型焦在冲天炉中的应用

摘要：根据焦炭在冲天炉熔炼过程中的作用，提出对铸造焦的要求，在分析常规室式焦炉生产铸造焦时所采取措施的基础上,进而论证了铸造型焦生产的现实性和必要性。文中全面介绍了中试生产的二级铸造型焦的组织结构及性能，检测结果表明其性能指标均达到和超过了国家二级铸造焦的要求，并汇总介绍了在冲天炉上进行的生产现场对比熔炼试验的过程和有关数据。试验结果表明，这种铸造型焦不仅完全满足冲天炉熔炼过程的要求，而且显示炉况稳定的特点，是冲天炉理想的燃料。关键词：冲天炉、铸造型焦、熔炼在现代铸铁件生产中，仍大多数采用冲天炉熔炼（单独或与电炉双联），这是由于冲天炉具有综合能耗低、能满足大批量连续生产的要求、结构简单、操作方便等优点。随着环保技术、控制技术及铸造焦技术等的发展与进步，冲天炉熔炼有进一步扩大的趋势。长期以来我国冲天炉是以冶金焦、地方焦（亦称土焦）为燃料，严重制约了冲天炉熔炼技术、经济水平的提高，成为铸铁件生产的关键环节。二十世纪八十年代初，我国在常规焦炉上研制、生产铸造焦取得重大进展，形成了较大的生产能力，生产出各种级别的铸造焦，制定了国家标准，并在铸造生产应用中也取得了显著效益。然而用常规焦炉生产的铸造焦（简称常规铸造焦，下同）是以优质焦煤为主要原料，在资源上受到限制。同时生产铸造焦的炼焦时间比冶金焦长一倍以上，故生产成本增高。如何利用贮量丰富、质量优良的无烟煤炼制焦炭，是广大炼焦工作者的努力方向，也是铸造工作者的期盼。随着炼焦技术的发展，型焦技术日益成熟与完善，它是以弱粘性煤或无烟煤为主要原料配以少量的焦煤和粘结剂，成型后再进炭化炉炼制成焦。1．冲天炉熔炼对焦炭的要求铸造型焦作为冲天炉熔炼的专用燃料，在研制工作中首先必须认识它在冲天炉熔炼过程中的作用，明确对它的要求。研究结果表明，在冲天炉熔炼过程中，焦炭的作用不仅是热量的主要提供者（占95%以上）而且是铁水过热区中的主要传热介质，过热的热量绝大部分是由焦炭直接传递给铁水滴（占85%以上）；同时焦炭也是铁水增碳和增硫的来源；除此之外，焦炭在熔炼过程中，处于燃烧高温状态下承受上部料柱的压力，以保持整个熔炼过程的正常、稳定、连续的进行。根据冲天炉熔炼过程中焦炭的作用，同时考虑到冲天炉结构及操作特点，提出对焦炭如下要求：1.1固定炭含量较高为了获得高温铁水，要求炉内高温区的最高温度达到1800℃左右。要求焦炭中固定碳含量较高（即相应焦炭中灰份含量较低）。研究结果表明，焦炭中灰份降低1%，铁水温度提高10℃左右。国外甚至有固定碳含量达95%的铸造焦。在提高固定碳含量的同时，炉内铁水增碳率随之升高，炉料中的废钢用量也激剧增加，对于工业欠发达、废钢供应紧张的发展中国家，必须注意这一问题。我国铸造焦标准中，主要按焦炭中灰份含量的多少，分为三个级别，以适应不同生产的需要。即便是二级铸造焦的固定碳含量也在86%以上（灰份少于12%），远高于原来使用的地方焦和冶金焦固定碳含量。值得指出的是，为了提高固定碳含量，要求炼焦原煤的灰份含量降低，生产成本也相应提高。1.2块度较大，强度较高为保证冲天炉内焦炭燃烧区内的形成一定的高温区，断面温度分布均匀，以利于铁水滴充分得以过热，获得高温铁水，要求铸造焦的块度较冶金焦大。工艺上要求焦炭块度为冲天炉炉径的～。在投炉后，焦炭承受铁料块度的冲击而破碎，炉内焦炭实际块度还会降低一些，因此要求焦炭强度较高。冲天炉焦炭的破碎主要是由于金属料块冲击所致，故铸造焦采用落下强度，与此对应的是冶金焦主要承受磨擦作用而破碎，故采用转鼓强度。为提高块度和强度，在常规铸造焦生产中主要措施是采用结焦性能好的主焦煤，同时延长结焦时间，减少炼焦过程中产生的焦炭裂纹。炼焦时间的延长，焦炉产率下降，生产成本则相应升高，结焦性能好的主焦煤资源有限，价格较高，从而进一步提高生产成本。1.3含硫量较低焦炭中的硫，在燃烧时一部分以SO2的形式随烟气排出，而大部的硫（主要是矿物硫和硫化铁硫）都转移到铁水和炉渣中，大量生产统计结果是，焦炭中的硫有60～70%转移到铁水中。对于铸铁件生产而言硫是有害元素，尤其是球铁、蠕铁件生产危害更大。冲天炉内不可能脱硫（高炉冶炼时炉内脱硫），因此，铸造焦要求硫尽可能低，考虑到我国实际条件，国家标准中要求硫含量低于0.8%（特级焦小于0.6%）。为了降低焦炭中硫含量，只有选用优质原煤及其它原料（如石油焦等），这在资源配置和生产成本均带来不利影响。1.4反应性能低冲天炉熔炼过程是将金属料块熔炼成一定温度和成份的铁水，因此通常炉内气氛呈弱氧化性。高炉冶炼是将铁矿石还原成铁，故炉内气氛必须是强还原性的。为此要求铸造焦的反应性能要低于冶金焦。炼焦工艺上采取延长结焦时间等措施是降低气孔率。铸造焦反应性能的降低，一方面能提高了高温区的范围，同时也提高了焦炭表面燃烧温度，这些都是对铁水过热十分有利的。气孔率的降低，在降低焦反应性能（即焦炭与CO2的反应）的同时，也降低了焦炭的燃烧速度（即焦炭与O2的反应）。过分降低气孔率会使炉内焦炭燃烧不能形成相对集中的高温区和获得最高的温度值，这对于铁水的过热十分不利。同时氧化区过于分散，事必造成炉内氧化性增强，元素烧损率升高，这在技术上和经济上都是不合理的。2．铸造型焦的特点常规铸造焦是将经选配的煤料，装入（堆放或经捣结）室式焦炉内隔绝空气加热至1150℃左右，使其分解和热缩聚过程最后形成焦块，熄焦后而成。铸造焦生产过程为30多小时（冶金焦为15小时左右）。煤料在分解时产生大量的煤气、焦油等化产品的同时，融熔状的煤饼逐渐缩聚，形成大小不等、分布无序的裂纹。铸造型焦的生产与常规焦绝然不同。首先将各种原料分别进行粉碎，经配料并搅拌均匀后，送入成型机内加压成型为半成品——生型，再将生型送入炭化炉内加热至1100℃左右，使其充分炭化冷却后即成为型焦。2.1组织结构特点常规焦是由粘结性煤为主的煤饼在高温下熔融成缩聚形成的焦块。而型焦则是以无（或极小的）粘结性煤为主的颗粒，少量粘结性煤和沥清分布在颗粒间，在高温炭化过程中，分解缩聚将这些非粘结颗粒牢固的联结成为型焦，其显微组织结构与常规焦有明显的区别。常规焦为整体多孔结构，而型焦为颗粒联结的多孔结构。宏观结构也有显著差别，常规焦为无定形块状结构，块内存在分布无序的大小裂纹，是严重影响焦炭强度的主要因素。型焦外形尺寸均匀一致（园柱形，中心有孔），由于原料中粘结性煤的用量少，且均匀分布在无粘结性煤的颗粒之间，在高温炭化时，热缩聚分散、均匀，故型焦不存在较大的裂纹（尤其是贯穿性裂纹），这对提高型焦的强度（特别是落下强度）尤为有利。此外，每块型焦的质量均匀一致，不存在类似常规焦中的“焦头”现象。2.2性能特点在完成试验室的试验工作基础上，中试生产了近二百吨二级铸造型焦。并参照国家铸造焦标准和试验方法，进行了全面的性能测试，其结果如表一。表中数据充分说明，铸造型焦的各项指标均达到和超过国家二级铸造焦的要求，其中硫含量、落下强度和显气孔率甚至超过特级焦的要求。型焦最突出的特点是外形尺寸均匀一致。由于它不存在大的裂纹（尤其是贯穿性裂纹），故抗冲击能力强，破碎率低且落下强度达到了96.8%，型焦投入冲天炉内块度均匀一致，对降低炉内阻力，稳定炉况均十分有利。型焦的硫含量为0.46%，它是因采用优质无烟煤为主的配方所至。我国煤炭资源中优质低硫主焦煤贮量十分有限，而优质低硫无烟煤贮量十分丰富，型焦的生产对国家资源配置无疑是有利的。考虑到型焦是颗粒结构与常规焦结构上的差异，较大幅度地降低显气孔率对控制反应能力是必要的。在型焦研制过程中，考虑到它的颗粒状结构特点，能否随高温条件（1200℃以上）料柱压力而不会破碎，以保证冲天炉燃烧区的范围和断面气流、温度分布均匀均是至关重要的。为此，我们在试验室条件下取样进行高温抗压强度试验。因目前尚无冲天炉内焦炭热强度数据可参考，为此我们只好用在生产中实际使用的多种焦炭作对比试验。试验结果如下：型焦40～70公斤/厘米2；冶金焦35～80公斤/厘米2；铸造焦（一级）55～95公斤/厘米2地方焦30～68公斤/厘米2。型焦高温抗压强度与冶金焦相近，优于地方焦，而比铸造焦（一级）差；温度升高对抗压强度无明显影响。型焦转鼓试验时，主要的破坏型式是颗粒剥落，而并非成块的破碎，从型焦组织结构特点分析，造成颗粒剥落的原因有三个：其一是以粘结性煤和沥清在高温分解和热聚合形成颗粒间的“连结膜”不完整，或强度不够；其二是无烟煤颗粒物的本体强度不够，造成颗粒破碎而脱落；其三是“连接膜”与颗粒物之间的结合强度不够或结合面不够所致。这些都是我们在今后进一步提高型焦质量而探索的重点。3．冲天炉熔炼试验型焦能否满足冲天炉熔炼的要求，只有通过生产试验来作结论。为了全面考核型焦的性能，我们选定生产规模较大（每天熔化量为35吨左右）、机械生产流水作业、炉后机械化配料、检测设备基本配套的宜昌纺织机械厂铸造分厂的5冷风冲天炉上进行。由于型焦与以往所用的常规焦差别较大，为保证工厂生产正常运行，产品质量不受影响，试验分三阶段进行。3.1冷料试验型焦颗粒状结构，能否承受加料过程中铁料块的击打而不粉碎，这是初次接触这种型焦的人首先提出的疑问。为此我们进行了冷料试验，具体方法是在修砌好的冲天炉内（关好炉底门，不垫炉底砂床），用加料机首先加入100公斤焦炭（分别为型焦和块度相近现场使用的常规治金焦），再用加料机加入550公斤生铁块（现场生产中批料为550公斤），使其直接击打已投入的焦炭层，然后打开炉底门，清理投入炉内焦炭，经分筛其结果如表二。这一试验与生产实际中焦炭投炉时所承受铁料击打的情况更恶劣（此时铁块下落高度近8米），确信型焦投炉后不会粉碎。对于型焦颗粒状结构特点，它的吸水性如何？吸水后强度是否下降？在工厂条件下进行了吸水性试验，型焦吸水率为10.75%，常规焦吸水率为6.73%。结果表明型焦吸水率比现场常规焦高50%左右，这就要求型焦在贮存时必须防雨。干湿强度的对比是后来在试验室中进行的，发现其强度稍有下降，但均在试验误差的范围之内。3.2部分投炉熔炼试验型焦能否保证冲天炉熔炼正常进行，对铁水温度，铁水成份的影响如何？为保证工厂生产正常运行，产品质量不受太多影响，也为下一步试验积累经验，在现场冲天炉上采取逐步增加型焦用量进行熔炼试验。其方法是在熔炼末期，分别加入10，20，30批型焦取代常规焦（共进行三个炉次）。试验结果表明，用型焦取代原用的常规焦后，无不利影响。特别在批数增多时，铁水温度上升，风压降低，风量增大，元素烧损和炉渣炉前试验判断均为稍好。通过这三炉次试验，增强了试验的信心，决定下一步进行全部用型焦进行熔炼试验。型焦虽为颗粒组织结构，但气孔率低，紧实度明显高于常规焦，用木柴点火（现场是如此）能否将底焦点燃、烧透（某厂曾用过其它型焦时，发现点火困难问题）。为此我们按现场原有的点火操作进行试验，结果底焦火点正常，时间比用常规焦时还稍有缩短。3.3对比熔炼试验在生产现场进行熔炼对比试验，只能按生产原有的操作工艺（如底焦高度、层佳比、批料重等）不变的条件下进行。为了尽可能避免其它因素的干扰，试验固定在一座冲天炉上进行（现场原为两座冲天炉每天轮换使用），修炉操作尽可能保持不变。由于型焦供应量有限，对比熔炼试验只进行了各两炉次（即型焦和现场常规焦各两炉次）。通过对比熔炼试验结果，我们可以初步得出如下结论：3.3.1使用型焦后，炉内阻力减小，因冲天炉内阻力主要由焦炭层所产生，型焦的块度均匀一致，投料过程中破碎少，故炉内阻力下降且波小（型焦为8.5～9.5×103Pa，现场常规焦为8.8～10.5×103Pa），相应的风量也增大且波动小（风量计压差，型焦为170～180×10Pa，现场常规焦为145～170×10Pa）。这为稳定炉况创造了良好条件，为提高铁水温度，减少铁水温度和化学成份波奠定基础。3.3.2使用型焦后铁水温度显著提高，在保持层焦铁比为1：12.2的情况下，出铁温度比现场常规焦提高30～20℃，温度波动少（型焦为30℃左右，现场常规焦为50℃）。这对于大批量流水线生产是十分有利的。由于现场生产工艺所要求的铁水温度在1420～1440