探讨现行焦炭质量指标模拟性的意义

2008年全国炼铁技术交流会论文集1探讨现行焦炭质量指标模拟性的意义程显玉（本溪钢铁集团公司）摘要：从焦炭在高炉中劣化过程探讨焦炭质量指标M40、、M10、CRI（反映性）、CSR（反应后强度）的模拟性。认为M40、和M10对高炉块状带有一定模拟性，但块状带对焦炭劣化不太明显；CRI在无碱条件下测定，而高炉中均积累了一定数量的循环碱，因此，CRI指标对实际焦炭质量会产生误导，由此衍生出传统配煤技术概念需要更新的问题。关键词：焦炭质量指标显微结构碱反应性1前言焦炭是高炉炼铁的主要原燃料之一，其质量的优劣对高炉顺行起着举足轻重的作用。高炉大型化和富氧喷煤工艺是世界范围内高炉技术发展的趋势，高炉风口实现富氧喷吹新技术能够显著降低焦比，提高高炉的利用系数。高炉大型化和高炉喷吹对焦炭的质量要求逐年提高，如果仍然按现行焦炭质量指标进行提高，但能否真正提高焦炭在高炉中应用时的质量，依然缺乏高炉炼铁条件下的模拟性。焦炭质量指标中的灰分、硫分、磷的含量无可争议；焦炭块度要求均匀早获共识。但与焦炭强度有关的一些指标却存在着一些争议。近20年来，由于各国对高炉先后进行了解剖，以及风口取焦样装置的研制成功，有条件对风口焦和相应的入炉焦的各项性质做确切的对比实验，以及在实验室条件下从不同角度进行高炉局部条件的模拟实验，使焦炭在高炉中的劣化过程细节得到进一步深化。因此，有条件对现行冶金焦炭质量指标进行攻关，探讨其在高炉中劣化过程的模拟性，是非常必要的。２焦炭质量指标对焦炭在高炉中劣化的模拟性２.1M40和M10用各种规格不同的转鼓，以不同的操作方法来测试焦炭的冷态强度已有很长的历史。真正较清楚焦炭在高炉中的劣化过程是在高炉解剖之后，现在通用的是米库姆转鼓试验，得出的指标是M40和M10。2.1.1M40M40为冷态抗裂强度。它对焦块从高炉落下到料柱上面和落下后再承受下批原材料落下时的冲击，以及焦块在块状带阶段承受的压力具有一定的模拟性。如果焦块没有裂纹和结构上的缺陷，经转鼓试验，焦块不会开裂。这样的焦块，经块状带也不会开裂。否则，就会开裂成小块焦。因此炉外整粒和进高炉前转碾运输对于稳定焦块块度，即提高M40指标是有利的。此外，块状带下部，虽然温度已上升，但仍在炼焦终点温度下，热的作用对焦块结构不应有影响，因此，标志冷态抗裂强度的M40在块状带有一定的模拟性。各国高炉解剖结果都说明，经块状带，焦块平均直径变化很小，而且变化的原因主要来自磨损，2008年全国炼铁技术交流会论文集2而不是开裂。如果经块状带有一小部分焦块开裂，焦块平均直径减少决不止5%。这说明M40指标能满足焦块经历块状带的要求。但经块状带以后，焦块要经历碳溶反应和越来越高温度的热作用，按M40的检测过程，就不会再有模拟之处。2.1.2M10M10为焦炭的耐磨强度。测试中磨损源于焦块之间、焦块和鼓壁之间的磨损。它对焦块处于高炉块状带阶段，焦块与焦块、焦块与矿石、焦块与炉壁之间，在自上而下移动中的磨损有良好的模拟性，焦块行自块状带底部，温度超过850℃，并接触到碱循环区的边缘，开始发生微弱的碳溶反应，但由于温度不高，碱的催化作用又不强烈，此时碳溶反应有明显的选择性，且CO2能扩散到焦块内部，开始破坏焦块表面结构。从此，标志冷态耐磨强度M10就逐渐失去其模拟性。2.2CRI和CSR2.2.1CRI和CSR的测试条件反应性的定量概念是：单位质量的试样在单位时间内经CO2反应的碳损失量，它也是一个反映速度的量度，其量纲为（时间）-1。是一个相对比较值，称为反应性指数CRI，反应后焦块在特制转鼓中经一定转数后，测定大于10ｍｍ焦块的比率，即为反应后强度CSR。CRI和CSR的测试设计思想比M40、、M10前进了一大步，试图模拟焦炭在高炉中碳溶反应条件。2.2.2高炉中循环碱的存在，使各种焦炭显微结构的CRI反应序列逆转以前人们对焦炭在高炉中碳溶反应条件的了解，CRI的模拟性还存在诸多不足之处，如高炉中碳溶反应的温度大致在900～1300℃；高炉内不同温度区域的CO2浓度差别比较大；焦炭在高炉中各温度区升温速度也不相同。这些只说明CRI是相对值，但不影响其作为焦碳指标的重要性。严重的是CRI是在无碱条件下测定的。但是，经过近10年的科研，发现焦炭中的不同显微结构对CO2有选择性反应，选择性反应从高到低的序列与有碱存在下的选择性反应的序列是相反的。实际上，高炉生产中，即使原料中含碱极低，经一段时间生产后，由于碱在高炉中循环富集，直到达到一定量后才逐渐随炉渣排除，炉内总是保持一定的循环碱量，其足以使CO2对焦炭显微结构的反应序列逆转。这一观点已被证实，由此看来，CRI和CSR对焦炭在高炉中的模拟性并不如想象中理想。它的主要不完善之处不在于对反应温度和浓度缺乏模拟性，而是在于它是在无碱条件下测定的，与有碱条件下的焦炭显微结构的反应性有明显不同。在有碱的条件下，所有焦炭显微结构的反应性均明显增大，但是无碱时反应性高的∑ISO（焦炭行为结构中各向同性、破片和类丝炭含量之和）在有碱时，增加幅度小，而无碱时反应性低的光学各向异性的成分的反应性在有碱时增加的幅度大。这样，实际上在有一定量碱存在下，所有焦炭显微结构的反应性差别明显地缩小。2.2.3现行的CRI和CSR有可能会对焦炭质量优劣形成误导和成为对稀缺强粘结性煤的不合理配用的依据。按上述研究结果的分析，如果进一步联系到炼焦煤种的合理利用，就会涉及一个非常有实际意义的问题。就是说，以各向同性为主要成分的、由低变质程度气煤类煤所炼制的焦炭和以各向异性为主要成分的、由中变质程度肥煤、焦煤所炼制焦炭，用国标测得的CRI和CSR值一般相差十分2008年全国炼铁技术交流会论文集3明显，而在有碱存在下测得的CRI和CSR，两者差别却大大缩小。就是说，目前十分受重视的国标CRI和CSR指标的优劣差别的顺序，对焦炭在实际高炉生产中所显示的优劣差别并非如此顺序，甚至可能是逆转的顺序。这将误导人们对焦炭质量优劣的正确认识，成为多配用稀缺中变质程度、强粘结性煤的依据。3.传统配煤技术概念更新的必要性长期以来，由于高炉内部的动态难以捉摸，炼铁对焦炭的要求难以找到科学依据，焦炭质量指标缺乏可靠的模拟性。为了保证高炉生产顺行，尽量把已定的焦炭质量指标提高到最高水平，保证我国有限的炼焦煤资源得到合理利用。传统的配煤技术对高质量的高炉焦炭质量要求M40高、M10低、CRI低、CSR高。要生产这样的焦炭，根据本钢炼铁厂焦化车间目前生产条件看必须配用60%以上稀缺的中变质程度、强粘结性肥煤和焦煤，由这些煤炼成焦炭后所衍生的焦炭显微结构在光学上是各向异性占绝对优势的，即在有碱存在下反应性是高的。相反，配用大量储量丰富（占炼焦煤储量60%以上）的低变质程度、弱粘结性的气煤类煤，其所制成的焦炭含有大量抗高温碱侵蚀性能良好的各向同性结构。气煤类弱粘结性煤的焦炭，其各向同性结构的高温抗碱侵蚀能力比焦炭中其它各向异性结构强，这项研究成果是多用弱粘结性的气煤的理论基础。这就是说，按照上述讨论的观点和研究结果，只要保持一定M40、M10值和保持有碱和无碱时相比测定结果趋于相近的CRI和CSR值（配用气煤类煤的焦炭）的焦炭，就会达到既能保证高炉顺行，又能达到多用气煤类煤的目的。多配用气煤类煤对企业可降低焦炭原料成本，降低焦炭灰分（我国气煤类煤一般灰分低而易洗），如：宝钢焦炭的M40和M10由于采用配型煤和干洗焦两项新技术，配入大量气煤类煤，所得焦炭的M40和M10并没有明显变坏。关键在于如何精确而有效选择CRI和CSR的操作条件和适用范围。然而，对于其他企业，如果接受了所提出的配煤技术新概念，则必须降低对现行焦炭质量指标中的M40和M10、CRI、CSR的要求。关键在于降低要求后对高炉生产是否有影响，降低到什么程度才有影响。各企业从考虑企业降低焦炭的原料成本和国家炼焦煤资源现状能作进一步工作。炼铁厂溪湖厂区结合煤炭市场情况，在集团公司原料处的支持下，合理选择煤种，进行焦炭质量攻关，制定科学合理的配煤比，采用专业技术测算和到技术中心做小焦炉试验等技术手段，根据入厂煤质量情况，最大限度地降低配煤挥发分和提高配煤结焦性，将气煤取消，适时采取了配加瘦煤（10%）降低配煤挥发分的五种煤炼焦〔主焦煤（两种）、1/3焦煤、肥煤、瘦煤〕，焦炭强度达到M40、≥77%，M10≤8.0%，反应性29.45%，反应后强度58.54%的较好水平。车间加强对备煤和焦炉生产操作的管理，严把入厂煤质量关，特别是主焦煤质量。通过实践证明，我厂炼焦专业工艺技术能力完全可以满足行业生产要求，如果炼焦煤质量达到要求，采用科学合理的配煤比，能够生产出满足高炉冶炼要求的优质焦炭，由此可见，焦炭质量在炼焦工艺一定的条件下，最根本的因素取决于配合媒质量。4结论依据上述观点，探讨既能保证高炉顺行所要求的焦炭质量指标，又能多配用气煤类煤，是本钢2008年全国炼铁技术交流会论文集4乃至全国今后需要研究的课题。在不影响高炉顺行的条件下，要充分关注各种配煤方案的可行性，真正提高焦炭在高炉中应用时的质量。参考文献[1]糜克勤.最大喷煤量与焦炭质量问题.宝钢技术1997，6，51～53[2]李好管，黄怡然.炼焦化学工业技术进展.煤化工，2002，2，3[3]吴兰香.焦炭热态性能及影响因素的研究.煤质技术，2000，4，42[4]杜功柳等，提高高炉焦炭质量的研究.武钢技术，2000，38（5），23～26[5]张群等.宝钢焦炭质量预测模型，燃料化学学报，2002，30（2）113～118[6]胡德生.灰分对焦炭热性能的影响.钢铁，2002，37（8），10～12[7]周师庸.大型高炉用焦炭质量指标的选择.钢铁，1995，30（8），1～4[8]崔平等.焦炭强度指标间关系研究.燃料与化工，2000，30（2），63