矿焦耦合冶金性能试验及评价方法

铁矿石和焦炭在高炉内各区域的反应及特性是影响高炉炼铁效率和产量的重要因素,准确评价矿焦质量备受炼铁工作者关注。评价矿或焦冶金性能的试验方法及指标迅速发展,且部分方法已标准化,包括铁矿石软熔性能和焦炭反应性及反应后强度的试验方法等被钢铁企业广泛采用。然而,通过现有评价矿或焦冶金性能的方法及指标推算高炉技术经济指标尚存难度。原因可能在于没有充分模拟矿焦在高炉中历经还原、溶损、软化-熔融全过程的相互作用,无法对矿焦关联行为及特性进行赋值并构建评价矿焦相互作用的指标体系。因此,提出了采用焦-矿-焦分层试料,模拟矿焦在高炉内还原、溶损、软化和熔融之间关联行为及特性的荷重-热重-气体分析联动试验装置,进行矿焦耦合性能试验及评价的方法(Qisunny法)。变矿或变焦试料的试验结果表明,矿焦耦合冶金性能按间接还原区、间接还原和直接还原及软化区、熔融直接还原和滴落直接还原4个区域依次演变;性能评价指标包括各区域的温度及区间、间接和直接还原度、总间接还原度、熔融区透气性特征值、上层焦炭溶损率及溶损后强度等;焦炭的溶损反应主要发生在熔融区,上层焦炭溶损率与传统指标焦炭反应性指数相近,但其反应后强度明显高于传...     

焦炭溶损对高炉冶炼的影响和焦炭高温性能讨论

分析了焦炭反应性CRI和反应后强度CSR指标相差很大的焦炭在国内外高炉能够使用的原因。通过焦炭溶损反应对高炉还原、热交换和焦炭溶损劣化的作用分析,提出了一些焦炭热性质及其质量指标,供高炉操作和炼焦配煤参考。     

高反应性焦炭与高炉低成本操作

高反应性高强度焦炭可以通过降低高炉热储备区温度,促进高炉内铁氧化物的还原,达到降低高炉炼铁燃料消耗并减少CO_2排放的目的。总结了国内外关于高反应性焦炭生产制备、性能评价以及进行高炉冶炼实践的现状,提出了高反应性焦炭需要开展的研究方向,根据资源和环境的需要选择适宜的配煤添加剂,以及焦炭在高炉内溶损反应的特点正确评价高反应性焦炭的性能。     

高炉内焦炭劣化因素的研究进展

焦炭以其坚硬的质地、多孔的结构和较高的发热量等特性在高炉冶炼过程中发挥着不可替代的骨架作用以及供热、还原、渗碳等重要功能。但焦炭在高炉内多种因素(热应力、机械作用、碱金属侵蚀、溶损反应等)作用下会发生劣化，使其质量降低。焦炭抵抗劣化的能力对高炉的稳定顺行及其产品质量、技术经济指标和寿命等具有重大影响。因此，亟需深入探索高炉内造成焦炭劣化的因素，从而制备出符合高炉冶炼需求的焦炭。综述了高炉内热应力、机械磨损、碱金属侵蚀、溶损反应等劣化因素对焦炭宏观性能、孔隙和微晶结构的影响。同时提出亟需利用宏观和微观相结合的方法，完整模拟高炉内焦炭实际劣化过程，建立适合现代高炉炼铁的各类焦炭的质量评价指标，为高炉高效稳定冶炼提供参考。     

焦炭溶损反应起始温度对高炉碳素消耗的影响

利用生产高炉冶炼参数,计算得到不同焦炭溶损反应起始温度下的高炉操作线,分析了焦炭溶损反应起始温度对高炉冶炼和技术经济指标的影响。结果表明：焦炭溶损反应起始温度对高炉操作参数有显著影响。随着焦炭溶损反应起始温度的降低,高炉还原剂消耗降低,炉顶煤气利用率提高,直接还原度降低。     

气体非等摩尔扩散对焦炭溶损反应的影响

焦炭作为重要的炼铁原料,其热态性能的优劣备受关注.而同一种焦炭使用不同热性质评价体系(CRI、CSR、CRR25、CSR25)得到的结果可能完全不同,根源在于对焦炭溶损反应机理的认知不够深入全面.焦炭发生溶损反应过程中,气体非等摩尔扩散这一因素常常被忽略,导致对焦炭溶损反应机理的认知出现偏差.为了能够更加清晰全面地了解...     

焦炭热性质影响因素分析研究

焦炭与CO2的溶损反应是焦炭在高炉下部粉化的根本原因，其反应性和反应后强度是焦炭热性质的重要指标。影响焦炭热性质的主要因素是煤的变质程度、粘结性、灰分以及煤中矿物质等。除此以外，炼焦工艺条件及焦炭的微观结构类型也对焦炭热性质产生影响。目前国内外大型钢铁联合企业都根据自己的实际情况选择控制焦炭热性质的方法，建立热性质预测模型，从而准确控制焦炭热性质。     

焦炭反应指数和溶损反应起始温度的测量方法研究

通过热重试验对不同焦炭的反应性指数及溶损反应起始温度进行了检测,根据焦炭溶损反应起始温度与焦炭反应性指数之间关系的分析,提出了一种通过焦炭溶损反应起始温度来评价焦炭高温性能的新方法,并与国标焦炭热反应性指数的试验方法和结果进行了对比,新方法具有操作方便、结果准确可靠的优点.     

铁氧化物对焦炭溶损反应的影响

焦炭溶损反应对焦炭性能有着重要的影响,是决定高炉焦比高低的关键.通过添加催化剂和吸附催化剂的方法向实验室自制焦炭上负载铁氧化物,并对含铁焦样进行了焦炭溶损反应实验、XRD检测、SEM扫描电镜及图像分析.研究结果表明,铁氧化物对焦炭溶损反应具有明显的催化作用,铁氧化物会使焦炭反应性指数升高,溶损反应开始温度降低,同时分析了焦炭中负载铁氧化物后气孔率的变化、金属铁及其氧化物的分布规律及赋存状态.     

焦炭与烧结矿在耦合反应过程中的溶损特性

为了研究高炉冶炼中焦炭的溶损行为,选用2种不同反应性的焦炭考察焦炭与烧结矿在不同温度下的耦合反应,研究不同温度下焦炭溶损与烧结矿还原的关系。研究结果表明,焦炭溶损和烧结矿还原的耦合反应随着反应温度的升高逐渐加剧,且焦炭反应性提高有利于烧结矿的还原。焦炭溶损率与烧结矿还原度呈正线性相关性,焦炭反应性(CRI)与拟合曲线的斜率k呈反比,而与截距b呈正比,截距可以表征焦炭对烧结矿的初始还原能力。耦合反应后焦炭的光学各向异性指数OTI增大、平均孔径和气孔率大幅增大,反应性较大的焦炭易于在焦炭表面溶损,反应后的孔径较大;而反应性较小的焦炭在反应过程中CO₂气体易于扩散至焦炭内部均匀溶蚀各级气孔。     

富碱焦炭在不同反应条件下的溶损劣化模式

采用高温热还原法制取K、Na蒸汽,并对四种工业焦炭进行了K、Na蒸汽吸附,对富碱焦炭进行了1 100℃恒温和模拟高炉温度制度下的溶损反应劣化研究,分析了碱金属对焦炭溶损反应速率和反应后强度的影响。结果表明,未富碱焦炭的溶损反应率随着温度的升高而加快,CSR_(25%)随反应温度的升高呈现先减小后增大的规律,溶损反应模式为低温均匀反应模式+中温协同模式+高温反应核模式;1 100℃恒温下富碱焦炭的CSR_(25%)都在未富碱焦炭的劣化模式范围内,且K、Na协同富碱焦炭劣化程度最严重;模拟高炉温度制度下富碱焦炭的溶损劣化强度明显高于1 100℃恒温下的富碱焦炭。     

不同温度溶损反应后焦炭的热性质

研究了4种不同热态性能的工业焦炭在不同温度(900℃、1 000℃、1 100℃、1 200℃)溶损反应后的热性质。研究结果表明:焦炭PRI与CRI指标具有相关性,CRI越大,PRI越高,但对于高反应性焦炭(CRI35%),高温PRI反而相对较低;多温度点测得焦炭热性能指标能够更加准确地反映焦炭的综合热性质的差异;碳素溶损率超过30%后,焦炭的溶损劣化趋势加剧,焦炭结构强度迅速降低。     

焦炭在高炉中热态性能评价指标初探

对焦炭在高炉中热态性能评价指标进行了研究探索,得出了焦炭反应性、反应后强度、光学组织指数,可以反应焦炭在高炉中热态性质。为焦化厂提供了预测和提高焦炭质量的分析方法。     

捣固焦技术的研究进展

捣固焦在经济性、焦炭传统质量指标方面具有优势，但在高炉实际应用效果上存在一定争议。综述了捣固焦的优势与存在的问题，对比了捣固焦与顶装焦的差异，总结了现有研究的不足。认为，捣固工艺能够扩充煤种数量，改善焦炭的质量指标；部分企业无法制定出符合高炉生产的捣固焦操作制度，导致高炉炼铁时捣固焦溶损反应后，强度下降程度明显高于顶装焦；与传统热态强度指标相近的顶装焦相比，捣固焦受高炉冶炼温度变化及碱金属富集的影响，结构破坏更为严重；捣固焦微观结构中存在“盲肠状”气孔，光学组织中镶嵌结构体积分数较低，微晶结构中无序微晶较多，可能造成溶损反应后劣化程度远大于顶装焦的结果；捣固焦未能普遍应用于大型高炉的原因还需要深入探索，现有的焦炭质量评价方法也存在一定的局限性。因此，评价捣固焦质量时充分考虑温度及碱金属的影响，同时使用不同方法对捣固焦的微观结构深入分析，还需要继续探索捣固焦在大高炉成功应用的操作制度，降低生产成本。     

利用高含碳金属化团块实现高炉炼铁的节焦

高炉炼铁是主要的铁水生产工艺,低焦比炼铁一直是高炉节能的重要指标。研究了高含碳金属化团块在高炉中的应用,以达到节约焦炭的目的。利用超细氧化铁粉和非焦煤煤粉为原料在管式加热炉中通过直接还原制备了碳质量分数为15.6%的高含碳金属化团块;在模拟高炉环境的条件下,考察了团块质量变化、团块部分反应后抗碎强度变化和团块微观结构变化;利用自制的热重装置考察了团块内碳的气化动力学;以试验结果为基础,结合高炉数学模型,对利用高含碳金属化团块实现高炉炼铁节约焦炭的效果进行了定量分析。试验结果表明,在高炉环境下,团块部分反应后抗碎强度可以保持在1 200N/个以上,团块的反应主要为碳溶损反应,且团块有较高的CO₂反应性。对2 500m³高炉的模拟结果表明,在高炉的含铁炉料层中添加质量分数为5%的高含碳金属化团块,生产率可以提高419t/d,生产1t铁水可以节约焦炭11.3kg,且高炉的操作参数不需要进行调整。     

高炉焦炭微观结构演变的多尺度表征及应用

 焦炭是高炉冶炼的重要原料,其微观结构演变的多尺度表征对焦炭质量的合理评价和高炉顺行起着至关重要的作用。溶损过程中,焦炭多孔结构内部会产生不同程度的劣化梯度,这对焦炭行为会产生十分重要的影响,但目前的焦炭评价体系并未能考虑到这一因素。以反应速率常数k_rea和扩散系数D_eff的比值(k_rea/D_eff)表征溶损反应对焦炭空间结构劣化的影响,可为进一步准确表征和预测焦炭内部的劣化梯度从而优化焦炭质量提供基础。对不同粒级尺度的焦炭进行了高温溶损试验,并研究了溶损过程中焦炭的基质反应特性和孔结构演变特征。通过傅里叶变换红外光谱、光学显微镜、SEM-EDS和BET比表面积孔径分布仪对不同溶损焦炭的成分、孔结构参数等进行了分析。结果表明,随着焦炭溶损程度的加深,矿物质在焦炭表面逐渐析出,并对溶损过程起到一定的催化作用,导致反应活化能Ea降低、k_rea增大;此时焦炭内部的微孔扩大并合并成中孔和大孔,CO₂分子的扩散路径减少,扩散活化能E_D降低、D_eff逐渐增大。进入溶损反应中后期,焦炭中的活性组分被大量消耗,且其内部的灰分大量析出,使得反应活化能Ea升高、k_rea减小;而焦炭内部的大孔数量也进一步增加,多孔结构的曲折度大幅降低,使得扩散活化能E_D继续降低、D_eff增大。通过研究焦炭k_rea/D_eff发现,随着溶损程度增加,k_rea/D_eff呈快速减小的趋势。且k_rea/D_eff越大,焦炭内部的劣化梯度越大,容易从焦炭表面产生焦粉,不利于高炉实际生产。因此,在降低焦炭溶损率或反应后强度CSR的基础上,控制k_rea/D_eff在合理范围内是进一步提高焦炭质量的有效措施。     

技术信息

中国金属学会高炉炼铁用焦炭质量技术研讨会会讯随着我国高炉大型化和喷煤比的提高,炼铁生产对冶金焦质量提出了新的更高的要求,而高质量焦炭的生产受到资源、技术和经济因素等方面的制约。为科学合理地协调炼铁与焦化生产与使用高质量焦炭的各种技术与经济方面的问题,促进我国焦炭和炼铁生产技术的进步,中国金属学会定于2007年7月下旬召开高炉炼铁用焦炭质量技术研讨会。研讨会将涉及以下内容:高炉大型化和高煤比条件下,高炉炼铁对焦炭质量的技术要求探讨;焦炭在高炉内的行为和作用机理研究;提高焦炭质量的新技术措施;煤炭资源对焦炭质量的…     

捣固焦炭内在质量及等反应后强度指标

 为了研究捣固焦炭对大高炉的适应性,在1050～1200℃使用焦炭连续热反应装置对A类顶装焦、B类捣固焦、C类捣固焦3类焦炭进行等温等反应的溶损反应。当焦炭的失重率分别达到30%,35%,40%时,停止反应,通过I型转鼓检测焦炭的反应后强度。结果表明：捣固处理在一定程度上可以改善焦炭的热态性质;在1100～1150℃时焦炭强度破坏程度最严重;等反应后强度与国家标准CSR存在差异性。     

高温热处理对焦炭基质溶损反应性与微观结构影响

为探究高炉高温区域焦炭劣化机制，采用热分析法研究高温热处理对焦炭基质溶损反应的影响，并采用N₂吸附、XRD、Raman光谱等方法探究了焦炭在高温条件下微观结构的演变规律。结果表明：经高温热处理后，焦炭溶损反应速率整体降低，特征反应速率最低值对应的热处理温度为1 300～1 400℃;焦炭微晶堆垛高度增大，芳香片层间距降低，结合Raman光谱特征参数推测焦炭多环芳香结构向石墨化结构转变；焦炭的孔容积和平均孔径先降低后升高，孔隙结构剧烈变化温度与焦炭中矿物质熔融反应温度及反应性转变温度重叠度较高。推测认为升温条件下焦炭中矿物质/碳基质化学反应与物理聚集/运动作用促使焦炭孔隙堵塞与再次开放，造成了焦炭基质特征溶损反应速率出现上述波动。     

高炉内添加半焦对料柱熔滴特性及焦炭溶损的影响

随着“碳达峰”“碳中和”政策的推进，钢铁企业面临着超低碳排放的压力，降低焦炭消耗是实现高炉低碳冶炼的重要举措之一，半焦具有与焦炭相近的理化性质，且能满足高炉炼铁的基本需要，可作为焦炭的替代品。模拟高炉实际工况对添加半焦后的炉料进行了熔滴特性及焦炭溶损程度的相关研究，进而探讨半焦替代焦炭用于高炉炼铁的可行性。结果表明，矿焦混装比未混装时的熔滴性能更优，当添加半焦比例从30%降低到10%时，熔滴特征值S由774 kPa·℃下降至597 kPa·℃,最大压差ΔP_MAX由13.66 kPa降低到11.79 kPa,软化区间变宽且位置下降，熔融区间收窄变小，软熔区间大小和位置逐渐接近于混装焦炭时的情况，料柱的透气性良好；添加半焦后的熔滴物相中渣相成分更为稳定，且Fe的还原度更高；添加半焦能够在一定程度上减小焦炭的孔隙率，降低焦炭的溶损程度，对焦炭起到良好的保护作用，改善料柱的透气性。本研究证明半焦替代冶金焦炭有效可行，为高炉使用半焦提供理论基础和技术指导。