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1、提高八钢焦炭热态性能的途径和措施1八钢焦炭的现状现在八钢生产的冶金焦炭，冷态强度已能够达到高炉用焦指标要求：M4080.0%、M108.5%，但热态性能很差，一般为热态强度CSR 20%，热反应性CRI 50%，宁夏大武口煤和山西平遥煤配比用到30%以上，热反应性有所改善，热态强度CSR 35%，热反应性CRI 48%，远劣于国内外大、中型高炉所用焦炭热态性能的一般水平。热态性能与其冷态强度异常悬殊。2原因分析2.1煤的成因从新疆的地质面貌和地层表观判断，为海底上升形成，盐碱量很大。成煤原生物为海底植物或海洋形成前的陆生植物，成煤过程中的物理压力不如内地陆相成煤的压力大，故煤质酥松、易碎；其次
2、，由于地壳运动剧烈，破裂板块大角度倾斜，煤层基本都赋存于立槽中，露头以下200米均被不同程度地风化；第三，地层各种元素的含量也有很大的差异，对煤质影响很大，具体的表现就是各个煤矿、各个井口煤灰份的颜色各不相同。从煤岩显微组分定量结果来看，镜质组含量普遍比内地煤高出10%左右，惰质组含量低10%左右，壳质组则很少，很多样品为零。从煤灰化学成分分析结果看，钾、钠等碱性成分含量高，导致新疆煤灰熔点偏低：部分煤种的灰熔点低于1100，大部分在11001250的范围，1400以上的几乎没有。新疆煤较为年轻，大多数煤田是在中生代的石炭纪和二叠纪，而新疆煤在侏罗纪和三叠纪，少4千万年。2.2煤的反射率分布及
3、显微组分2.2.1疆内焦煤、肥煤煤种煤镜质组反射率分布组分含量工业分析Romax0.75-0.950.95-1.351.35-1.651.65活性惰性VdafGRIYmm21301.434456193098.461.5418181.10100拜城14#1.6692237.1462.86拜城苏杭1.269551930煤Vdaf 24.0-29.6% ，G值100，1930煤最大平均反射率介于1.22-1.33%，煤镜质组含量高达92%，属中等变质程度的强粘结性单一煤层煤。2130煤Vdaf 17.8-21.87%，G值85，2130最大平均反射率介于1.40-1.65%，镜质组含量85%左右，属
4、中等变质程度中等粘结性单一煤层煤。这两种煤是八钢炼焦用的主要基础煤种。两种煤均以活性成分高、粘结性强为共同特征。拜城瘦焦煤Vdaf19.0%左右，G值58-76；最大平均反射率介于1.40-1.65%，镜质组含量45.0%左右，为高变质程度高惰性组分单一煤层煤。我国煤岩学家周师庸教授多年来对新疆艾维尔沟和阜康煤颇有研究，在他的著作中指出：“新疆艾维尔沟和阜康煤（五宫东沟），按目前煤质指标分类的牌号与它在配煤炼焦中的作用不吻合，前者属中变质程度强粘结性煤，但在配煤中只能配10%以下，否则，所得焦炭质量不能用于大型高炉；后者属低变质程度弱粘结性煤，在配煤中配用30%以上，所得焦炭质量仍可用于大型高
5、炉；其原因待研究。”2.2.2疆内气煤、1/3焦煤、气肥煤煤种煤镜质组反射率分布组分含量工业分析Romax0.95活性惰性VdafGRIYmm双安0.58212库车0.67100公安0.747228以五宫、神龙为主的多种小窑煤。Vdaf 38-45%，G值 85-100，最大平均反射率介于0.50-0.80%，镜质组含量一般为75%，惰质组多小于15%。属低变质程度高挥发分气煤。其焦炭的显微组成以细粒镶嵌和各向同性结构为主，含量大于65%，少见粗粒和流动型结构。2.2.3疆外主焦煤大武口煤为八钢引进的区外用煤，反射率Rmax在1.3%1.5%左右，粘结指数G值6878，惰性组分I值42.0%，
6、是包含了气、肥、焦、瘦四种煤的复杂混煤，其分类牌号为25JM。该煤含硫量较高，St,d0.8%；灰份也较高，Ad11%12%；惰性组分I值40%，是不同于新疆煤的重要特征。山西平遥煤八钢新引进的区外用煤。属中灰、高硫St,d1.0%、挥发分中等，粘结性较好的25号焦煤，其各项指标与大武口煤质接近，但灰分和挥发份低于大武口和2130。煤岩鉴定Romax: 1.36， Romin: 1.01，Romax: 1.64，为简单混煤。组成以反射率1.25煤为主，约68%，其次以反射率1.5煤为主约29%。惰性组分I值50%煤种煤镜质组反射率分布组分含量工业分析Romax0.75-0.950.95-1.3
7、51.35-1.651.65活性惰性VdafGRIYmm山西平遥1.315.7568.526.4454.9745.03大武口1.2717.9545.3737.0448.451.6青海山丹1.2498.331.67青海热水1.3198.181.8257.7242.28俄罗斯2.3焦炭的显微组分长期以来，八钢以艾矿1930、艾矿2130、阜康、大武口、拜城等几种炼焦煤为主组织配煤生产。下表为八钢各单种煤焦和生产焦炭的光学组织。 八钢各单种煤焦和生产焦炭的光学组织名称TXXLCLLDPZS+PJCOTI2130焦-16.969.65.87.7-265.81930焦-12.175.33.09.6-26
8、2.1阜康焦19.060.71.0-19.3-62.7大武口焦1.76.843.411.72.933.5-140.3拜城焦36.321.57.634.10.5169.5八钢焦1.14.423.556.23.111.50.2233.2艾矿1930和艾矿2130煤所形成的焦炭光学组织中流动型结构占65%以上，而粗细粒镶嵌结构含量低于18.0%的明显特点，但大部分的流动型并不十分典型，而是刚从粗粒镶嵌向流动型过渡过来的组织，因此既保留了颗粒拉长形状，又有受热力作用的定向流动。阜康煤所形成的焦炭光学组织以细粒镶嵌和各向同性结构为主，含量大于75%，少见粗粒和流动型结构。大武口煤所形成的焦炭光学组织中以
9、粗粒镶嵌、类丝破片为主，占75.0%，含量居八钢所用各单种煤的焦炭之首。拜城煤所形成的焦炭光学组织主要以粗粒、类丝破片为主，其含量70%仅次于大武口煤焦炭。八钢生产焦炭的光学组织中以流动状结构为主，含量在50%以上，其次为粗粒镶嵌结构，含量在20%左右，各向同性、类丝破片在10%左右。光学组织的各向异性程度高，OTI值高达233.2。焦炭的CO2反应性影响因素复杂，其中与其光学组织直接相关。英国学者Marsh H认为：流动型的显微强度对焦炭早期因CO2反应而失重十分灵敏。失重1%，显微强度明显下降。光学结构单元之间的结合面是CO2侵蚀的薄弱环节，结合面的状态如何，影响侵蚀后的强度。流动型的结合
10、面受CO2侵蚀时，结构的破坏是连续性的，失重初期强度就下降，而导致解体。镶嵌结构则不是这样，只是失重到一定程度才开始解体。八钢焦炭的光学组织以流动状为主的特征是焦炭热态性能差的一个重要原因。八钢技术人员经坩埚炼焦试验测得1930、2130焦炭的CRI分别为72.8%和73.4%，而五宫焦和大武口焦CRI则为43.4%和17.4%。试验焦炭光学组织的反应率高于焦炭反应性的是LD、PZ结构，略低的是TX、CL、S+P结构，明显较低的是XL结构。各光学组织的反应性顺序依次为：PZLDTX,CL,S+PXL。这充分说明，焦炭的光学组织与CO2的反应存在着选择性。2.4 CO2与焦炭反应显微组分对比名称
11、同性细粒粗粒流动片状类丝破片ISO OTICRICSR双信反应前 49.64 29.83 0 0 0 20.53 70.17 29.83 63反应后24.9358.551.160015.36 40.2960.87 库车榆树沟反应前48.4721.4700030.06 78.5321.47 72.114.3反应后20.4356.9900022.58 43.0156.99 四宫十运反应前28.9739.5600031.46 60.4339.56 65.815.7反应后4.9569.100025.94 30.8969.10 英俊达反应前6.563.2500030.25 36.7563.25 5030
12、反应后2.3869.0500028.57 30.9569.05 拜城公安反应前0.7359.662.692.44034.47 35.272.37 5618.2反应后067.421.981.13029.46 29.4674.79 拜城苏杭反应前00.6132.7319.391.2146.06 46.06129.09 63.312.2反应后00.5436.5120.162.1840.60 40.6142.78 拜城14#反应前0021.0222.295.151.59 51.59129.30 5329.8反应后0023.0226.983.1746.83 46.83139.68 反应后大武口反应前05
13、.8139.9516.472.4235.35 35.35144.79 28.262.1反应后02.6343.5720.762.0530.99 30.99160.23 山西平遥反应前01.4438.2222.415.1732.76 32.76165.80 2558.7反应后00.931.9338.254.5224.40 24.4197.59 反应后02130反应前0017.5682.2512.25 12.25248.00 5516.7反应后0031.2158.670.879.25 9.25241.91 1930 反应前009.2679.940.939.88 9.88262.04 799.5反应后
14、03提高热性能的途径和措施3.1改善配煤结构3.1.1配煤方案的考虑和选择我厂的配煤原则是立足本地资源，降低配煤成本，因此在配煤结构中疆内煤占80%，疆外煤占20%，导致生产焦炭冷态强度好，热态强度较差。目前我厂4.3米顶装焦炉生产焦炭CRI 61%，CSR 19.2%。针对现状，我们改变配煤结构，试图改善焦炭的热性能，通过试验我们发现，艾矿煤的热性能极差，阜康气煤和拜城煤次之。在配煤试验中我们将大武口煤配比固定在20%，调整疆内煤用量，热态强度有所好转，但效果甚微。今年一季度生产由于2130煤量不足，我们将大武口煤和山西平遥煤量提高5-10%， 焦炭热态强度明显提高。根据生产情况，在试验中我
15、们加大大武口煤和山西平遥煤配量，当大武口煤和山西平遥煤配到50%时，焦炭的CRI降低到44%， CSR达到27-40% 。下表为增加大武口煤和山西平遥煤的焦炭质量数据。 序号19302130平遥大武口拜城14#拜城45#双信石油焦VdafSadYGM40M10CRICSR1453001010527.970.37229981.88.3676.021010501020 28.80.71158781.96.94439.83101050102028.610.63158978.56.444.540.54101035153030.550.6168980.21045.527.151010351030530.
16、070.64148883.17.65229.7因我厂热反应试验数据和北京、武汉等地比对偏低10个百分点，因此，在疆外煤配加到35%时，反应后强度应在35-40。周师庸教授认为阜康地区五宫东沟煤和大武口煤在煤的分类牌号中，既不是同一牌号，也不是相邻牌号的煤，但从实验结果得出却可以在配煤中作较大幅度的互代。因此，随着对阜康地区五宫东沟煤的探索和研究，可大幅度提高其配比，增加焦炭光学各向同性结构的含量以提高热性能及高温抗碱性能。3.1.2高变质程度高惰性组分煤的配入八钢现以艾矿1930、2130煤为基础煤，配以五宫煤、大武口煤、拜城煤生产高炉用焦。焦炭各显微结构的反应率高低顺序为：各向同性TX片状P
17、Z流动状LD粗粒镶嵌CL细粒镶嵌XL类丝+破片S+P。由此，可以得到如下启示：要有效抑制焦炭的反应性，必须尽可能增加焦炭中的类丝+破片组分，而该组分完全来源于煤的惰性组分，这就要求配煤时最大限度增加惰性组分的量。因此，首先考虑改变配煤结构，即在新疆境内寻找具有良好配煤适应性的高惰性组分煤种。八钢炼焦用煤的惰性组分含量较低，配煤中适当加入高惰性组分煤种，可以有效增加焦炭的气孔壁强度，增强抗氧化性能，抑制焦炭的CO2反应性。另外，所选择煤种的灰、硫含量应尽可能低。由图可见，无论单种煤还是配合煤，焦炭的反应性与惰性组分含量线性相关。八钢生产配煤的惰性组分明显较低，均在20%以下，这导致焦炭的反应性较
18、高，因此应选择适当的方式来增加配煤的惰性组分以抑制焦炭的反应性。配煤时可考虑多配种羊场火烤煤系列煤种，其反应性较低为27。3.1.3配入添加物(焦粉、改质沥青、石油延迟焦)以现有生产用煤为主体，配用石油延迟焦反应性变化不大，但天津三煤气使用石油延迟焦5%，反应后强度有较大幅度的提高，这需要我们继续做好研究工作。3.2降低焦炭灰分焦炭中灰分主要来自于煤的灰分，它对高炉生产不单是影响高炉产量，增加造渣原料的成本和提高焦比，还促使焦炭在高炉中劣化。灰分高，焦炭的反应性上升，反应后强度下降。灰分产生的微裂纹使CO2易于深入到焦炭内部结构，促使气化反应加速进行。同时，碱金属也得以深入与碳的化学结合，形成
19、层间化合物加速焦炭结构的崩溃。焦炭灰分中金属氧化物对碳溶反应的催化作用，使得焦炭反应性大幅度提高。碱金属还能降低碳溶反应的开始反应温度和激烈反应温度。因此降低炼焦煤灰分，还可以降低碱金属含量，从焦炭的显微结构上增加其高温抗碱性，改善焦炭的热态性能。3.3增加新工艺3.3.1采用干熄焦技术根据相关资料，采用干熄焦技术可以提高反应后强度4个百分点。3.3.2配型煤炼焦工艺配型煤炼焦工艺可改善焦炭M40l3个百分点，M10l4个百分点，反应后强度l5个百分点，由于该技术效果显著且容易在现有生产厂实施，所以日本已广泛采用并已向其它国家输出。3.4结焦时间随结焦时间时间的增加，显微结构发生很大的变化，各
20、向同性结构减少，这种变化一直持续到20h后，各向同性碳结构减少的速度加快，且结焦时间越长则各向同性碳结构减少的速度越快；随结焦时间的增加，粗粒和细粒镶嵌结构会增加，但中粒镶嵌结构却随结焦时间的变化而增加到19.75h后便呈线性减少。同时，延长结焦时间改变了孔的结构，尤其是可降低多孔性。CSR和CSI在19.75h左右的稳定化与相关的焦炭多孔结构的消失有关。因此能够提高焦炭的热性能。本次新区建设考虑2*60孔6m焦炉而不是常规的2*55孔6m焦炉就是基于结焦时间增加的考虑。3.5焦炭炉外处理3.5.1配合煤（焦炭）喷加负催化剂未添加负催化剂的原始焦炭热性质为CRI32.8%，CSR50.7%，添
21、加不同比例负催化剂后焦炭热性质见表。由表中可看出，随着配煤中配入负催化剂的比例由0.1%不断增大到1.0%，CRI由28.9%降低到15.2%，平均每配入0.1%负催化剂，焦炭CRI降低2.8%；同时焦炭CSR由56.7%提高到74.5%，即每配入0.1%负催化剂，焦炭CSR提高4.1%，当焦炭中负催化剂含量为1.11%时，焦炭的CSR提高17.7%；采用负催化剂可显著改善焦炭的热性质。配煤中加入不同比例的负催化剂后，焦炭中等尺寸光学异性组织比例的增加与焦炭反应性下降呈较好的相关关系。负催化剂在煤软化、熔融、固化及最后生成焦炭的过程中，能俘获煤热解生成的氧，这有利于煤加热时塑性的形成和发展，从
22、而有利于各向异性组织的增长；此外，负催化剂在焦炭表面富积，阻碍了溶损反应的深入进行，从而改善焦炭热性质。3.5.2喷加ZBS添加剂喷洒ZBS可以改善焦炭的气孔分布，降低气孔率，增大气孔壁厚度，提高焦炭强度。焦炭表面喷洒ZBS后，ZBS中的物质能吸附和渗透到焦炭表层，一方面它们在无水汽的情况下能与晶格周边的碳原子结合，填充焦炭晶格空隙，并堵塞通道，阻止二氧化碳向焦炭内扩散，在冷态条件下，ZBS主要通过此种作用来降低焦炭的反应性；另一方面，部分ZBS随焦炭进入炉内后与焦炭共生成化合物，该化合物是氧化性气体的抑制剂，它在碳结构中的活化点上形成，从而使活化点失活，在焦炭表面形成屏蔽保护膜，抑制焦炭与二
23、氧化碳进行溶损反应。昆钢喷洒ZBS每吨焦炭成本增加6元。反应性降低了8.45%，反应后强度提高4.79%。4焦炭热性能的思考4.1指标的适宜性周师庸教授认为：一是因为现行焦炭质量指标本来缺少其在高炉中劣化的模拟性：二是各厂已达到的焦炭质量对炼焦煤资源条件的利用已达到极致：三是其所生产焦炭的实际质量对其相应高炉而言，可能本来已是过剩的。4.2加碱后的反映顺序和热性能焦炭中的碱对各显微结构与CO2反应的催化程度是各不相同的。国内外有关研究认为，在有碱的情况下，PZ、LD、CL结构的反应性会明显提高，而TX、S+P及各向异性效应弱的XL结构却显示有较好的抗碱性。这是因为各向异性结构中炭网层片排列不同
24、程度地趋向有序化，K、Na元素易于插入形成层间化合物，致使层片间的距离加大，形成显微裂纹，增加比表面积，有利于CO2反应，而各向同性、类丝+破片的炭网层片是乱层结构，K、Na元素不易插入形成层间化合物41 。通常，在无碱的条件下(即可忽略碱的影响),焦炭显微结构的反应性顺序为：TX,S+PXLCLLDPZ。根据周师庸教授的观点：当焦炭中的碱含量达到一定程度时，其显微结构的反应性顺序会出现逆转9。5结论根据上述分析，我们认为利用相关技术，抑制焦炭反应性，提高反应后强度CSR在50以上是可以实现的。参考文献张光毅现代炼焦新技术和炼焦炉操作冶金出版社齐婳结焦时间对冶金焦热性能的影响中国冶金张群 吴信慈采用负催化剂改善热性质的研究宝钢炼铁厂杨雪峰焦炭喷洒ZBS添加剂在高炉上的应用钢铁研究学报周师庸炼焦煤性质与高炉焦炭质量冶金工业出版社11 / 11文档可自由编辑打印