高炉风口焦炭劣化过程研究_

高炉风口焦炭劣化过程研究

吕青青杜屏张明星

（江苏省（沙钢）钢铁研究院炼铁与环境研究室，江苏张家港215625）

【摘要】利用偏光显微镜和扫描电镜研究了高炉风口焦炭被CO

2

及渣铁侵蚀后的微观组织形貌，并分析了风口焦炭的劣化过程。研究结果表明，焦炭中的灰分在高温作用下会由气孔壁表面析出；CO2分子与渣铁经焦炭表面的气孔渗入焦炭，对焦炭的表层进行侵蚀；外层焦炭经过渣铁冲刷、渗碳、燃烧等一系列作用后，粉化并逐层剥离，反应逐渐向焦炭核心进行，焦炭粒径逐渐减小，直至消失。

【关键词】高炉风口焦炭微观组织劣化过程

Study on Deterioration Process of Tuyere Coke in Blast Furnace

Lyu Qingqing Du Ping Zhang Mingxing

（Iron making and Environment Group of Institute ofＲesearch of Iron and Steel of Jiangsu Province

（Shasteel），Zhangjiagang Jiangsu215625，China）

【Abstract】The microstructure and morphology of tuyere coke eroded by CO

2

，slag and iron in blast furnace were studied by polarizing microscope and scanning electron microscope．The deterioration process of tuyere coke was analyzed．The results showed that the ash in the coke can be

separated from the surface of pore wall at high temperature．The CO

2

，slag and iron pores penetrate into the surface of coke and erode the coke pore wall．The surface of coke is chalked and stripped by layers after erosion by slag and iron，carburization and combustion of coke and so on．The reaction conducts from the surface to the core of coke，which indicates the particle size of coke becomes smaller and the particles disappear finally．

【Key Words】blast furnace，tuyere coke，microstructure，deterioration process

在高炉内部，焦炭受到炉料挤压、渣铁冲刷、CO

2

侵蚀、富氧燃烧等一系列作用，最终消耗殆尽［1-2］。由于高炉内部为高温、高压条件，发生的化学反应极其复杂，实验室难以模拟焦炭在高炉内发生的真实反应。因此，分析高炉风口焦炭粒径、强度、微观组织等变化，成为研究焦炭在高炉内降解行为的重要方法［3］。研究表明［4-8］，风口焦炭的劣化程度与高炉操作关系密切，提高喷煤比后焦炭的劣化程度明显加剧，冶炼强度增加也会加剧焦炭劣化。Chung J K等［9］研究认为，风口焦炭质量受高炉喷煤比以及高炉内碱金属负荷的影响。竺维春等［10］研究认为，焦炭粒径降解过程中，碱金属对大粒径焦炭影响较为严重。门正朝等［11］建立了高炉风口焦炭劣化度的研究方法及改善措施。An J Y 等［12］研究了风口焦炭在不同温度下与CO2反应的劣化特点，认为评价风口焦炭的劣化程度与试验条件有关。塔塔钢铁公司［13］较详细地研究了焦炭抗气化、抗石墨化和抗铁水溶解性能与其结构、化学成分和强度的关系。上述研究虽详细探讨了风口焦炭质量变化与高炉炉况及操作之间的关系，但并未详细解释焦炭在风口区域究竟经历了什么样的过程而最终消耗的，而是仅阐述了风口焦炭最终劣化的结果。本文将沙钢2500m3高炉风口焦炭制成薄片，在偏光显微镜和扫描电镜下检测渣铁侵蚀

后焦炭的微观组织和形貌变化，更为详细地研究了风口焦炭的劣化过程。

1试验材料与方法

1．1取样方法

利用“风口取样”，取样机为总长度5m、直径0．15m的半圆形柱体，柱体被分为10个舱，每个舱长0．5m，舱内壁中空，通高压水冷却。当高炉休风时，将取样设备从风口插入，样品落入舱体，之后取出，迅速放在特制的密闭带盖铁桶中，向桶壁浇水冷却，备用。

1．2焦炭光学显微组织测定

已有研究表明，当风口焦炭粒度过小时，内部组织已被破坏，无法检测到焦炭内外组织的变化。当粒径过大时，焦炭无法放置到显微镜下进行测定。因此选择30 40mm粒径焦炭最为合适，该粒度焦炭内部组织完整，且制样方便。在偏光显微镜下逐层测定焦炭光学显微组织，具体步骤为：首先测定最外层焦炭光学显微组织，然后打磨掉表层焦炭，测定下一层焦炭光学显微组织，将焦炭被侵蚀后残留的组织计入“丝炭与破片”结构数目内；每层焦炭打磨厚度为1mm，总计测定5层，每层测定400个点，每点所得焦炭组织计入该组织数量内；最后计算不同组织所占比例，计算三个样品，取其平均值作为最终测定结果。

1．3焦炭扫描电镜测定

取粒径＜10mm、30 40mm、40 60mm的风口焦炭，利用磨抛机由两侧逐渐向内侧打磨焦炭，制成厚度为1mm的风口焦炭切片，切片位于打磨前焦炭的正中间。具体方法：先用180目砂纸单侧打磨焦炭，接近正中间部位时停止，换方向打磨焦炭另一侧，当焦炭切片厚度接近1mm时停止，更换1200目砂纸精磨。当焦炭切片厚度小于1mm时停止，用水冲洗焦炭切片上的粉末，冲净后放入105ħ干燥箱内干燥2h，备用。

利用扫描电镜检测切片外围及内部组织形貌，并对部分组织进行化学成分半定量分析。

2试验结果与分析

2．1焦炭光学显微组织分析

在风口区域，焦炭同时受到CO2分子与渣铁侵蚀。其中绝大多数渣铁在焦炭表面反应，只有部分渣铁渗入到焦炭的内部反应，渣铁对焦炭内部光学组织的影响不大；CO2分子能从焦炭表面的气孔快速进入内部组织，与气孔壁进行反应，因而CO2对焦炭内部的光学组织影响较大。

由焦炭表面至内部，逐层分析焦炭组织结构的变化。由表1可知，“丝炭与破片”结构的比例由焦炭表层到内部逐渐降低。由图1可知，风口焦炭表层受CO2和渣铁侵蚀严重，气孔发生串孔，气孔壁粗糙；风口焦炭第5层的组织完整，光学组织结构与入炉焦炭基本相同。汪琦等［14］、张小勇等［15］研究认为：高温条件下，CO2与焦炭气孔壁接触即发生反应，速度极快。因此CO2在向焦炭内部扩散过程中与气孔壁接触而被快速消耗掉，只有极少数CO2能够穿过焦炭表层气孔进入焦炭内部。上述研究结论与本试验结果一致，高炉风口回旋区温度达到2000ħ，风口焦炭表层组织被CO2侵蚀严重，而焦炭内部组织结构完好。由此可见，在风口高温区，CO2主要在焦炭表层进行激烈反应，破坏焦炭表层组织结构，焦炭内部受CO2侵蚀作用较弱。

表1入炉焦炭与风口焦炭微观组织对比

Table1Microstructure comparison between the coke in furnace and tuyere coke

焦炭类型层厚/mm各向同性/%细粒镶嵌/%粗粒镶嵌/%丝炭与破片/%入炉焦炭－16．335．031．515．5

风口焦炭第1层012．928．123．834．8

风口焦炭第2层1．010．124．832．726．1

风口焦炭第3层2．012．236．820．628．7

风口焦炭第4层3．016．635．927．919．6

风口焦炭第5层4．015．536．233．314．9

2．2扫描电镜结果分析

2．2．1渣铁侵蚀焦炭表层形貌

图2为渣铁与焦炭表面的结合形貌。对图2白色部位进行半定量分析，结果如表2所示。可知图2（a）白色部分主要为炉渣，图2（b）白色部分主要为铁与渣的混合物。

由图2可知，高炉渣铁包裹在焦炭的表层，渣铁溶蚀焦炭表层，部分渣铁沿焦炭表面开气孔渗