达1000℃以上的热态下使用。

焦炭强度在高炉下部被削弱的主要原因是高温下CO2对焦炭的侵蚀作用，焦炭中的C被用于直接还原而消耗，失去了高温强度而发生粉化，失去了支架的透气作用，使高炉无法运行操作。因此，现代化大高炉要求的优质焦炭应该是在高温下不易被CO2所侵蚀的焦炭。

可以用焦炭的反应性(CRI)和反应后强度(CSR)来作为评价焦炭高温强度指标。

我国采用的测定方法与日本新日铁相同，即在1100℃恒定温度下用纯CO2与直径20mm焦球反应，反应时间为120min，试样重200g，以反应后失重百分数作为反应性指数(CRI)。反应后的焦炭在直径130mm、长700mm的I型转鼓中以每分钟20转，转动600转并经筛分，以大于1mm筛上物与入鼓试样总重的百分数作为反应后强度(CSR)。

3、炭化室内的结焦过程

炭化室内煤料的结焦过程基本特点有二：一是单向加热、成层结焦；二是结焦过程中传热特性随炉料的状态和温度而变化。

炭化室在装煤之前的墙面温度一般约为1100℃，装煤后常温的煤立即大量吸收墙体的热量，使炉墙表面的温度急剧下降，而紧靠炉墙的煤料快速升温，炭化室中心面的煤料仍处于常温。随着结焦时间的推移，靠近炉墙的煤料在装煤后的6～7个小时已经成焦。炭化室中心面的煤料的温度仅为100～200℃，也就是

说此时从炭化室墙面到中心面之间的物料，处于结焦过程各个阶段的情况都有，紧靠炉墙处为焦炭层，接着依次分别为半焦层、塑性层、干煤层、湿煤层。在一个炭化室内结焦过程是从两侧炭化室墙面开始，一层层地逐渐向炭化室中心面推移，称为“成层结焦”。到了结焦末期，焦炭层逐渐移止中心面，整个炭化室全部成焦，因此结焦末期炭化室中心面的温度（焦饼中心温度）可以作为焦饼成熟程度的标志，成为炼焦最终温度。

炭化室墙面附近焦块两端的温度差大，因此焦块的裂纹多而深，该处的焦炭粒度小，而焦饼中心处焦块两端的温度差小，裂纹少而浅，焦块大。另外在焦饼中心处两侧的塑性区汇合时，塑性区厚度最大，塑性区产生热解气体排出的阻力最大，塑性体对两侧炉墙的侧压力也为最大，也即此时的膨胀压力最大。

4、焦炉用耐火材料

硅砖属于酸性耐火材料，SiO2含量在93%以上，具有良好的抗酸性侵蚀能力，它的导热性能好，荷重软化温度高，一般在1620℃以上。硅砖的导热性随着工作温度的升高而增大，没有残余收缩，在烘炉过程中，硅砖体积随着温度的升高而增大。

粘土砖是指Al2O3含量为30%~40%硅酸铝材料的粘土质制品。矿物组成主要是高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）和6%~7%的杂质（钾、钠、钙、钛、铁的氧化物）。粘土砖的烧成过程，主要是高岭石不断失水分解生成莫来石

（3Al2O3·2SiO2）结晶的过程。

粘土砖属于弱酸性耐火制品，能抵抗酸性熔渣和酸性气体的侵蚀，对碱性物质的抵抗能力稍差。粘土砖的热性能好，耐急冷急热。

粘土砖的耐火度与硅砖不相上下，高达1690~1730℃，但荷重软化温度却比硅砖低200℃以上。因为粘土砖中除含有高耐火度的莫来石结晶外，还含有接近一半的低熔点非晶质玻璃相。

在0~1000℃的温度范围内，粘土砖的体积随着温度升高而均匀膨胀，线膨胀曲线近似于一条直线，线膨胀率为0.6%~0.7%，只有硅砖的一半左右。当温度达1200℃后再继续升温时，其体积将由膨胀最大值开始收缩。粘土砖的残余收缩导致砌体灰缝的松裂，这是粘土砖的一大缺点。

粘土砖只能用于焦炉的次要部位，如蓄热室封墙，小烟道衬砖及蓄热室格子砖、炉门衬砖、炉顶以及上升管衬砖等。

高铝砖是Al2O3含量大于48%的硅酸铝或氧化铝质的耐火制品，高铝砖的致密度高，气孔率低，机械强度高且耐磨。焦炉燃烧室炉头及炭化室铺底砖的炉头部位，用高铝砖砌筑，效果较好。

5、焦炉炉体结构