溫度對焦炭反應性及反應后強度結果的影響

陳 鵬， 楊海霞

（陜鋼集團漢鋼公司， 陜西 勉縣 724200）

焦炭在高爐生產過程中有著重要的作用，對于高爐各項經濟指標也起到決定性的作用。所以目前高爐對焦炭的指標要求也相當高。焦炭的熱反應性，直接影響焦炭的發熱值。發熱值不夠的焦炭會提高煉鐵的燃料比與焦比，影響冶煉的熱制度，從而提高成本。強度不夠的焦炭易碎，在爐內產生粉末，影響高爐內的透氣性，從而影響高爐的順行。對于爐體，焦炭對它是沒有影響的。對于鐵的質量焦炭是有影響的，好的焦炭把鐵從氧化物中還原的更充分，可以提供充足的熱量。影響焦炭反應性及反應后強度的因素諸多，從溫度、加熱時間、加熱元件及樣品分析所在位置進行探討。

1 設備及試劑

1）試驗設備。電子天平：MP2100 型；標準篩：23mm，25 mm，10 mm；I 型轉鼓機：轉速（20±1）r／min；反應器：高溫合金鋼制成；s 分度熱電偶：規格700 mm；高鋁球：高鋁球直徑為10 mm。反應設備：MJF-Ш 焦炭反應性測定儀，煤炭科學研究總院檢測儀器與設備研究所。

2）試劑。瓶裝氮氣：氮氣含量為99.999 9%；瓶裝二氧化碳氣體：二氧化碳含量大于99.99%。

2 實驗方法

1）方法依據。國標GB/T 4000—2017《焦炭反應性及反應后強度試驗方法》實驗[1]。

2）方法簡介。稱取制備好焦炭樣（23～25 mm 之間）200 g 置于反應器中，在1 100 ℃用CO2氣體反應2 h，以焦炭質量損失的百分數表示焦炭反應性（ICR/%）；反應后的焦炭再以20 r／min 的轉速在I 型轉鼓機轉30 min 后，大于10 mm 粒級焦炭占反應后焦炭的質量百分數表示反應后強度（RCS/%）．

3）焦炭反應性是指焦炭與二氧化碳、氧和水蒸汽等進行化學反應的能力。焦炭反應后強度是指反應后的焦炭在機械力和熱應力作用下抵抗碎裂和磨損的能力。焦炭在高爐煉鐵、鑄造化鐵和固定床氣化過程中，都要與二氧化碳、氧和水蒸氣發生化學反應。由于焦與氧和水蒸氣的反應有與二氧化碳間的反應相類似的規律，因此用焦炭與二氧化碳的反應特性評定焦炭反應性（CRI）[2]。

3 實驗影響因素及結果分析

3.1 熱電偶老化

焦炭熱反應測定是1 100 ℃下焦炭和二氧化碳的反應，分析要求溫度的變化不能超過±3 ℃。為此要求熱電偶測溫準確、靈敏。但是熱電偶在使用過程中隨著溫度的變化和使用次數的增多，熱電偶材料發生老化。熱電偶其內部晶粒逐漸長大，同時合金中含有的少量雜質的位置或形狀發生變化，與周圍環境中污染物發生反應，致使熱端材料熔點降低并變脆弱的現象。老化變質將改變熱電偶的熱電動勢也將極其敏感的發生變化，甚至發展到脆化斷裂的程度，使測溫工作無法進行[3]。使測得溫度與實際溫度不相符，造成結果不穩定，實驗結果如表1。

表1 熱電偶劣化

3.2 恒溫區不穩定

反應器90%在爐膛加熱區域內。每一個加熱元件的電阻材料的均勻程度不同，每一個點的溫度會有不同。爐膛內每一個點溫度會受加熱元件的影響，出現溫度不均勻。樣品在反應器內疊放起來，每一粒焦炭所處高度不同，在加熱時受熱也不同。溫差過大是焦炭在反應過程中受熱不均勻，焦炭反應不充分或者反應過激烈，結果偏離較大。通過一個熱電偶固定位置控溫，另一個熱電偶測量爐膛不同位置溫度，得出恒溫區域大小，對焦炭分析的影響，分析結果如表2、表3、表4[4]。

表2 焦反應儀JYYL-001A 設備爐膛不同點溫度

表3 焦反應儀JYYL-002A 設備爐膛不同點溫度

表4 樣品不同位置分析結果

因此要控制好每一個樣品所在位置，都在恒溫區范圍內防止樣品所在位置溫度過高或者溫度過低，試樣反應劇烈或者反應不夠充分。分析結果偏差較大，不能真實反應樣品質量。要求爐膛內有一定的恒溫區，保證每一粒焦炭所受溫度相同或所受溫度在規定范圍內。

3.3 加熱元件老化

導體材料的電阻率決定與材料自身的性質，各種材料的電阻率都隨溫度而變化，在通常溫度范圍內，金屬材料的電阻率隨溫度作線性變化。MJF-Ш焦炭反應性測定儀以電爐絲為加熱源，電爐絲在使用過程中隨著使用次數的增加，加熱材料的密度變化，爐絲變長是整個電阻變大加熱功率變小。隨著爐絲的物理性質變化，加熱時間也隨著發生變化，升溫過程中，溫度波動較大。分析過程中，恒溫過程持續時間短。焦炭處于高溫或者低溫狀態，使結果不穩定，實驗如表5[5]。

表5 加熱元件老化對結果的影響

根據實驗結果可知，在爐絲的使用過程中要經常觀察儀器升溫時間，和恒溫時的溫度極差調整加熱功率，保證升溫速率達到分析要求。

3.4 爐膛溫度差

MJF-Ш 焦炭反應性測定儀是采用上開口，下封閉的形式。下端采用保溫材料隔熱防止熱量的傳導較少熱量損失，溫度相對恒定。上端開口方便反應器的放入，采用少量保溫隔熱棉隔熱。上端熱氣與流動的冷空氣接觸，熱量交換，上端溫度降低，溫度與測試溫度相差較大。防止樣品處于高溫區域或者處于低于分析溫度區域，在反應器內填充與焦炭不發生反應的高鋁球抬試樣所處溫度符合分析要求。

樣品在反應器內有8～10 cm 的高度，同時要保證上端的樣品分析溫度達到要求，就要求爐膛的保溫效果，減少冷熱空氣的大量接觸對流，實驗結果如表6、下頁表7。

表6 爐膛不同位置的溫度變化

根據表6，表7 測試結果可以看出，隨著測量位置向上移動，溫度也隨之降低。樣品上端所處的溫度，決定這分析結果的穩定性。在分析過程要嚴格控制好樣品在反應器內的高度，不使樣品的高度超出恒溫區。

表7 樣品不同位置的分析結果

4 結語

通過實驗可知焦炭的反應性及反應后強度結果的穩定性受溫度影響，控制好每一個環節減少溫度的變化，是樣品處在合理位置就會減少結果偏差。對設備經常檢測保養，保證滿足分析要求。