高炉内碱金属和碱金属氯化物对焦炭的影响

第23卷第5期2011年5月

钢铁研究学报

Jour nal of Ir on and Steel Research

V ol.23,No.5 M ay 2011

基金项目:国家 十一五 科技支撑计划资助项目(2006BAE 03A01);国家自然科学基金资助项目(60872147)作者简介:余 松(1986 ),男,硕士; E -mail:yu song3469@; 收稿日期:2010-09-17

高炉内碱金属和碱金属氯化物对焦炭的影响

余 松, 赵宏博, 程树森, 潘宏伟

(北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083)

摘 要:针对近年炉料劣化,碱金属严重影响高炉冶炼的问题,对某钢厂碱金属对焦炭的影响进行了研究。前人大多是采用焦炭浸泡碱金属碳酸盐的方法( 浸碱 法)研究碱金属对焦炭的影响,根据实际高炉炉身中下部区域,绝大部分碱金属是以气态形式存在,设计了一个吸附碱金属蒸气的装置,研究了碱金属蒸气对焦炭的影响;还研究了用来改善烧结矿低温还原粉化率的CaCl 2可与高炉中碱金属反应生成不同的氯化物,并测试了不同碱金属氯化物对焦炭高温强度的影响。关键词:高炉;碱金属;焦炭;氯化物;劣化

文献标志码:A 文章编号:1001-0963(2011)05-0020-04

Influence of Alkali and Alkal-i Chloride on Coke in the Blast Furnace

YU Song, ZH AO H o ng -bo, CH EN G Shu -sen, PAN H ong -w ei

(Scho ol of M etallurg ical and Eco lo gical Eng ineering ,U niver sity o f Science and T echnolog y Beijing ,Beijing 100083,China)

Abstract:A im ing at the bur den deg radatio n and t he pr oblem of w hich alkali has a stro ng impact on blast furnace pro cess in recent years,the influence of alkali o n coke was studied.Pr edecessors mostly used the method of making the co ke soak in the alkali car bonates solution ( immer sion )to r esear ch the influence of alkali on coke.A cco rding to the low er part of the blast fur nace in which the most of alkali is in the form of gas,a equipment of adsor bing t he alkali v apo rs was desig ned t o research the influence of alka li va po rs on coke.T he calcium chlor ide,which was used to pr event r eduction disint eg rat ion index o f sinter,wo uld react with alkali to produce other different chlor ides in the blast furnace,and the impact of the different chlor ides on hig h temper atur e st rength of co ke w ere tested.Key words:blast furnace;alkali;co ke;chlor ide;deg radatio n

一直以来,碱金属在高炉内的循环富集给冶炼带来不利影响。前人研究碱金属对焦炭的影响时通过将焦炭浸泡在碱金属碳酸盐溶液再进行焦炭热性能测试,研究结果表明,碱金属碳酸盐能催化焦炭的熔损反应,使焦炭反应后强度降低粉化率提高,造成料柱透气性变差,严重影响高炉冶炼的正常进行

[1-4]

。通过对实际高炉不同区域碱金属存在形式

的热力学计算分析并结合国内外高炉调研结果,可知碱金属在高炉不同区域的主要存在形式不同:炉缸渣中以硅酸盐为主,炉腹、炉腰及炉身下部以单质蒸气为主,炉身中上部以碳酸盐为主[5]。依据碱金属在软熔带富集量达到最大且在此高温区域主要以

单质蒸气形式存在,本文设计了一个焦炭高温下吸附碱金属蒸气的试验装置,模拟研究了软熔带区域碱金属蒸气对焦炭的破坏作用。

为了改善烧结矿低温还原粉化率,大多采用在烧结矿上喷洒一定量的CaCl 2溶液,但是在矿焦入炉后,尤其是在碱金属负荷较高的高炉,氯化物和碱

金属同时存在时对焦炭的交互影响仍有待研究,如某高炉在年修停炉期间发现风口处有大量KCl 和NaCl 流出,且通过风口焦取样发现,越往炉缸中心,焦炭的粒度越小,且焦炭中的碱金属含量越高[6]。基于此现象,本文先通过热力学计算分析得出,进入高炉的CaCl 2将与碱金属反应生成不同的碱金属氯

化物,并试验研究了不同种氯化物在高温区域对焦炭劣化的影响。

1 高温条件下碱金属蒸气对焦炭劣化的影响

软熔带是高炉内透气性最差的区域,高炉内的煤气在上升过程到达软熔带时,主要从阻损较小的 焦窗 中穿过,因此,软熔带区域的焦炭性能对高炉料柱透气性有着重要的影响,在此区域焦炭熔损反应的发生会使焦炭反应后强度急剧降低而发生粉化,导致料柱透气性变差,严重影响高炉顺行,而且国内外高炉调研均发现软熔带内碱金属的富集最为严重,因此,研究碱金属蒸气对软熔带焦炭的熔损反应的影响很有必要。

为了比较碱金属蒸气对焦炭熔损反应的影响,首先参照国家标准 焦炭反应性及反应后强度试验方法 ,对某实际高炉的原始焦炭的反应性进行了多组试验测试,测定了其CRI和CSR。接着进行了在1100 下等量(碱蒸气质量是焦炭质量的5%,即10g)钾蒸气和钠蒸气存在时200g22~25mm焦炭的反应性及反应后强度试验,试验步骤为:将一定量单质固态碱金属浸泡在盛有煤油的坩埚后,将坩埚放入还原反应管底部,在坩埚上放置刚玉棒,在刚玉棒上放置垫圈,在垫圈上再放置焦炭试样,插入热电偶后,将反应管封住并且用锡箔纸将其各个缝隙密封,只让其进气口和出气口畅通,并与气体发生装置连接。在升温加热前,向反应管中通入高脱氧的N2 (O2的体积分数小于3 10-6)以排出管内的空气,并且用气体分析仪检测排出气体中的氧含量,当氧含量基本为零时开始升温,且整个试验过程要实时测量排出气体的氧含量。在升温过程中,继续向反应管中通入N2,升温至1100 ,由于钾、钠的沸点分别是760和890 ,此时钾、钠均以蒸气的形式存在并吸附于焦炭上,至1100 后恒温2h,并改通流量为5L/min的CO2气体,反应结束后该体系在N2的保护下逐渐冷却至室温,然后将焦炭取出称重并转鼓筛分,记录其CRI和CSR。

按照上述试验方法,进行了多组平行试验,得到焦炭的原始热态强度和存在碱金属蒸气时的热态强度测试结果,如表1所示。由表1可知,钾、钠蒸气都起到了催化焦炭熔损反应的作用,但钾蒸气的催化效果更为明显,吸附钾的焦炭CRI的平均值由原始的20 6%升高至72 67%、CSR的平均值由原始的71 6%降低至22 5%,钾蒸气对焦炭的破坏要强于前人研究的碱金属碳酸盐对焦炭的破坏[7-8];而吸附钠的焦炭CRI的平均值升高至30 24%,CSR降低至62%。即在高炉炉腰及炉身下部熔损反应进行的区域,在体系中钾、钠单质蒸气量相同的情况下,吸附钾蒸气的焦炭严重粉化而吸附钠的粉化不显著,这是在过去的研究中人们并未关注的。通过对试验后的焦炭采用SEM-EDS和XRD分析得知[5],吸附钾蒸气的焦炭粉化是由于焦炭中灰分吸附钾形成钾霞石造成体积膨胀使焦炭微裂纹发展,从而使焦炭吸附钾蒸气的量增加并最终导致焦炭粉化,而钠只少量吸附在焦炭表面。因此,在高炉冶炼时选择低灰分的焦炭对减少碱金属的危害是有利的,在研究碱金属蒸气对焦炭熔损反应影响时要把钾、钠区分开来,而且要严格控制高炉入炉的钾负荷。本研究结果指出极少量碱金属单质气体对焦炭有严重的破坏作用,在试验过程中若有微量的碱金属被氧化,那么这说明碱金属对焦炭的破坏更为严重,这恰恰进一步证明了本结论的正确性。

表1 体系中等量钾、钠蒸气存在时对焦炭热态强度的影响Table1 Inf luence of the equal content of the K and Na

vapors on the coke s hot strength

焦 样

CRI/%CSR/%

实测值平均值实测值平均值原始焦样1号21 369 8

原始焦样2号20 520 672 971 6原始焦样3号20 072 1

钾存在时的焦样1号71 821 7

钾存在时的焦样2号73 572 6722 322 5钾存在时的焦样3号72 723 5

钠存在时的焦样1号29 561 6

钠存在时的焦样2号31 130 2462 162

钠存在时的焦样3号30 162 3

2 CaCl2对高炉内碱金属富集和焦炭热态性能的影响

2 1 高炉内C aCl2与碱金属反应生成不同碱金属氯化物的热力学计算和分析

依据高炉入炉的碱金属硅酸盐和氯化物的量,结合高炉生产操作参数,对进入高炉内CaCl2与高炉内碱金属可能发生的反应进行了热力学计算和分析。当CaCl2存在时,进入高炉的碱金属硅酸盐中的碱金属在软熔带下部区域可以被CaCl2置换出来,生成KCl和NaCl,如反应(1)、(2)所示。表2为反应(1)和(2)的标准生成吉布斯自由能。

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第5期 余 松等:高炉内碱金属和碱金属氯化物对焦炭的影响