高炉块状带焦炭反应性的研究

Study on Coke Reactivity in Lump Zone of Blast Furnace
KON G De2wen1 , ZHAN G J ian2liang1 , GON G Bi2xia2 , L IN Xiang2hai1 , GUO Hao2
(1. School of Metallurgical and Ecological Engineering , U niversity of Science and Technology Beijing , Beijing 100083 , China ; 2. Capital Engineering and Research Incorporation L td. , Beijing 100176 , China)
按照 GB2001 - 91《焦炭工业分析测定方法》对 入炉焦及选取的块状带焦炭试样进行分析测定 ,分 别测出各个焦炭试样的水分 、灰分 、挥发分和固定碳 FCad 含量 。
在高炉块状带 ,铁矿石中的铁氧化物与上升煤
基金项目 : 国家科技支撑计划项目 (2008BAB32B05) 作者简介 : 孔德文 (1984 - ) , 男 , 博士生 ; E2mail : kongdewen1984 @126. co m ; 收稿日期 : 2010206209
焦炭反应性的大小主要取决于焦炭与二氧化碳 间的接触面积 、反应温度 、反应物的浓度及矿物质的 种类和存在形式[9212 ] 。高炉中碱金属的循环富集也 严重影响焦炭的性能 ,碱金属对焦炭的溶损反应具 有催化作用 ,随着焦炭在高炉内的下降 ,在炉内停留 时间的加长 ,焦炭与煤气流充分接触 ,焦炭中碱金属 含量也会相应增加 ,从而导致反应性发生变化[13214 ] 。
2 试验结果及讨论
2. 1 焦炭在高炉中的碳素损失 表 1 是入炉焦及在高炉块状带内所取的 6 个焦
炭试样的工业分析结果 。
表 1 焦炭的工业分析
Table 1 Industrial analysis of the coke
%
试样编号
灰分
挥发分
水分
固定碳
入炉焦 0 号 1号 2号 3号 4号
CR I = m0 - m1 ×100 %
(2)
m0
式中 : m0 为反应前焦炭试样质量 ; m1 为反应后焦炭
试样质量 。
1. 4 热重法测定粉焦反应性
热重法是在程序控制温度下借助热天平以获得 物质的质量与温度关系的一种技术 。热重法得到的
是程序控制温度下试样质量与温度以及时间关系的 曲线 ,即热重曲线 ( T G 曲线) ,横坐标为温度或时 间 ,纵坐标为试样质量[15 ] 。
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第4期
孔德文等 :高炉块状带焦炭反应性的研究
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炭中灰分含量变化不明显 ,从炉身下部开始焦炭中 灰分含量开始增加 ,到炉腹部位后灰分含量增加了 5. 65 %。焦炭灰分是焦炭中的有害杂质 ,主要成分 是高熔点的 SiO2 和 A12 O3 。焦炭在高炉中被加热 到高于炼焦温度时 ,由于焦质和灰分热膨胀性不同 , 会在灰分颗粒周围产生裂纹 ,使焦炭加速碎裂或粉 化 。灰分中的碱金属氧化物和 Fe2 O3 等都对焦炭的 气化反应起催化作用 ,焦炭灰分含量增加将导致焦 炭的反应性增加 。
采用热重法进行焦炭反应性试验 ,称取一定粒 度 ( 01 125 ～ 01 500 mm ) 、一 定 质 量 ( 161 0 mg ± 01 1 mg) 的焦炭试样放入试验坩埚 ,在 N2 保护下开 始加热升温 ,升温速率为 20 ℃/ min 。当温度升至试 验温度1 000 ℃时开始恒温 ,并将保护气体 N2 切换 成反应气体 CO2 。恒温反应 120 min 后结束试验 , 本试验采用焦粉在1 000 ℃恒温条件下与 CO2 反应 60 min 后的失重率作为焦炭的热重反应性指数 。
Abstract : The carbo n lo ss of co ke and t he change of coke reactivity index in lump zo ne of blast f urnace were st udied. The result s show t hat t he carbo n lo ss is increased f rom top to botto m of t he blast f urnace lump zone , and is less t han 10 %. The co ke reactivity index changes a little in t he upper and middle part of blast f urnace stack , and is signifi2 cantly increased f ro m t he lower part of blast f urnace stack and up to 60. 75 % in bo sh po sitio n , which is almo st t hree times of t he co ke reactivity index of t he coke into blast f urnace. The t hermo2gravimet ry reactivity index of coke pow2 der shows an obviously correspo nding relationship and similar changing t rend wit h t he co ke reactivity index of lump co ke. Key words : blast f urnace ; lump zone ; carbon lo ss ; co ke reactivity index ; t hermo2gravimet ry
LC
=
FCad0 - FCadi FCad0
×100 %
(1)
式中 : FCad0 为入炉焦炭试样的固定碳含量 , % ; FCadi
为块状带内焦炭试样的固定碳含量 , %。
1. 3 国标法测定块焦反应性( CRI)
按照国家标准 GB/ T4000 - 1996《焦炭反应性
及反应后强度试验方法》对高炉块状带内不同部位
的焦炭进行反应性测定 。
国标焦炭反应性试验通过中温管式电炉来进
行 。将粒度在 19～20 mm 之间的块焦 200 g 装入反 应管中 ,在 N2 保护下加热试样 ,保护气体 N2 流量 为 0. 8 L/ min 。当温度达到反应温度1 100 ℃时 ,切 换成反应气体 CO2 ,反应气体流量5 L/ min ,反应时 间为 120 min 。试验结束后再通入 N2 保护 ,流量为 2 L/ min 。冷却至室温后 ,取出焦炭称重 。以反应后 焦炭的失重率作为焦炭的反应性指数 (CRI) 。
焦炭是重要的冶金原料 ,特别是在高炉炼铁中 , 主要起燃料 、还原剂 、渗碳剂和疏松骨架的作用 。焦 炭质量的好坏 ,尤其是热态性能的好坏 ,对高炉顺行 和高炉的冶炼技术经济指标的影响非常明显 ,高炉 炼铁工作者都十分重视焦炭的性能变化[123] 。实际 生产中 ,高炉不同部位的温度 、煤气流分布都不同 , 导致焦炭的热反应性能也不同 。焦炭反应性是焦炭 热性质的一个主要指标 ,高炉焦炭反应性主要是指 焦炭对 CO2 的反应性 。焦炭的反应性越低 ,焦炭强 度就越能满足高炉炼铁骨架支撑作用的需要[428] ,因 此 ,有必要了解高炉中焦炭的反应性能变化以指导 生产 ,获得高炉良好的技术经济指标 。
国标法测定块焦反应性的试验结果见表 2 。
试样编号 CRI/ %
入炉焦 0 号 20. 24
表 2 国标法测得焦炭反应性 CRI Table 2 The coke reaction index in national standard
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钢 铁
第 Biblioteka Baidu6 卷
气中的 CO 发生间接还原 ,生成的 CO2 在 800 ℃以 上时与焦炭产生明显的气化反应生成 CO ,这种碳 的消耗称为碳素溶解反应损失 ,简称碳溶损失 。而 焦炭中固定碳的含量变化反映了焦炭的碳素损失 , 所以对焦炭中的固定碳含量进行测定 ,然后与入炉 焦炭的固定碳含量进行对比 , 计算得出碳损失 (LC) 。
第 46 卷 第 4 期 2 0 1 1 年 4 月
钢
铁
Iron and Steel
Vol. 46 , No . 4 Ap ril 2011
高炉块状带焦炭反应性的研究
孔德文1 , 张建良1 , 龚必侠2 , 林祥海1 , 郭 豪2
(1. 北京科技大学冶金与生态工程学院 , 北京 100083 ; 2. 中冶京城工程技术有限公司 , 北京 100176)
6号
17. 78
4. 38
0. 30
77. 54
由表 1 可见 ,高炉内不同部位的焦炭水分和挥 发分含量变化不大 。
图 1 为高炉块状带中焦炭碳素损失及灰分含量 变 化规律 。由图1可见 ,高炉炉身上部及中部的焦
图 1 高炉块状带中焦炭碳素损失及灰分含量变化 Fig. 1 The change of carbon loss and ash content of coke in lumpish section of blast f urnace
1 试验方法及内容
1. 1 试验方法 试验样品均来自现场高炉取样 ,在高炉的块状
带内 ,分别按炉身上部 、中部 、下部 ,炉腰上部 ,炉腰 下部 ,以及炉腹部位取 1～6 号 6 类样品 ,6 类试样 均在高炉靠近炉墙处取得 。
严格按照 GB 2001 - 91《焦炭工业分析测定方 法》测定焦炭试样灰分含量和固定碳含量的变化 ,计 算焦炭的碳素损失 ; 同时 按照 国标 ( GB/ T4000 1996) 焦炭反应性试验方法对 6 种焦炭试样的反应 性指数 (CRI) 进行了测试 ,并与热重法测定的焦粉 反应性指数进行对比研究 。 1. 2 焦炭碳素损失的研究
由图 1 可见 ,在高炉炉身上部和中部焦炭碳素
损失不明显 ,从炉身下部开始碳损失明显增加 ,在炉 腹部位达到最大值 ,碳损失最高达 9. 49 %。
总体上分析 ,高炉块状带内 ,焦炭的失碳程度沿 高炉从上到下方向是增加的 ,但是总的碳损失不超过 10 %。这主要是由于焦炭的失碳速度并非由气化反 应速度决定 ,而是由 CO2 和 H2 O 的供应量决定。在高 炉气化反应温度条件符合的高炉炉身以下部位 ,高炉 中的煤气主要以 CO 为主 ,所以碳溶反应受到限制。 2. 2 国标法测定块焦反应性
12. 12 12. 13 12. 26 13. 35 14. 85
2. 01 2. 04 2. 14 3. 18 3. 01
0. 20 0. 20 0. 14 0. 35 0. 41
85. 67 85. 63 85. 46 83. 12 81. 73
5号
15. 29
3. 66
0. 36
80. 69
摘 要 : 研究了高炉块状带内焦炭的碳素损失情况及焦炭反应性的变化情况 。结果表明 ,在高炉块状带内 ,焦炭的 碳素损失从上到下呈增加的趋势 ,但增加不超过 10 % ;在高炉炉身上部及中部 ,焦炭反应性指数变化不大 ,但是从 炉身下部开始明显增加 ,至炉腹部位 ,焦炭反应性指数高达 60. 75 % ,几乎是入炉焦的 3 倍 ;焦粉热重反应性指数与 块焦焦炭反应性指数有很好的对应关系 ,二者变化趋势一致 。 关键词 : 高炉 ; 块状带 ; 碳素损失 ; 焦炭反应性 ; 热重 文献标志码 : A 文章编号 : 04492749X(2011) 0420015204