3-焦炭反应性与反应后强度测试及其应用20200423

I型转鼓 20r/min×30min
JIS转鼓
煤科 150r
罗加转鼓
ASTM转鼓
IRSID转鼓
德国矿山研究 所
块焦 70kg CO2、N2
— 1050±10℃
米库姆转鼓
中国（GB4000）
23-25
200g
CO2
5L/min 1100℃
2h I型转鼓 20r/min×30min
3.4、实验方法与高炉内真实情况对比
焦化 粉高炉用焦炭，高反应性焦炭并不影响大型高炉顺行（如八钢所用艾维尔沟煤）。
3 质与 高炉炼铁过程中，焦炭反应性与铁矿石的还原性之间具有较好的耦合性时，才能取
得较好的冶炼效果。
煤
院
高炉内焦炭溶损反应除了与焦炭本身性质有关外，还与温度、气体组成、碱金属循
4 煤科 环、铁矿石还原提供CO2的能力等密切相关，焦炭反应性及反应后强度并没有准确
1.2、高炉炼铁过程
堂
• 从高炉上益部讲装入含铁炉料、燃料和
熔究剂所向公下运动；
质与焦化•研下的高部温鼓还入原空性气ห้องสมุดไป่ตู้燃体烧向燃上料运，动产；生大量
煤科院煤
• 炉料经过加热、还原、熔化、造渣、 渗碳、脱硫等一系列物理化学过程，
最后生成液态炉渣和生铁。
1.3、焦炭在高炉中的主要作用
堂
讲 高炉使用燃料主要包括高炉上部加入的焦炭以及从风口喷吹的固体燃料煤粉（无烟煤、烟煤、干熘煤）
2.1、焦炭热性能的主要影响因素分析
堂
讲
益
＋
究所公
原料煤
质与焦焦炉化加研热
焦炭
煤
∴焦炭质量由煤科原院料煤特性和炼焦工艺条件共同决定
2.2、煤的形成
煤 是 怎 么 形 成 的
？ 煤是和地球一起形成的，有地球就有煤 ？ 煤是由岩石演变而来的
堂
益讲
泥 炭
公
ü 煤是由植物形成的
所
• • •
煤层底板有植物根化石
所
- 补偿导线的匹配及正确选取
究
• 恒温区
化研
与焦 - 外丝管的选取，炉丝老化导致通CO2后炉温恢复时间长、CRI偏低
- 恒温区长度的定期校验
质
煤
• 升温速度
院
科
煤 - 8℃/min~16℃/min
- 氮气保护
3.8.3、影响检验结果的主要因素分析-气体
堂
• N2
讲
- 主要用于提供惰性保护气氛
公益
电炉丝/炭化硅 单控
1100℃±5℃ >150mm 有
鄂破/手工 圆孔Φ23mm～25mm
N2>99.99% CO2>99.99% 纯度达不到需净化
CRI≤2.4% CSR≤3.2%
堂
GB/T4000-2017
讲
见右图
益
电炉丝/炭化硅
公
单控/三控
究所
1100℃±3℃
研
>150mm
化
有/无
与焦
质 机械/鄂破/手工
院
CRI
30
科 很大的变化。矿物质在高温
25
R 2= 0 .6 4 8 5
煤 下经分解、氧化、化合等化
20
学反应之后才转化为灰分。
15 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
MCI
2.4、对焦炭热性能的常规/普遍认识
堂
讲
方 法 来 源
公益 • 日本新日铁1982年在《燃料协会志》上发表了“高炉用焦炭的CO2反应后强度试验方
究
研 显微镜下观察到煤中有远古植物化石或残体 焦化 人工煤化实验由木材合成了类天然煤物质
与
成 煤 过 程
质
煤
化 阶 段
煤 化 阶 段
院
成 岩 作 用 变 质 作 用
植物遗体
泥炭 褐煤 烟煤
科
无 烟煤
煤
超无烟煤
2.3、炼焦煤特性的主要影响因素
堂
• 变质程度：年龄
益讲
• 煤岩组成：先天基因
所公
• 沉积环境：成长经历
院
司
公
20±1
25~75
20~30
所 51~76
20~100
究
200g
12kg
400g
研—
25kg
CO2
CO2
CO2、CO N2、H2
化 焦 CO2
CO2
与
5L/min
7.5m3/h
—质
—
—
1100℃ 2h
1000℃ 2h
院煤 650℃ 1200℃
1000℃ 2h
1000℃、1100℃ 1200℃、1300℃
堂 益讲 焦炭在实验室和高炉内与CO2反应影响因素对比
公 所 究 研 化 焦 与 质 煤 院 科 煤
胡德生，孙维周.重新认识高炉用焦炭与CO2的反应性，宝钢技术
3.5、中国新旧标准对比
项目 实验炉 加热方式 控温方式 温度精度 恒温区 高铝球 制样方式 样品尺寸
气体纯度
重复性
GB/T 4000-2008 见右图
煤
2.5、对焦炭热性能的其他观点
堂
1
讲 焦炭反应性CRI、反应后强度CSR测试方法与高炉实际情况相差较远，高炉中焦炭 公益 的气化失重与反应性测定结果关联不大。
2
究所 焦炭反应性及反应后强度是规范性试验（反应温度、反应时间、气体浓度），超过 研 规范性试验范围的结果有待商榷；传统焦炭热性能试验方法不适合评价现代喷吹煤
所 法”的观点，此后该理念与方法逐步被冶金工作者重视并接受，中国、美国、德国、
ISO等相继引用。
研究
化
焦
普 遍 认 识
• •
质与 低CRI、高CSR焦炭有利于降低焦比和改善焦炉操作； 院煤 低CRI有利于增加间接还原时间而降低焦比；
科 • 高CSR有利于保持焦炭在高温条件下的强度、粒度，保证高透气性。
ü C+CO2
2CO
科院
代表。
煤
3.2、指标测试原理
堂
• 一定质量的试样，在一定温度下与一定流量的CO2反益应讲2h，以焦炭质量损失的百
分数表示焦炭反应性CRI ；
公
• 反应后的焦炭经I型转鼓试验后，以大于10m究m所粒级焦炭占反应后焦炭的质量百
分数表示焦炭反应后强度CSR；
化研
• 焦炭反应性（CRI）是指焦炭与CO与2等焦进行化学反应的能力，反应后强度（CSR）
与 - CO2纯度：2008版为99.99%、2017版为99.5%
• 变化3：试样的采取和制备
质
煤 - 2008版取样量20kg，2017版取样量60kg
院 - 2017版完全弃去泡焦和炉头焦
科 - 2008版制样为颚式破碎+筛分，2017版为机械制样
煤 • 变化4：精密度要求
- 重复性限不变，2017版增加了再现性
所
• 煤的灰分不是煤中的固有组
研究 煤灰的化学组成：SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO ，TiO2，
成，而是由煤中的矿物质转 化而来的。煤的灰分与矿物
焦化 SO3，P2O5，K2O，Na2O ，MnO
质有很大的区别，首先是灰 分的产率比相应的矿物质含
与 40
煤质
35
量要低，其次是在成分上有
堂
第三成因因素
讲
益
公
• 原始成煤环境
- 泥炭化作用阶段
研究所
- 泥炭、沼泽
化
- 煤岩组成已确定
焦
• 后天经历环境
质与
- 变质作用阶段
院煤
科 - 温度、压力、岩浆侵蚀
煤 - 埋藏深度、地下水接触
2.3.4、煤的黏结性与结焦性
堂
益讲
公
究所
研
化表征黏结性与结焦性的方法：
焦
与 胶质体性质需从数量 煤质
• 根据胶质体的数量和性质，有胶质层指数、吉 氏流动度、奥亚膨胀度等。
煤 圆孔Φ23mm～25mm
院 N2>99.99%
科 CO2>99.5%
煤 纯度达不到需净化
CRI≤2.4%
CSR≤3.2%
3.6、标准主要变化
堂 • 变化1：规范性引用文件 讲 - 2008版引用GB/T 2006 冶金焦炭机械强度的测定方法 益 - 2017版引用YB/T 4494 焦炭反应性及反应后强度机械制样技术规范
1.1、高炉炼铁的地位
堂
讲
益
公
单
所高炉炼铁：12.39亿吨，占比93.0%
位 ：
究
亿 吨
研 直接还原：8410.2万吨，占比6.3%
化
与焦
熔融还原：850万吨，占比0.6%
质
煤
院
直接还原铁、熔融还原铁的煤原科燃料适应性、工艺设备稳定性、生产操作难易、经济性，
我国的资源条件共同限定，在可以预见的未来，高炉炼铁仍将是最主要的炼铁工艺。
所公 • 变化2：试验仪器、设备和材料
究 - 2008版正文底部封闭式加热电炉、底部开口式加热电炉，单段控温
研 - 2017版正文三段控温式加热炉，附录A单段控温加热炉
化 - 反应器材质：2008版为GH23或GH44,2017版为GH3044
焦 - 高炉球：2017版无（调整恒温区、预热气体、布气）
堂
讲
焦炭反应性与反应后强究度所公测益 试及其应用
研
煤煤质科与院王焦煤化化岩工分院
煤科院
2020年4月
主要内容
堂
1 2
对焦焦炭炭在热高性炉能中的作理用解及究对所其公热益性讲能的要求 研
3 焦炭反应性与质与反焦应化后强度测试
4 相关煤探科讨院与煤建议
1、焦炭在煤高科炉院煤中质作与焦用化及研究对所公其益热讲堂性能的要求
化
• 制样
与焦
煤质 - 手工、颚式破碎、机械三种方式比较（样品代表性与均匀性、对人员要求、产率与效率）
院 - 样品形状、颗粒数（反应过程接触的比表面积）、球样表面粉末
煤科 - 样品的干燥与不同熄焦方式水分含量
3.8.2、影响检验结果的主要因素分析-温度
堂
• 温度控制（电偶）
益讲
公 - 电偶选型正确、电偶插至套管底部且处于样品中心、电偶偶丝长度是否符合要求、电偶定期检定
煤 - CO2浓度 科院 - CO2流量
煤- 压力
- ……
3.8、影响检验结果的主要因素分析
讲堂
• 取制样 • 温度
研究所公益
• 气体 • 其他
质与焦化
煤
煤科院
3.8.1、影响检验结果的主要因素分析-取制样
堂
讲
• 取样
公益
- 皮带上、落焦处取样
所
究
研 - 炉头焦、泡焦、细长条、片状去除？不同操作者对去除焦样判断的差异性？国标中无定性说明
所 - N2纯度低会导致CRI升高，纯度达不到要求应脱除氧气和水分进行净化
究
• CO2
• 提供碳源用于铁水的渗碳（也称为碳的溶解）。
1.4、高炉冶炼对焦炭质量的要求
堂
讲
• 化学成分：固定碳高，灰分和硫份低
益
公
• 粒度组成：具有一定粒度、均匀性 究所
• 抗碎强度（M40高）
化研
焦
• 耐磨强度（M10低）
与
质
• 反应性（CRI低） 煤
院
• 反应后强度（C煤SR科高）
2煤、科对院煤焦质炭与焦热化性研究能所公的益理讲堂解
研究
化
不同人性格认知
焦
与
质
煤
院
科
煤
褐煤
次烟煤
高挥发分烟煤
低挥发分烟煤
2.3.1、煤的变质程度
堂
挥发分（V）——煤在规定条件下，隔绝空气加益热讲后挥发性有机物质的产率
• •
不与是煤煤的中成固因有、物煤质岩，类在型特及定变加质热程制度度有下关研的究热所分公解产物，称挥发分产率更确切
反• 射研率究（方法R不）破—坏—煤的显原微始镜结下煤构，质反与射焦光化强相对于垂直入射光强的百分比
则是指反应后的焦炭在机械力和质热应力作用下抵抗碎裂和磨损的能力。
煤
院
碳溶损煤反科 应：C+CO2
2CO
3.3、相关国家实验方法
国家或企业
试样粒度 /mm
试样量
反应气组成
气体流量
反应温度 和时间
反应后强度 测定装置
堂
讲
新日铁（小型） 新日铁（大型） 法国钢铁研究
益 美国伯利恒钢铁公 英国煤炭研究中心
和质量两个维度表科征院
• 直接观察所得焦块的性质，有坩埚膨胀序数和 葛金指数等。
煤
• 根据胶质体黏结惰性物质的能力，测定形成焦
炭的强度，有罗加指数、黏结指数等。
2.3.5、煤中矿物质
讲堂 煤中的矿物质——天然含于煤中的无机组分，是除水分外煤中所有无机质的总称
公益 灰分（产率）——煤燃烧后剩下的残渣，可反映煤中矿物质含量
3.7、焦炭反应性测试过程的科学本质
堂
• •
焦气炭固是相一化种学碳反质应多主孔 要体影，响它因公与素益C讲O2的反应属于气固相反应
所 - 温度、压力、气体浓度、催化剂
• 焦炭与CO2的反应速研度究与焦炭的化学性质及气孔比表面积有关
• 焦炭反应性主要焦影化响因素
与 - 焦样粒度
质 - 反应温度（升温速度）
•
从显微尺度对煤的不煤均科一院性进行表征（反射率分布图）
• 不受其他组分干扰
2.3.2、煤岩组成
堂
讲
益
公
所
镜质组
惰质组
研壳究质组
矿物
化
• 惰性物含量
与焦
质 • 活惰比 院煤 - 活惰比假设的由来
科 - 活性、惰性是否绝对？过渡组分、特殊成因
• 相关衍煤生：组成平衡指数、强度指数等
2.3.3、沉积环境
模拟焦炭在高炉内的溶损劣化行为。
3、焦煤炭科反院煤应质性与焦与化反研究应所公后益强讲堂度测试
3.1、何为焦炭反应性
堂
讲
焦炭与氧化性气体在高温下反应的性质称为焦炭的高益温反应性，简称焦炭反应性。
公
所
究
研
焦炭反应性主要包括以下三种反应： 焦化
ü C+O2 ü C+H2O
CO2 CO+H2
煤质与
焦炭与CO2反应是高炉内900~1300℃ 的软融带和滴落带内发生的碳素溶损 反应，由于它对焦炭在冶炼过程中具 有重要意义，通常作为焦炭反应性的
益 或液体燃料（重油、柴油、焦油）或气体燃料（天然气、焦炉煤气）。
公
所
焦炭在高炉中主研要究作用
化
焦 • 提供骨架，即使在2000℃以上的高温区，焦炭仍然呈固体状态，使得煤气能够穿过炉料上
质与 升，同时熔渣和铁水可通过焦炭床向下流动，在炉缸聚集；
• 提供热量来熔化炉料；
院煤
煤科 • 提供还原气体来脱除金属氧化物中的氧；