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高炉炼铁对冶金焦炭的反应性


 

 过去,高炉炼铁对冶金焦炭传统的认识是要求焦炭反应性越来越低,反应后强度越来越高。但是随着高炉的大型化和喷吹煤粉比例的提高,综合国内外学者的研究结果,焦炭在高炉内的四大作用(热源、还原剂、铁水渗碳剂和骨架),除骨架作用外,其他三大作用都需要较好的反应活性,也就是说反应性高是有益的。而所谓骨架作用,其实质是要求反应后不产生过量的粉影响透气和透液性。因此,今天我们有必要重新认识焦炭与CO2的反应性。

  传统试验方法受规范条件限制

  焦炭的反应性及反应后强度试验,主要表达焦炭在高炉内进入风口回旋区前抗CO2气化能力以及反应后的抗粉化能力。目前主要国家的试验标准,都是参考新日铁1982年在《燃料协会志》上发表的“高炉用焦炭的CO2反应后强度试验方法”所制定的。此试验方法是1969年新日铁広畑制铁所开发的。即将焦炭调制成直径19mm~21mm的块,缩取200g,在1100℃下,与5NL/min的100%CO2反应两小时,反应失重率为反应性CRI,反应后的焦炭在Ⅰ型转鼓(?准130mm×L700mm),转600转(20rpm×30min),进行筛分,计算10mm筛上占入鼓量的百分比即为反应后强度CSR。

  几个因素决定这一方法是一种规范性试验:第一,试验温度固定为1100℃,高炉内焦炭进入风口回旋区前实际反应温度为800℃~1400℃,不同的焦炭起始反应温度不同,不同的温度下反应的模式和速度不同;第二,100%CO2与高炉内焦炭进入风口回旋区前实际反应气氛不符合,不同的焦炭在不同浓度CO和CO2的气氛中反应模式也不相同;第三,反应时间两小时与高炉内焦炭进入风口回旋区前实际反应时间不符合。另外,新日铁进行此试验时,高炉还没有喷吹煤粉,也就没有考虑喷吹煤粉后焦炭在高炉内的行为变化。

  总之,新日铁当初制定此试验方法时,核心条件是试验焦炭与CO2反应失重率同当时高炉内焦炭进入风口回旋区前相近。有些焦炭在此试验条件下反应过度或不足,与高炉内焦炭进入风口回旋区前的实际失重率差异较大,反应后强度被过分弱化或被强化,都是不可信的。

  而不同时期对焦炭反应性的认识完全相反。20世纪主要用反应性表达焦炭在高炉抗CO2的气化溶损能力,反应性高、反应后强度低对高炉生产不利。进入21世纪,新日铁提出反应性只是表达了焦炭的活性,认为提高反应性可以提高高炉反应效率,对高炉生产有利。这说明高炉内反应极其复杂且是个“黑匣子”,不同时期认识水平不同,认知也会完全相反。

  了解喷吹煤粉高炉内焦炭的行为

  焦炭从常温入炉,在下降过程中与煤气进行热交换,在升至850℃前与CO2的气化溶损反应极少。当焦炭在炉内继续下降而温度升至850℃~1100℃,开始与CO2产生气化溶损反应时,温度低,CO2浓度也低,且随温度升高,CO2降低,温度和CO2浓度综合作用产生的溶损量较低。焦炭进入软熔带,温度升至1100℃~1400℃,炉腹上升的煤气中几乎无CO2。软熔带主要是直接还原碳耗,其实质也是气化溶损反应,只是还原过程中形成的CO2在高温下完全与碳反应又生成CO。也就是说,在此区域碳与CO2的反应速度取决于铁矿的还原性能,反应失重率取决于直接还原度。

  在喷吹煤粉的高炉内,风口喷吹的煤粉并不能完全燃烧,随喷吹煤粉的性质、鼓风温度和富氧率变化,未燃煤粉率有20%~30%的变化。上升的煤气将未燃煤粉带上软熔带,未燃煤粉粒度小、比表面大,与CO2的反应活性是焦炭的2倍~10倍,先于焦炭与CO2发生气化反应,替代了部分焦炭供直接还原耗碳,保护了焦炭。焦炭下降至风口回旋区,不完全燃烧生成CO。日本的研究结果表明,高强度(基质)、高反应性有益于抗粉化,改善死料柱的透气和透液性。

  有相关文献根据计算分析提出,鼓风条件、喷煤量、煤粉性能等对煤粉燃烧率都有十分显著的影响,未燃煤粉完全消耗控制了高炉喷煤极限。综合相关文献的参数,研究者计算了宝钢集团内5座2500m3以上高炉(高炉未燃煤粉率约30%)某个月的碳平衡。结果表明,不论高炉大小、利用系数高低、喷吹煤粉多少,当直接还原度低于0.4时,焦炭进入风口回旋区前的失重率基本都在20%以内。

  分析焦炭与CO2反应的影响因素

  反应温度。为了研究温度对反应速度及反应后强度的影响,研究者选择了4种性质不同的焦炭,采用100%浓度CO2,分别进行了900℃两小时、1000℃20%失重率、1100℃20%失重率和传统两小时的反应性及反应后强度试验。结果表明:1100℃的反应速度是1000℃反应速度的1.5倍~3倍,1000℃的反应速度是900℃反应速度的3倍左右,表明温度对焦炭与CO2反应的影响十分显著,900℃时反应速度差异不大。不同温度下,焦炭反应后强度与反应失重率仍然呈现很好的负线性相关,与相同温度下反应后强度与反应失重率关系一致,表明温度对反应后强度影响不明显。

  不同焦炭的反应后强度与反应失重率相关线斜率不同,反应性低的焦炭斜率较反应性高的焦炭斜率低,也说明不同温度下炭质不同反应模式也不同,反应失重率对反应后强度影响不同。

  CO2浓度。为了研究CO2浓度对焦炭反应性及反应后强度的影响,研究者选择了3种不同的焦炭,分别进行30%CO2(70%CO)、50%CO2(50%CO)、100%CO2
的反应性及反应后强度试验。结果表明,CO2浓度对焦炭反应性的影响十分显著,CO2浓度越高,反应速度越快且提高比例越大;焦炭不同,反应性也不同,焦炭反应性越高,提高的幅度越大。

  因此,试验室100%CO2的试验夸大了高反应性焦炭的反应性。不同CO2浓度反应后强度与反应失重率呈很好的负线性关系,反应性低的焦炭斜率比反应性高的斜率低,说明两者炭质不同反应模式不同,高反应性焦炭反应后强度低,主要是反应失重率高所致,其次与炭质也有关。

  试验室与高炉内比较。研究者对比分析了焦炭在试验室的最终反应失重率及主要因素、在高炉内进入风口回旋区前的失重率及影响因素。结果发现,在试验室内的1100℃恒温与100%CO2反应两小时,焦炭反应性受灰成分催化影响被夸大,炭质结构和气孔的影响被弱化,总失重率不受限制。在高炉内的升温反应,CO2浓度低,供给速度受矿石还原性影响,未燃煤粉替代部分直接还原耗碳保护了焦炭,总失重率受直接还原度和未燃煤粉率控制。

  总之,目前的焦炭反应性及反应后强度试验方法是新日铁在高炉喷吹煤粉前所制定,是一规范性试验,超过规范所设定范围的试验结果是不可信的。目前方法所测定的焦炭反应性,只是表达焦炭与CO2的反应活性,受灰成分催化影响十分显著,高炉内焦炭反应速度取决于矿石还原生成CO2的速度,焦炭灰成分的催化性能无作用。喷吹煤粉高炉的焦炭的行为不同于未喷吹煤粉的高炉,焦炭进入风口回旋区前的失重率取决于直接还原度和未燃煤粉率,与现行试验方法所测定的焦炭反应性无关,固定失重率试验的反应后强度才能真实表达反应后强度。不同高炉,根据高炉碳平衡计算出高炉内焦炭进入风口回旋区前的失重率,确定固定失重率的反应后强度来评价焦炭热性能更合理。


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