分析焦炭反應性對高爐爐料熔滴性能的影響

王剛

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063200）

在高爐應用富氧大噴煤的強化冶煉措施之后，高爐冶煉出現了一些變化，而其最大的特征就是對焦炭料柱骨架作用要求較為嚴格。焦炭的反應性以及反應強度是對焦炭熱態性能評價的關鍵指標，而焦炭的反應性就是焦炭自身的化學穩定性。焦炭反應之后的強度就是焦炭在爐內的高溫強度數值。對其探究分析，了解性能指標具有一定的實踐價值與意義。

1 焦炭熱強度與熔滴性能指標分析

1.1 焦炭熱強度

焦炭熱強度就是反應焦炭熱態性能的機械強度指標（CSR%）。其主要表現焦炭在應用環境的溫度等狀態之下，同時受到熱應力以及機械力的作用力之下抵抗破碎以及磨損的能力，焦炭的熱強度有著不同的測定方式。第一種測定方式就是熱轉鼓強度測定分析。測量焦炭的熱轉鼓強度，就是將焦炭放在含有惰性氣氛的高溫轉鼓之中，以特定的轉速旋轉一定轉數之后，測定其大于或者小于特定篩級的焦炭中的百分率，就是焦炭的熱強度。而第二種方式就是通過稱取一定比例的焦炭試樣，放置在高溫的反應器中，將其放置在焦炭反應性測定儀中，按壓啟動鍵設備進行一定程度升溫，在溫度為1100±5℃時，將其與二氧化碳反應2小時后，對焦炭質量損失的百分數進行測量，即可獲得焦炭反應性(CRI%)。焦炭反應性就是焦炭與二氧化碳、水蒸氣以及氧的化學反應能力。焦炭反應后強度就是反應后的焦炭在機械力以及熱應力作用之下抵抗碎裂以及磨損的能力。焦炭在高爐煉鐵以及鑄造化鐵、固定床氣化的過程中，要與二氧化碳、氧氣以及水蒸氣產生化學反應。因為焦與氧、水蒸氣的反應與二氧化碳之間有著類似的規律特征，因此許多國家都是通過焦炭以及二氧化碳的反應特性評定焦炭的反應性(CSR%）。

1.2 熔滴性能指標分析

通過實驗自身對原料的荷重、升溫、還原、軟化、滴落工程中的料層位移、壓差以及溫度變化產生影響，綜合記錄數據分析，不同的人員對熔滴性能的衡量參數進行了分析。

（1）軟化開始溫度。不同的研究者對軟化開始溫度的理解不同。我國的相關研究者主要就是根據荷重軟化實驗慣例為基礎，將體積收縮10%對應的溫度定義為軟化開始溫度。在國外的文獻中，實驗中主要就是通過30%的體積收縮對應溫度作為主要的指標。此數值意味著礦料初步變形問題較高更為適宜。為了便于進行指標信息對比，要基于我國習慣為標準，將體積收縮10%的對應溫度作為軟化開始溫度。

（2）軟化終了溫度。在實驗中，優質的燒結礦具有良好的抗變形能力，在體積沒有收縮50%的時候就會出現滴落。應用40%的體積收縮對應溫度作為其軟化終了溫度。

（3）熔化開始溫度。此概念并沒有明確的定義。在荷重升溫還原過程中，材料的荷重狀態屬于融化是值得探究的問題。一些學者將50%的體積收縮對應溫度作為融化的開始溫度，也有學者將總壓阻峰值的50%對應的溫度作為指標。而基于理論分析論述，礦石熔化會出現壓阻急劇上升。因此壓差的陡升溫度作為開始溫度較為科學。為了避免軟化終了與不出現熔化開始溫度概念，可以將壓差陡升溫度作為參考信息。

2 實驗方法與方案

（1）實驗原料。二氧化硅、氧化鈣、氧化鎂、二氧化鈦、氧化鋁、氧化鈉、氧化鉀、氧化鐵以及硅。

（2）實驗原理。在實驗中應用的原料與碳的基本反應原理大致相同。例如，在氧化鐵與碳的反應中，氧化鐵中的鐵離子為正三價鐵離子，而焦炭中的碳元素為零價，三價鐵離子以及零價碳離子缺乏穩定性，在高爐中隨著反應原料的加熱，零價碳離子以及三價鐵離子在高溫的環境之下就會產生氧化還原反應，碳離子作為還原劑，化合價隨著其升高就會變為穩定的正四價，鐵離子作為氧化劑會在還原反應之下變為二價鐵離子，而主要的還原產物就是二氧化鐵。

（3）實驗步驟。高爐中的實驗是在高溫高壓的狀況之下開展，無法詳細的觀察實驗過程，高爐熔滴性主要就是高爐中反應之后，殘留的物質作為主要的殘留物質。高爐中在較為獨立的空間，而在不同空間加入等量的氧化鐵以及焦炭，要保障高爐中供氧的充足性，在實踐中可以通過氮氣避免溫度過高。應用的氮氣與高爐中的化學原料不會產生反應，具有保護高爐的作用。在反應中對高爐進行持續的加熱，溫度在1000逐漸增加到1600，高爐中物體就會充分的反應，此種方式適用于不同的實驗原料，通過電子顯微鏡對實驗的殘渣進行觀察。

3 實驗結果分析

3.1 焦炭反應性對爐料熔滴性能的影響

（1）焦炭反應性對爐料的影響。焦炭反應性對爐料函數的影響具體如圖1。

圖1 焦然反應性熔滴實驗軟化溫度

隨著焦炭反應性的不斷增加，t10就會逐漸的降低，表明爐料軟化開展的過程中溫度就會逐漸的降低。圖表中4號應用的焦炭反應性較高，爐料軟化開始溫度最低數值為112℃，相對于爐料軟化開始的溫度對比分析，二者相差108℃。主要就是因為焦炭反應性提升，增強了煤氣中鈷濃度逐漸提升，提升了煤氣自身的還原能力。而在其溫度高于1000℃的時候，大量的氧化鐵就會降低熔點，進而導致爐料軟化，溫度逐漸降低。t40的最低溫度為1407℃，最高溫度為1438℃，其最低溫度與最高溫度之間降低了31℃。隨著范圍的逐漸增大，爐料軟化結束溫度并沒有出現顯著的變化，在軟化開始隨著溫度的降低而軟化結束，在溫度沒有顯著變化的狀態之下，軟化區間中的Δt1會逐漸的增大，料層的透氣性就會變差，主要就是因為隨著焦炭反應的增強，在反應之后其強度逐漸降低，焦炭的粒度就會降級，粉末就會增加，這樣就會影響料層的透氣性，導致軟化區間的逐漸增大。

（2）焦炭反應性對爐料的影響。焦炭反應性對爐料產生的影響具體如圖2。

圖2 焦然反應性熔滴實驗軟化溫度

通過圖2可以發現，隨著焦炭反應性的不斷增強，ts逐漸降低，降低為1268℃，降低了38℃。而td則沒有太大的變化，在1437℃ ～1446℃區間之間波動，相差9℃。隨著Δtds的增大，溫度上升到169℃，增加了37℃。表明焦炭反應性增強之后爐料壓差突然提升，溫度也隨之降低，滴落的溫度并沒有明顯的變化，熔化區間也在增大，主要就是因為鉀、鈉等堿金屬在軟溶帶區域中富集較為嚴重，在此高溫區域中主要就是通過單質蒸汽的方式存在。其對于焦炭具有催化的作用，增強了焦炭的反應性，導致爐料壓差快速提升，溫度逐漸降低。隨著反應的持續開展，焦炭中的碳素損失問題嚴重，在反應之后其強度也會逐漸的降低，這樣就會在一定程度上減弱焦炭料柱骨架，導致料層透氣性不佳。Δtds則就會增大，融化的溫度區間也逐漸的增大。

（3）焦炭反應性影響爐料最大壓差。隨著焦炭反應性的不斷提升，爐料中的最大壓差也在不斷的增大，表明爐料中的最大壓差增加。隨著焦炭反應性的增強，焦炭碳素的溶損反應就會加劇，導致料層中氣體流量不斷的增加，導致壓差阻力損失的增加。隨著爐料在荷重條件的影響之下，焦炭的碳素溶損反應以及鐵礦石的還原會導致爐料出現破碎，導致料層孔隙度的降低，直接影響了料層的透氣性，導致壓差的增大。

（4）焦炭反應性對爐料總特性值的影響。在焦炭反應性的增加過程中，爐料總特征數值就會不斷的增大，也就意味著爐料熔滴性總特性數值在不斷的增大。在實驗中，可以發現隨著焦炭反應性的增加，爐料總體特征增加大了140kPa·℃，通過結果分析，焦炭CRI的數值增高，爐料熔滴綜合指標數值較高。主要就是因為焦炭反應性的增強，爐料中壓差迅速提升，溫度降低，軟熔區間會不斷的變寬，料層的透氣性就會較差，導致壓差增大，熔滴的綜合性指標數值就會增大，如果將爐料總體特征數值作為衡量標準，就要適當的降低高爐中焦炭的反應性。

3.2 焦炭碳素溶損反應

通過場發射掃描電子顯微鏡對其進行監測分析，了解到隨著焦炭反應性的增強，焦炭中氣孔數量逐漸增加，氣孔孔壁也逐漸變薄，質地也更為疏松，焦炭反應性在增強之后，熔滴過程會存在較為激烈的反應，碳素的損失較為嚴重，主要就是因為焦炭以及爐料中的鐵氧化物反應過于激烈導致的。

4 結語

通過對焦炭反應性對高爐爐料熔滴性能的影響分析，了解具體的影響因素以及狀況，對各項要點進行分析，明確不同的反應狀況，綜合實際狀況有效完善優化，可以保障生產的安全性以及穩定性。