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1、工程硕士学位论文中期报告焦炭强度与高炉喷煤的相互影响机理Xxx工 程 领 域：冶金工程研 究 方 向：炼铁学校指导教师：企业指导教师：2009年 6月 25 日The mechanism of the interaction between coke strength and coal powder injectionCandidate:Dong GuoqiangSupervisor:Fang JueZhao JunMajor: Ferrous MetallurgySchool of Metallurgy and EnergyHebei Polytechnic University46 Wes
2、t Xinhua Road, Tangshan 063009，P.R.CHINA河北理工大学工程硕士研究生论文阶段中期考核情况表研究生姓 名Xxx学校导师姓 名Xx企业导师姓 名Xx工程领域冶金工程中期时间地点炼铁新技术实验室论文题目：焦炭强度与高炉喷煤的相互影响机理考核小组成员（职称）：论文进展情况：对唐钢常用的六种焦炭进行了制样，取得了部分抗压强度数据。主要完成工作为：(1) 制取了不同失碳率的焦炭试样；(2) 得到了六种焦炭在不同失碳率下强度随温度变化的数据；(3) 给出了焦炭抗压强度与温度和失碳率的关系式；(4) 研究了六同焦炭其强度受温度影响的变化规律；导师对学生政治思想、身体健康状
3、况以及业务能力的评价导师签字：考核小组意见（是否适合继续培养）： 考核小组组长签字：河北理工大学工程硕士研究生中期考核的要求根据河北理工大学授予工程硕士学位工作条例和河北理工大学攻读硕士学位培养工作规定，我校硕士研究生中期考核的有关事项如下：1. 硕士生以书面（8000-10000字）和讲述方式，对其论文作中期进展报告。中期进展报告应说明课题的理论分析、实验方法、数据、设计方案、初步结论、遇到的问题及进一步工作计划。2. 中期进展报告考核小组至少由5名具有副教授以上职称或博士学位获得者组成，对此报告进行考核，就课题的理论分析、实验方法、数据、结果的可靠性、设计方案的可行性及初步结论的正确性等进
4、行评审，对存在的问题和进一步的研究方向提出指导性建议。考核结束后，考核小组要形成决议并填写河北理工大学硕士研究生论文阶段中期考核情况表。3. 考核结果符合继续攻读硕士学位条件者，可继续硕士学位论文工作；不符合继续攻读硕士学位条件者，限期改正或终止学习按肄业处理。4. 研究生及其导师必须参加中期考核，如因个人或学院有特殊情况，无法在规定时间内完成，应提前出具证明材料，经研究生学院审核通过后可择期另行。5. 若中期报告中题目与选题报告不一致（即论文题目、内容有所变动），须在中期考核情况表的备注中加以说明。6. 论文中期考核报告按照“模板”结构编写，模板和考核表文件在研究生学院网站下载，考核结束后，
5、研究生将修改后的中期报告（正文部分正反面打印）打印、上交研究生学院培养办备案。目 次目次引言11 理论分析21.1高炉焦炭21.1.1 1.1.1 焦炭在高炉中的作用21.1.2 焦炭在高炉中的行为21.1.3测定焦炭性质的常规方法41.1.4影响焦炭强度的主要因素71.1.5研究焦炭高温抗压强度的意义81.2 高炉喷煤91.2.1 高炉喷煤的发展91.2.2 高炉喷煤对冶炼的影响101.2.3 高炉喷煤对煤的性能的要求111.2.4 提高喷煤量的限制因素121.3 高炉焦炭与喷煤之间的相互关系131.3.1 高炉喷煤对焦炭强度的要求131.3.2失碳率与煤比之间的关系142 研究方案182.
6、1 研究目标182.2 研究内容182.2.1 实验设备182.2.2选样及试样制备212.3 关键问题与创新点212.3.1关键问题212.3.2创新点213 课题进展223.1唐钢焦炭成分及热强度223.2 脱碳试验223.2.1 脱碳电炉温度场223.2.2 脱碳过程233.3 抗压试验243.3.1抗压试验过程243.3.2 抗压试验数据243.4 焦炭在高炉不同部位的实际抗压强度283.5 目前得到的结论304 课题存在的问题及解决办法314.1 目前存在的问题314.2 解决方法315 今后工作计划32参考文献33河北理工大学工程硕士学位论文 引 言引言自改革开放以来我国钢铁工业经
7、历了迅猛的发展，钢铁年产量骤升，早已跃居世界第一的位置。与此同时，钢铁行业内部竞争日益加剧，迫使各企业都在竞相努力降低生产成本。焦炭作为高炉炼铁主要原料，直接影响着高炉的顺行、钢铁产量、成本等一系列指标。但随着炼焦用煤的日益短缺，增加高炉喷煤量已成为高炉技术发展的必然趋势。但是，喷煤量的增加，导致焦炭负荷的增大，这给高炉冶炼带来了新问题：焦炭在高炉风口回旋区滞留时间延长、失碳率提高、焦炭强度降低、焦炭在高炉内的骨架作用受到严峻挑战。焦炭负荷的增加和破损的加剧必然影响料柱的透气性和透液性，导致高炉操作困难，严重时会引起悬料等高炉事故。因此研究焦炭在高炉各个部分的工作情况，在不同阶段的强度变化有着
8、极其重要的意义。冶金界一向重视对焦炭强度的研究，主要参数是转鼓指数和反应后强度，但基本是在冷态下的研究，对高温条件下焦炭在高炉环境内的强度的研究却很少。因此，一般检验方法不能精确反应炉内的实际温度、压力及气氛条件。也就是说焦炭在炉内的实际强度与它的冷态强度之间存在很大的差距。因此，有必要对焦炭在高炉内的实际强度进行研究。为使研究尽量符合高炉内实际情况，我们采用了一台可调气氛高温抗压试验机来克服常规检验的不足，研究了焦炭在实际温度下的抗压强度及其在高炉内的变化规律。为焦炭的质量检验提供了一种新的方法。可调气氛高温抗压试验机能够模拟高炉内的实际温度条件及焦炭的实际反应程度，使我们在分析总结焦炭在高
9、炉各阶段随着温度和失碳率的变化引起的强度变化及破损情况时有据可依，进而总结出不同失碳率对高炉内的焦炭强度影响。并基于此讨论不同煤比对焦炭的失碳率及强度的影响，并针对不同焦炭的特性，找出最高煤比。本课题的重点在于焦炭的强度与喷煤之间的关系研究，但也包括它们对炉况的影响，从而得出一种较合理的选择喷煤量与焦炭品种的方法。-35-河北理工大学工程硕士学位论文中期报告1 理论分析1.1高炉焦炭1.1.1 1.1.1 焦炭在高炉中的作用焦炭是一种有一定硬度和脆性、多孔、不规则的物体。众所周知，焦炭在高炉里有四大作用。1). 作为燃料产生热量，主要供给炉料加热，融化及氧化铁还原反应所吸收的热量；2). 作为
10、还原剂，提供间接还原所需的CO和直接还原所需的碳素；3). 作为渗碳剂，提供生铁渗碳所需的碳素，降低铁水的熔点；4). 作为骨架，碳的熔点为3652在高温区矿石软化熔融后，焦炭是炉内唯一以固态存在的物料，是支撑高达数十米料柱的透气性的骨架，保证了炉料的透气性和透液性，使得炉料顺利运行。1.1.2 焦炭在高炉中的行为在高炉冶炼中，有四个区域起着不同的作用，它们是块状带、软融带、滴下带的活动焦炭层与呆滞焦炭层、风口回旋区。由于这几个部位的温度、CO浓度、CO2含量都不同，焦炭的状态与行为也各不相同2。1). 块状带的焦炭块状带指炉腰以上，温度大致低1000的部位。该部位的矿石尚处于固态，并无粘着现
11、象。炉料入高炉时温度与大气温度相近，在块状带运行中温度升至1000 左右。这一蓄热行为为进入软熔带参与直接还原起重要作用。由于这时温度在炼焦最终温度以下，所以受热对焦炭影响很小，焦炭块度和强度下降很少。在块状带下部，铁矿石中的铁氧化合物与上升炉气中的CO发生间接还原，生成的CO2在800以上时与焦炭产生明显的气化反应生成CO，使焦炭中的碳消耗掉，即碳溶损失。块状带的碳溶损失一般不超过10%。2). 软融带的焦炭软熔带处于炉腰、炉腹处10001300左右的部位。因温度及气流分布的关系不同，形成倒“V”型、“W”型、倒“V”型。焦炭和矿石仍保持层状相间，但矿石由表及里逐渐软化熔融，而焦炭仍以块状起
12、疏松料柱使气流畅通的作用。由于这一区域碳溶反应剧烈，焦炭中碳的损失可达30%40%，所以焦炭强度下降，块度减小很明显，同时也有较多的碎焦和焦粉产生，不利于气流畅通。因此，使用粒度均匀，反应后强度高的焦炭对改善高炉软熔带状态起着重要作用。3). 滴落带的焦炭软熔带下是一个完全由焦炭组成的中心料柱，温度在1350以上，它承受滴落的液渣、液铁的冲刷，使铁滴的含碳量由1%迅速增加到2%以上。进入炉缸时可达到4%左右，完成铁的渗碳过程。滴落带的焦炭因为碳溶反应不深，一般保持一定的强度与块度，因此它又成为上升气流的通道，也称为焦炭栅格。其对软熔带的中心气流发展起重要作用。中心料柱的焦炭大部分来自软熔带最上
13、部。当软熔带顶层因熔融而分裂开并向下移动时，倒“V”形顶端产生穿透作用，使焦炭向下滑动，直到顶端新的软融层形成。也有一部分焦炭来自软熔带各个层间受到一定程度碳溶反应的焦炭，这部分焦炭处于中心料柱碳堆的外围，与滴落带的一部分焦炭向下运动，进入风口区。最后全部燃烧掉成为高炉的热源，称为活动层。中心料柱的下部有一堆焦炭，它受到上面炉料的重力、下面液铁、液渣的浮力和四周鼓风的压力，形成一个平衡状态，处于静止状态，即为呆滞层或死料柱焦。4). 风口回旋区周围的焦炭风口回旋区周围的焦炭块度不一，来源也不同。热空气由风口鼓入后，形成一个略向上翘起的袋状空腔，即回旋区。焦炭在此被鼓入的热空气带动强烈地回旋并且
14、燃烧，为高炉提供热能和还原气体CO。空腔的外围因鼓风动能和炉料移动关系，焦炭以不同状态分布在整个风口区域，如图1所示：空腔1为回旋区，焦炭在此处燃烧，温度约达2000，空腔上方区域2是炉腹焦，它来自中心料柱的活动层，作为回旋区燃烧的焦炭来源，其块度的完整和承受热力作用的强弱与否对风口区状态有重要作用。区域3是回旋区焦炭，它已承受了较大的机械力和热的作用，因此块度较小而且钝圆，其表面因受高温影响有较高的石墨化度。一般情况下越向炉子中心焦炭块度越小，因受鼓风动力而吹向远处。区域4是在整个回旋区焦炭下方，是一个很密实的结构，有碎裂的小粒焦块，同时夹杂因重力流下的液渣和液铁，称雀巢焦。强度好的焦炭，雀
15、巢焦层不大，数量也不多，但易碎裂的劣质焦炭则雀巢焦量多且易向中心偏移，导致碎焦充满料柱的空隙，影响渣、铁液滴向下的正常渗透。雀巢焦层的下方是大块焦炭区5，由中心料柱呆滞层焦炭移动至风口与风口间的焦炭堆向下移动所形成，它们不可能再进入回旋区而浮在液渣上面达1m2m厚度，渣、铁通过该层向下渗透。区域6是呆滞层焦炭，它始终处于稳定状态，直到碳素完全溶解，灰分进入渣中为止。图1 风口回旋区周围的焦炭Fig.1 Coke at the race way焦炭从进入高炉开始，直到风口区前历经各种热力和化学过程，良好的焦炭保持一定的块度是回旋区正常的条件。1.1.3测定焦炭性质的常规方法研究所涉及到得焦炭常规
16、性质包括它的转鼓指数（抗磨性和抗冲击性等）、反应性、焦炭的成分、显微结构和常温抗压强度等。焦炭的反应性和强度是衡量焦炭常规性质最重要的参数3-4。常用测试焦炭强度的方法有以下三种：1). 转鼓试验焦炭是一种有一定硬度和脆性、多孔、不规则的物体，所以测定焦炭强度不可能用一般材料试验的常规方法。焦炭的机械强度是指两个截然不同属性的抗碎强度和耐磨强度的综合，用焦炭在经受冲击力和摩擦力作用被破坏到一定程度之后粒度的变化（即粒度大于或小于某一规定的数值）来表示。目前测定焦炭机械强度的最常用的转鼓试验就是米库姆转鼓试验。最初布雷斯劳对米库姆转鼓有如下规定：一般长度为1000mm；四个提升抄板宽度100mm
17、；每次试验取四次平均；转鼓应当在4min转完100r，时间误差为10s；焦炭试样应用间距为50mm的叉子取样，试样重50kg；大块焦应当用手拿取放入鼓内，只有小块焦才允许倒入鼓内；鼓后用40mm圆孔筛筛两次才允许作为强度指标。我国从1981年开始采用GB1996-80标准的米库姆转鼓。米库姆转鼓内径及长度分别为990mm和900mm，为了与ISO统一而改为现行DIN501717-1967标准，目前德、英、意、捷、波、希等国均有采用。在实践中，对米库姆转鼓比较普遍的意见是：试样块度较大（60mm）因而代表性差，特别是在目前高炉提出“净、小、匀”方针后，要求相应减小焦炭粒度。如日本现在通常焦炭的块
18、度上限为45mm50mm。前苏联5000m3高炉焦炭粒度范围为25mm60mm，其中60mm级的在10%以下，其代表性就更差了。另一个意见是100r对有些焦炭冲击力是不够的，在一定程度上仍有裂纹而未破碎。所以有的国家除100r之外还有增加至200r及300r的。现行的米库姆转鼓试样焦块除60mm以外，还有40mm的，采用M25（或M20）和M10指标。我国现已由本钢、鞍山热能研究院及冶金部标准所提出，对GB1996-80标准进行修改，并已于1996年实行。采用25mm试样焦炭入鼓，M25为抗碎强度，M10为耐磨强度17。近年来，人们所进行的热转鼓试验研究是很有价值的。然而由于试验复杂和费用昂贵
19、，难以在实际生产中广泛应用。各国的转鼓试验从装置尺寸与构造、试样粒度及重量到转鼓的操作及表示方法都各有差异。但方法的原理大体雷同。2). 焦炭的坠落试验各种坠落试验的标准并无原则性差别。它是从大样中取出2kg焦炭，取其大于50mm焦炭并使其焦块中各块度的构成与大样的筛分成分一致。将此焦炭自1.83m高度坠落4次，然后用50.8mm、38.1mm、25.4mm、12.7mm等方孔筛筛分，以筛上百分数作为坠落试验指数。坠落试验指数大小与原始焦炭试验中的块度分布有很大关系。3). 焦炭的抗拉强度试验焦炭的抗拉强度试验方法是将块焦切成片状，用涂有金刚砂的空心钻头(10mm)在焦炭片上钻取焦芯，将焦芯切
20、成10mm左右长，经超声波清洗后，在150下干燥1.5h，用游标卡尺测量焦样的直径D和长度L，把焦样放在抗拉强度仪上径向压缩，等速加载，直至试样破碎为止。破碎载荷由记录仪自动记录。抗拉强度S按下式计算可得：S=2F/DL式中：F破碎载荷，kN；S抗拉强度，Mpa。每种焦测量50个值，以平均值S表示焦炭的抗拉强度。此外还常用到反应性和反应后强度的测定，方法如下：1). 试样的采取与制备按GB1997规定的取样方法，取大于25mm焦炭20kg。弃去泡焦和炉头焦，经破碎、混匀、缩分出10kg。再用25mm、21mm圆孔筛筛分。大于25mm的焦块再破碎、筛分、取21mm筛上物，去掉片状焦和条状焦，取焦
21、块2kg。分两次（每次1kg）置于I型转鼓中，以20r/min的转速，转50r。取出后再用21mm圆孔筛筛分，将筛上物缩分出900g作为试样。将制好的试样放入干燥箱，在170180温度下烘干2h，取出焦炭冷却至室温，称取200g0.5g备用。2). 试验过程首先在反应器底部铺一层高约100mm的高铝球，上面平放筛板。然后装入已备好的焦炭试样200g0.5g。注意装样前调整好高铝球高度，使反应器内焦炭层处于电炉恒温区内。将与上盖相连的热电偶套管插入料层中心位置。用螺丝将盖与反应器筒体固定。将反应器置于炉顶的托架上吊放在电炉内。托架与电炉盖间放置石棉板隔热。在反应器法兰四周围上高铝轻质砖（用标准尺
22、寸高铝轻质砖切成，尺寸随意），减少散热。将反应器进气管、排气管分别与供气系统、排气系统连接。将测温热电偶插入反应器热电偶套管内（热电偶用高铝质双孔绝缘管及高铝质热电偶保护管保护）。检查气路，保证严密。接通电源，用精密温度控制装置调节电炉加热。先手动调节，电流由小到大，在15min之内，逐渐调至最大值，然后将按钮拨到自动位置。升温速度为816min。当料层中心温度达到400时，以0.8Lmin的流量通氮气，保护焦炭，防止其烧损。当料层中心温度达到1050时，开红外线灯，预热二氧化碳气瓶出口处。当料层中心温度达到1100时，切断氮气，改通二氧化碳，流量为5Lmin，反应2h。通二氧化碳后料层温度应
23、在5min10min内恢复到11005。反应开始5min后，在排气系统取气分析，以后30min取气一次，分析反应后气体中一氧化碳或二氧化碳含量。反应2h后，停止加热。切断二氧化碳气路，改通氮气，流量控制在2Lmin。拔掉排气管，迅速将反应器从电炉内取出，放在支架上继续通氮气，使焦炭冷却到100以下，停止通氮气，打开反应器上盖，倒出焦炭，筛分、称重、记录。反应后的焦炭全部装入I型转鼓内，以20r/min的转速共转30min。总转数为600r。然后取出焦炭筛分、称重、记录各粒级质量。验后，大于10mm粒级的焦炭占反应后焦炭的重量百分数称焦炭反应后强度。该数值在国标中以符号Sar表示，其计算式为：S
24、ar(%)=G2/G1100式中：G1反应后的残余焦炭重量，g；G2转鼓试验后10mm的焦炭重量，g。最终计算得出反应性和反应后强度。焦炭的反应性和强度是衡量焦炭常规性质最重要的参数。1.1.4影响焦炭强度的主要因素目前，有许多学者已对焦炭的强度进行了研究，但在焦炭高温状态下的实际强度研究几乎是空白。焦炭在高炉内实际强度主要受碳溶损反应和温度的影响。焦炭溶损反应的发展和速度取决于焦炭反应性和反应温度。降低或抑制反应性，提高反应临界温度可有效控制溶损反应的发展，从而提高焦炭高温强度4-6。从焦炭微观结构看，反应性与其内部各向同性组织含量成正比，与各向异性组织（粗粒镶嵌及纤维状组织）含量成反比。一
25、般说来，由弱粘接性煤所形成的焦炭各向同性组织含量高，反应性好，极易与CO2作用而溶损，高温强度差；由强粘接性煤所形成的焦炭各向异性组织含量高，反应性差，不易溶损，高温强度高。因此，增加强粘接性煤配比可抑制焦炭反应性，提高其高温强度。为了提高溶损反应进行的临界温度，首先应抑制焦炭反应性。反应性差，溶损反应不易进行，所需反应临界温度高。其次应尽量降低熔融带位置，缩小溶损反应区域。采用高镁高碱度烧结矿，提高其还原性和软熔性；采用富氧，高风温等技术，都是把溶损反应推向高炉下部更高温度区域的有效措施，从而可维护和提高焦炭的高温强度。碱金属钾、钠是焦炭溶损反应的强烈催化剂。必须降低炉料碱负荷，特别是焦碳中
26、的碱金属含量，加强炉渣排碱，减少碱金属在炉内循环量和在炉腰、腹（溶损反应）区域的富集，抑制溶损反应的发展。降低焦炭灰分是提高焦炭高温强度的又一基本措施。灰分升高，反应性增大，加速溶损反应，使焦炭高温强度降低。1.1.5研究焦炭高温抗压强度的意义焦炭在高炉炼铁生产过程中起着重要作用，特别是喷煤技术引进后。煤粉可代替焦炭在高炉中提供燃料、还原剂和渗碳剂等消耗品。但焦炭的另一个极其重要的作用，支撑炉料，却是煤粉所无法替代的7-10。焦炭强度对于保持炉内的透气和透液性极其重要。因此，焦炭必须具有足够的强度才能避免大量破损，满足料柱透气性的要求。冶金界一向重视对焦炭强度的研究，主要参数是转鼓指数和反应后
27、强度。这两个参数的检验均在常温下进行，试样的受力方式主要是摩擦和冲击。而炉料在高炉内承受的主要是炉料之间的挤压力。因此，常规检验方法在温度和受力方式两个方面均不能精确反应炉内的实际条件。也就是说焦炭在炉内的实际状况与它的冷态强度之间存在很大的差距。因此有必要对焦炭在高炉内的实际性能进行研究。随着富氧大喷煤的实现，焦比的降低，高炉焦炭负荷的日益加重，焦炭在高炉内的骨架作用愈发显得重要。因此，高炉工作者对焦炭的强度指标，特别是热性能指标，愈来愈重视。评价焦炭质量的好坏，关键是看焦炭能否满足高炉冶炼的要求。因此，焦炭在高炉内的热性质十分重要。焦炭的热性质是一个极其复杂的问题，它的质量指标主要以CRI
28、，CSR表示，即焦炭在高炉内的反应性和反应后强度。增加并完善公司技术中心焦炭热性质检测装置及人员配置，开展高炉大喷煤量下的焦炭热性质研究，找出影响热性质的主要因素，是提高焦炭质量的一项重要举措。常规的反应性和反应后强度不能准确的反映焦炭的质量。因为，焦炭反应后强度的测量是在常温型转鼓中进行的。这种方法有三个方面有背于实际情况：第一，高炉中的焦炭是在高温区下失碳，在常温下测定其强度肯定与实际不符；第二，焦炭在高炉内所受的力主要是与炉料相互之间的挤压力，而在型转鼓中对焦炭起破坏作用的是在旋转过程中焦炭之间的摩擦力和冲击力。显然国标的测量难以反应焦炭在真实环境中的强度；第三，反应后强度是试样在反应以
29、后测出的强度，试样失碳率一般在4050，但实际生产中低质量焦炭的失碳率一般也远低于这个范围。为了研究焦炭在高炉内的实际行为，我们在前人研究的基础上进一步改进试验方法，模拟高炉内的条件，对焦炭高温高失碳率条件下的抗压强度进行了试验研究。1.2 高炉喷煤1.2.1 高炉喷煤的发展高炉喷吹煤粉自18401845年法国马恩省炼铁厂喷吹木炭开屑开始，1881年形成专利权，上世纪60年代开始用于生产。经历了百余年的不断实验研究和完善提高，到现在在世界上90%的生铁是采用喷吹补充燃料的高炉上生产出来的，其中喷吹煤粉的高炉占80%以上10-14。近年来，高炉喷煤发展很快，喷煤技术不断提高，使用率也在不断的普及
30、。西欧自1980年的第一座高炉使用喷煤以来，已经有百十余座高炉使用喷煤技术，亚洲也在迅速的发展喷煤技术，目前日本全国几乎所有的高炉都使用了喷煤生产，总喷煤量约占世界的4050%。我国的喷煤技术大致经历了以下的阶段：第一阶段是60年代初至70年代末，是高炉喷煤工业化推广应用期。这段时期内重油、天然气价格较低，喷吹设备简单，因此世界上大部分高炉都喷吹重油和天然气。我是自1964年4月30日首钢1号高炉开始喷煤，1965年鞍山高炉喷煤相继投产，普及程度和吨铁喷煤量迅速提高，重点企业的63座高炉中有40座喷吹煤粉。我国高炉炼铁揭开了新的一页，走向了喷煤强化冶炼的道路，到70年代，已成为世界瞩目的喷煤大
31、国。第二阶段是80年代初至80年代末，是高炉喷煤的大发展时期。1979年世界上第二次石油危机以后，石油价格猛涨。为此，进入80年代后，日本和西欧的高炉开始积极喷吹煤粉，并得到了迅速发展。至80年代末，日本喷煤高炉达到80%，西欧达到60%以上。这一时期，我国的高炉也基本上停止了喷油，积极发展喷煤，喷煤高炉达到78%，年均喷煤量为52.9 kg.t-1，其中有10座高炉年均喷煤量达到了100 kg.t-1以上。第三阶段是90年代初至现在.大量喷吹煤粉已成为高炉炼铁技术发展的主要内容之一，钢铁行业已把高炉喷煤作为减少焦炉的主要手段。西欧、日本等国家的一些高炉年均煤比达到160200 kg.t-1，
32、月平均最高煤比达到210250 kg.t-1。宝钢高炉喷煤起步相对较晚，但发展较快.1998年以来，煤比持续上升，高炉喷煤技术指标不断被刷新。截止到2001年5月份，邢台3号高炉已连续36个月保持在200 kg.t-1以上，1号高炉在1999年9月创造了煤比260.64 kg.t-1的最高记录。由此可见，宝钢采用高炉喷煤技术，大大降低了焦比，降低了炼铁生产成本，提高了高炉经济效益，增强了宝钢与国内外钢铁企业的竞争力。1.2.2 高炉喷煤对冶炼的影响1） 高炉喷吹煤粉后，煤粉在风口前燃烧。煤粉与热风中的氧在风口回旋区进行燃烧反应，生成CO、H2和N2，并放出一定的热量。可以把煤粉的燃烧过程分为若
33、干阶段。第一阶段是煤粉中所含水分的析出。第二阶段与吸附过程有关，其特征是热焓急剧增加，被煤吸附的氧分子开始发生变化，同时发生化学吸附。第三阶段是析出挥发性物质。挥发性物质开始燃烧并同时放出热量，此过程开始结束时，残留的挥发物质就在残焦透热过程中继续析出。第四阶段是残焦燃烧15-19。2） 高炉喷吹煤粉后，炉缸煤气量增加，鼓风动能增加并且高炉风口前燃烧带扩大25。由于煤粉中碳氢化合物比较高（焦炭中挥发分含量一般为1%左右，无烟煤挥发分在8%12%，烟煤中挥发分则高达40%），在风口前气化后产生大量的煤气，使炉缸煤气量明显增加。全焦冶炼时，一般炉缸每分钟产生的煤气体积约为风量的1.21倍，而喷煤时
34、，则为风量的1.251. 3倍，同时燃烧产生的灰分要进入炉渣，使渣量增加，而炉腹煤气体积和渣量的增加，势必恶化高炉下部料柱的透气性而影响高炉内炉料的顺行。3） 高炉喷吹煤粉后，理论燃烧温度下降。其原因主要有：（1）喷吹煤粉后煤气量增加，燃烧产物的数量增加，用于加热产物的热量增加比较多。（2）喷吹燃料气化时因碳氢化合物分解吸热，燃烧放出的热值降低。（3）焦炭到达风口燃烧带已被上升煤气加热，可为燃烧带来部分物理热，而煤粉喷入时的温度一般在80左右，带进的物理热少。4） 高炉喷吹煤粉后，炉缸中心温度均匀并略有上升。主要原因有：（1）煤气量及鼓风动能增加，燃烧带扩大使到达炉缸中心的煤气量增多，中心部位
35、的热量收入增加，炉缸径向温度的梯度缩小。（2）高炉上部的还原过程得到改善，在高炉下部进行的直接还原数量减少，热支出减少。（3）高炉热交换改善，进入炉缸物料的温度升高。5） 高炉喷吹煤粉后，料柱的阻损增加，压差升高。喷吹煤粉后，由炉缸上升的煤气主要由三部分组成：风口前焦炭中碳燃烧形成的煤气，喷吹煤粉燃烧形成的煤气，直接还原形成的煤气。随着喷吹量的增加，喷吹煤粉燃烧形成的煤气增大，而其它两项则降低。生产实践和理论计算表明喷吹煤粉燃烧形成的煤气的增加总是超过其它两项的减少，最终炉顶煤气量总是有所增加。同时，单位生铁的焦炭消耗量降低，料柱中的矿/焦比值增大，炉内料柱中透气性好的焦炭量减少，则造成料柱透
36、气性变差。所以煤气上升的阻力增加，其表现为高炉压差增加，炉身温度和炉顶温度略有升高。喷吹无烟煤时，由于煤气量增加的幅度比较少，炉身和炉顶温度升高的幅度比较低。6）高炉喷吹煤粉后，间接还原发展而直接还原降低。喷吹煤粉以后，改变了高炉燃料结构，进而改变了铁氧化物还原和碳气化条件，有利于间接还原的发展和直接还原度的降低。其主要原因有：（1）煤气中还原性气体（CO+H2）的浓度增加，N2含量降低。（2）H2的数量和浓度显著提高，而H2较CO在还原热力学和动力学方面均占一定的优势。（3）高炉内的温度场发生变化，焦炭与CO2发生反应的直接还原区域温度降低，而上部的间接还原区域温度升高。（4）焦比降低减少了
37、焦炭与CO2反应的表面积，降低了直接还原反应的反应速度。1.2.3 高炉喷煤对煤的性能的要求高炉喷吹用煤应能满足高炉冶炼工艺要求和对提高喷吹量和置换比有利，以便代替更多的焦炭20-25。1） 煤的灰分越低越好，灰分含量应与使用的焦炭灰分相同，一般要求A15%。2） 硫含量越低越好，煤的含硫量应与使用的焦炭含硫量相同，一般要求S1.0%3） 胶质层越薄越好，Y10mm，以免在喷吹过程中结焦，堵塞喷枪和风口影响喷吹和高炉正常生产。4） 煤的可磨性好，高炉喷煤需要将煤磨到一定细度，例如-200目达到65%85%，可磨性好，则制粉消耗的电能就少，可降低喷吹费用。5） 煤的燃烧性能好，即其着火温度低，反
38、应性强等，这可以使喷入高炉的煤粉能在有限空间和时间内尽可能多的气化，少量未及气化的煤粉也因反应性好而与高炉煤气中的反应而气化，不给高炉冶炼带来麻烦。另外燃烧性能好的煤也可以磨得细一些，即-200目占的比例少一些，这位降低磨煤能耗和费用提供了条件。6） 煤的发热值越高越好，喷入高炉的煤粉是以其放出的热量和形成的还原剂来代替焦炭在高炉内提供热源和还原剂。因此煤的发热值越高，在高炉内放出的热量越多，置换出的焦炭量也越多。1.2.4 提高喷煤量的限制因素高炉所能承受的最高喷煤量称为极限喷煤量，高炉喷吹煤粉量受理论燃烧温度、氧的过剩系数、热流比等因素的制约，也与煤粉燃烧速度、煤粉的质量有关26-30。增
39、大喷煤量对高炉冶炼带来的有利影响：1）. 提高矿石熔融前的还原度；2）. 发展了高炉中心气流，使炉缸活跃区扩大。因此，提高喷煤量使得高炉操作容易，对顺行有利，提高生铁质量。但是，增大喷煤量后，不利因素随之而来。焦炭在炉料中的比例降低，焦炭负荷增大，在炉内滞留时间延长，碳的溶损提高，破损率显著增加，使得炉料透气性变差，接风量能力降低，高炉操作变得越来越困难。骨架作用受到严峻挑战，而它的骨架用是必须存在的，因此进一步提高喷煤比受到限制。为保证料柱最必要的透气、透液性，要求焦炭高温强度应越高。从这个角度看，焦炭高温强度可认为是喷煤极限和最低焦比的限制性因素之一。1.3 高炉焦炭与喷煤之间的相互关系1
40、.3.1 高炉喷煤对焦炭强度的要求未燃煤粉的反应性远大于焦炭的反应性,高炉喷吹高反应性煤并没有改变焦炭与2的反应能力,但可减少焦炭与2反应的机会,从而可减少焦炭的熔损反应,提高焦炭的反应后强度。高炉大型化和大喷煤工艺对焦炭质量提出了更高要求，随着高炉喷煤量的增加，要求焦炭抗碎性能和耐磨性能较好，在高炉下部仍能保持较低的反应性(CRI)和较高的反应后强度(CSR)，因此焦炭的冷、热强度一直是人们关注的焦点之一30-31。焦炭强度分为冷态强度和热态强度。为保证高炉操作顺行，焦炭必须有足够的高温强度，喷吹煤粉时，对焦炭高温强度要求更高。因为焦炭在高炉中不仅受到料柱压力、物料之间相互摩擦等破坏作用，而
41、且受到热破坏及化学侵蚀作用。焦炭中的细裂纹在应力作用下会扩展，使焦炭碎裂形成小块焦，这种小块焦进入风口回旋区进一步碎裂粉化，严重影响高炉操作36。焦炭冷态强度在一定程度上反映焦炭中裂纹的多少。高炉生产要求焦炭的耐磨强度(M40)要高、抗碎强度(M10)要低，反应后强度(CSR)要高、反应性(CRI)要低，且应适当控制有害成分。M40和M10是反映焦炭冷态性能的重要指标。焦炭有较高的M40和较低的M10，有利于提高炉内块状带的透气性，改善炉况的顺行程度。焦炭的反应性及反应后强度是评价焦炭高温性能的重要指标，高炉生产中焦炭的熔损反应是在与未燃煤粉共存的情况下进行的，而且，随着高炉喷煤量的增加，风口
42、区未燃煤粉的数量呈升高趋势。目前由于高炉冶炼的强化以及炼焦炉老化和主焦煤资源的匮乏，各企业外购焦数量不断增加，焦炭质量不稳定的情况日益突出。焦炭成分、含水量、灰分、粒度等的变化将导致炉况波动，致使焦比上升，从而影响喷煤比的提高。因此，企业应根据高炉冶炼的需要制定严格的焦炭采购和生产标准，提高焦炭的高温强度，降低反应性，减少入炉焦炭灰分和含硫量。还应指出，要特别注意焦炭中K2O、Na2O的含量和入炉总量，它们是破坏焦炭及炉况的重要物质。一般要求入炉焦炭中K2O的含量应小于3%，Na2O含量应小于1.0%1.5%，入炉总量控制在2.02.5kg/t（大高炉) 22。另外，在高煤比条件下，作为软熔带
43、区域，透气焦窗随着焦批的减小而变窄，焦炭作为料柱骨架保证渗透性的作用更加突出37。高炉冶炼的实践证明，焦炭灰分每增加1%，焦比升高2%，高炉产量下降3%。通过优化焦化配煤工艺，灰分得到控制，焦炭转鼓强度得到提高，焦炭灰分基本上控制在12.75%以下，而M40最好为78%81%，M10为7.1%7.8%，硫分小于0.5%，另外水分控制在1.5%以下，对于保证焦炭的骨架作用，提高喷煤比至关重要。1.3.2失碳率与煤比之间的关系焦炭中的碳素消耗可分为两种类型38-40。第一种类型是风口前的燃烧消耗。这种消耗对料柱中的焦炭强度基本没有影响。第二种类型是非燃烧消耗，主要是直接还原和渗碳反应对碳素的消耗。
44、碳素的非燃烧消耗可在焦块表面和内部同时进行。一般，表面处的反应条件较优，失碳率大一些。内部反应条件较差，失碳率也相应较小。发生于表面的碳素损失对焦炭强度影响较小，但可造成焦炭粒度的减小。发生于内部的碳素损失不会影响焦炭的粒度，但可能严重影响焦炭强度。焦炭失碳率随着煤比的增加而升高。当煤比由0增加到300kg时，失碳率则由25%增到50%，如图2所示。504540353025050100150200250300Lc /%C /kgt-1 图2失碳率与煤比（rc=1）的关系Fig.2 Relationship between carbon loss rate of coke and coal ra
45、te高炉生产和工业试验结果表明，未燃煤粉在高炉内可得到相当充分的利用。在此前提下，如果煤粉燃烧率降低到一定水平，失碳率将随着煤比的升高而降低。但是在较高的煤粉燃烧率条件下，失碳率则随着煤比的升高而升高。在目前的条件下，燃烧率为0.72时失碳率为一定值。在燃烧率为0.5的现场条件下，焦炭强度应该增加。但实际上由风口试验测得：在高煤比条件下，焦炭尺寸却降低了。鉴于这种情况，有两种解释。其一，焦炭强度不能抵消由于焦炭负荷发生变化而带来的影响。另一种是实际的燃烧率大于0.5。如果是第一种原因造成的，则降低喷煤比以降低失碳率是唯一的优化操作参数和高炉顺行的办法。如果是第二种情况，降低煤粉燃烧率是保护焦炭
46、强度的有效方法。控制煤粉燃烧率的有效参数是喷吹煤粉粒度，大粒度的煤粉不仅降低了煤粉的燃烧率，而且降低了生产成本。因而要有一个合适的煤粉燃烧率。对这个合适的煤粉燃烧率来说，焦炭失碳率和焦炭负荷是两个非常重要的直接影响参数。在一定的焦比情况下，焦炭负荷是个非可控参数，而焦炭失碳率也没有一个可循的标准，用风口前的焦炭碳负荷为标准并记为Bc。定义风口前焦炭碳量的倒数为焦炭碳负荷40-43： （1）式（1）中：焦炭中固定碳的含量，kg；风口以上的碳素消耗，kgt-1（大约110kg）；Ce煤粉中的有效碳消耗（在风口区以上代替焦炭的那部分煤粉中的碳），kg；K焦比，kgt-1。定义式的含义是焦炭到达风口时所含碳量的倒数。表1给出了BC，C（煤比）和rc（煤粉燃烧率）在如下条件下的关系。K：466kgt-1；：72%；置换比：0.85。表1 不同煤比和燃烧率条件下的碳负荷参数Crc0501001502002503003504000.20.003500.003590.003690.003790.003900.004030.00416