高炉富氢冶炼后焦炭的性能演变研究现状及展望

在国家提出“碳达峰”和“碳中和”的背景下，钢铁企业的绿色改革迫在眉睫。钢铁企业的化石燃料消耗和CO₂排放主要来源于高炉炼铁工序，高炉富氢冶炼技术可以有效降低高炉焦炭消耗和CO₂排放，高炉内H₂体积分数的增加将使焦炭的性能演变过程发生较大变化，因此，探索这一变化过程对高炉生产的稳定顺行和节能减排尤为重要。综述了高炉富氢后对焦炭的气化反应、微观结构以及软熔带渣铁-焦界面熔蚀过程影响的研究现状。与传统高炉不同，高炉富氢冶炼加大了低温区焦炭的气化反应失重率，但是高温条件下焦炭的气化过程主要发生在表面，这抑制了高温区焦炭反应后强度的降低；高炉软熔带渣铁对焦炭的侵蚀减少，同时焦炭表层灰分质量分数较大，阻碍了渗碳反应的发生。在此基础上对需要进一步深入研究的问题进行了展望，为富氢高炉生产以及焦炭的选择提供参考。     

武钢高炉直接还原度及碳熔损率的计算与分析

对武钢7座高炉的直接还原度、碳熔损量、焦炭起始反应温度进行了研究,结果表明:武钢高炉直接还原度偏高且波动范围宽,为了降低焦比,需要发展间接还原;高炉碳熔损量在20%~25%之间,为了能够更加准确地指导高炉生产,需要进行恒定反应性的焦炭热性能实验;随着直接还原度降低,高炉煤气利用率呈线性升高,焦比呈线性降低;焦炭的起始反应温度受配煤比、工艺条件、炉型等因素的影响,其中工艺条件的影响最大。     

解剖高炉中不同部位焦炭性质变化的研究

文中叙述了高炉中不同部位焦炭性质的变化,特别是炉身下部、软熔层附近、风口区等部位焦炭.通过比较,可以肯定CO_2溶碳反应比热力和机械作用对焦炭性质的恶化起更重要的影响.要判明高炉中焦炭准确的溶碳失重是困难的,但可以根据焦炭固定碳含量和必要校正来估计碳素失重率.这一估计值对焦炭块度减小、强度降低、碱金属含量和气孔增大等性质都有良好的相关,这可做为分析焦炭性质恶化机理的参考.作者认为,使焦炭在CO_2反应到一定程度后仍具有块度与强度较高的稳定性,将是良好的高炉焦炭必要条件,这可以通过炼焦工艺的改进来达到.     

焦炭熔损反应中烟气硫组分及含量的研究

结合安钢自产顶装焦及外购捣固焦,依据两者在气孔率与气孔结构等方面的差异,研究焦炭在不同温度条件下熔损反应析出硫组分及含量变化。在此基础上,模拟焦炭在高炉内的行为变化,探索含铁炉料、白云石对硫组分的溶解吸附效果,同时结合现有烧结、焦化工序的脱硫工艺,试验研究焦炭熔损反应过程中活性炭对烟气中有机形态硫的吸附效果,为实施高炉煤气净化、降低煤气中硫含量提供技术支撑。     

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。     

软熔带焦炭碳素熔损反应数值模拟

采用商业软件Fluent对软熔带焦炭熔损反应进行了数值模拟,阐明了影响焦炭反应速率的主要因素,分析得到以下结论:焦炭反应速率随着焦炭粒度的增大而减小,随着入口气体速度的增大而减小;焦炭反应速率随着温度的增加而增加,随着CO2体积分数的增加呈线性关系增加.     

焦炭高温熔损率与微观结构的演化行为研究

为了研究焦炭的微观组织在高炉软熔带的变化规律，利用高温热重分析仪对焦炭进行了不同温度下固定熔损率的气化实验，采用X射线衍射仪技术、低温氮气吸附法研究分析了微观结构的变化。结果表明，相同反应温度下，层片间距d₀₀₂均随熔损率的增加逐渐减小，堆积高度Lc、微晶尺寸La、片层数N、芳香碳层的芳环个数n及石墨化度r₀均随着熔损率的增加而增加；在较低温度下气化反应与有序化进程对焦炭孔径的作用主要是新增微孔数量以及扩大微孔孔径，而在较高温度下则主要是气孔的相互贯通形成大孔以及孔坍塌；微孔在熔损后扩大为上一级孔，总孔容下降，比表面积下降。     

碱金属对焦炭气化反应的催化作用及其对铁氧化物还原的影响

为模拟高炉特点研究碱金属对焦炭气化反应的催化作用,在400～1450℃连续长温条件下,通入N_2和CO_2混合气,对弱粘结煤焦炭与强粘结煤焦炭进行了增碱焦和原焦的气化反应对比实验。结果表明,在本实验条件下,增碱焦的气化反应开始温度比原焦降低100℃左右。反应气体中CO_2消失温度(即反应激烈进行温度)降低约200℃。同时发现,强粘结煤焦炭的气化反应开始温度比弱粘结煤焦炭的约高50～100℃。而反应激烈进行温度相差不大。结合实验结果,本文还初步分析了气化反应开始温度与CO_2消失温度的降低对铁氧化物还原的影响。     

焦炭反应性对高炉块状带含铁炉料还原的影响

研究了五种具有不同反应性的焦炭对高炉块状带含铁炉料还原的影响规律,并对料层的压差、CO体积分数以及含铁炉料的还原程度进行了分析.当炉内通入的原始气体中CO体积分数(仅考虑CO和CO₂)为72.22%时,随着焦炭反应性的增强,焦炭气化速率加快,含铁炉料颗粒周围的CO体积分数升高,含铁炉料的还原度依次增高,还原度从使用低活性焦炭时的33.18%增大到使用高活性焦炭时的53.83%;而当原始气体成分中CO体积分数为66.67%时(低于900℃还原FeO的平衡气相体积分数),使用高反应性焦炭也可还原出金属铁.由此可见,适当增加入炉焦炭的反应性,可促进焦炭与含铁炉料间的耦合反应,提升料层CO体积分数,提高含铁炉料进入软熔带区域的金属化率.      

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。     

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。     

球团配加镁质熔剂及新型皂土试验

为生产含MgO的镁质球团用来替代烧结矿中MgO,确保高炉造渣所需的适宜的MgO质量分数,考察了在球团生产中添加一种新型球团黏结剂(新型皂土)和一种氧化镁质熔剂(镁石粉)时,对造球焙烧及球团矿冶金性能的影响。试验结果表明,镁质球团生球落下强度有所提高,350℃时未发生爆裂。配加新型皂土可提高球团品位,降低Si O2质量分数。镁质球团的低温还原粉化指标和体积膨胀率指标均有所改善。而且,软化温度升高,软化温度区间变窄,有利于软熔带由高炉上部往下部移动,改善高炉透气性。在保证综合入炉铁料MgO质量分数不变的条件下,当烧结矿自然带入的MgO质量分数为1.2%时,球团矿中的MgO质量分数大于1.90%,可满足高炉要求。     

煅烧预处理对胶态成型用BeO粉体性能的影响

获得低粘度、高固相体积分数粉体悬浮液是陶瓷胶态成型的前提条件。为了提高BeO粉体悬浮液的固相体积分数,采用煅烧手段预处理粉体,研究煅烧温度(1 200～1500℃)和煅烧时间(1～4 h)对BeO粉体粒度、比表面积和烧结活性的影响规律,并研究相同固相体积分数(40%)条件下,煅烧对BeO悬浮液粘度的影响。结果表明:在煅烧过程中,粉体颗粒发生长大,比表面积和烧结活性均降低,温度的影响明显大于时间,且煅烧时间低于2h时影响不大,煅烧温度高于1 300℃后粉体相关性能大幅下降;煅烧降低粉体比表面积,除去表面的水分等吸附物质,改善BeO粉体的表面性质,因此在相同固相体积分数(40%)条件下,粉体悬浮液的流动性能得到改善,从而煅烧可提高悬浮液的固相体积分数。     

高钛型钒钛磁铁矿冶炼条件下焦炭在高炉内的性能变化

对取自现场的人炉焦和风口焦进行了受热力作用、碳素溶损、矿物质侵入（TiO2、碱金属）、渣铁侵蚀等方面的研究,基本弄清了在高钛型钒钛磁铁矿冶炼条件下,焦炭在高炉内的蚀损情况。研究结果表明：随着炉料中碱负荷的增加,焦炭的反应性升高、反应后强度降低;在钒钛磁铁矿冶炼条件下,高炉内焦炭的开始反应温度平均为862℃,焦炭剧烈反应温度平均为1266℃;焦炭的气化反应仍为主要蚀损,渣铁中TiO2的存在对焦炭有一定的保护作用。     

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。     

关于高炉内焦炭粉化机理的某些研究

本文是以名古屋1~#高炉解体调查的结果为基础,对大型高炉内焦炭粒度缩小进行了研究。这些研究结果表明:1)高炉内焦炭粒度缩小受与CO_2反应温度的影响最大;2)在1000℃时,开始有部分焦炭溶解,致使焦炭强度下降,到1400℃时,焦炭粒度并没有改变,但是超过1400℃时,焦炭粒度急剧缩小;3)在炉身下部和风口回旋区附近产生了焦末沉积,这是由于鼓风动能的作用而引起焦炭不断运动的结果;4)增加焦炭中碱金属的含量(本研究中最高达5％)并不降低焦炭强度。 此外,对新日铁已解体调查的不同容积的高炉及这些高炉内的焦炭粒度变化之间的关系进行了研究,并指出了大型高炉比小型高炉焦炭粒度减少的比率更大,焦炭粒度缩小的状况更为剧烈。     

高炉喷吹煤气工艺中炉顶煤气循环的变化规律

高炉喷煤新技术结合了高炉和造气炉的传统工艺,通过炉顶煤气循环,实现了炉顶煤气的合理利用。结果表明,随着循环时间的增加,所需煤量增多,造气炉煤气中H_2和CO体积分数升高,高炉中总热收入和热量收支差降低;炉顶煤气中H_2和CO体积分数升高,N_2和CO_2体积分数降低,且随着煤气循环,最终达到气体成分基本不变,保证了高炉的最佳运行状态。     

高炉入炉焦/风口焦微观结构与气化反应性对比

以同一座高炉2次休风所取的入炉焦和风口焦为研究对象,采用XRD、SEM-EDS、N_2吸附、热分析等方法比较分析不同样品的碳化学结构、碱金属富集程度、孔隙结构、CO_2气化反应性,探究了焦炭在高炉中反应性变化程度和影响因素。结果表明:风口焦炭与入炉焦炭相比,气化反应性显著升高,比表面积增大,碳结构有序化程度升高,碱金属含量提高;金属钾在风口焦炭边部的存在形式以可溶性盐为主,在焦炭内部以钾霞石为主;入炉焦各部位差异较小,而风口焦边部、中部、芯部的气化反应性和结构性质存在显著差异,表明其各部位在高炉中所经历的气化反应过程不同;风口焦中碱金属含量为影响气化反应性的最主要因素,次要影响因素为碳化学结构和孔隙结构。     

富氢气氛下不同含铁炉料的还原行为

 高炉低碳富氢冶炼技术如高炉喷吹煤粉、富氢燃料等会导致炉内炉腹煤气中氢气体积分数增加,为探究富氢对高炉上部炉料的影响,对富氢条件下不同含铁炉料的还原行为进行了试验研究。粉化试验结果表明,在20%H₂(体积分数)条件下,块矿和烧结矿的粉化率明显改善,RDI_{>3.15 mm}分别增加了11.08%和30.23%,同时富氢条件有利于含铁炉料粒度的均匀化。还原试验结果表明,在CO体积分数不变、改变H₂加入量条件下,球团矿和烧结矿还原度最高时的H₂体积分数为25%,块矿H₂体积分数则为10%。在保持(CO+H₂)体积分数30%不变、改变H₂加入量时,当H₂体积分数超过20%时,各含铁炉料的还原度均超过90%。扫描电镜分析结果表明,还原后的块矿明显生成渣相和铁相,球团矿出现良好的赤铁矿和磁铁矿相,烧结矿则呈“针状铁酸钙相-磁铁矿相-铁相”分层现象。     

八钢C高炉配加粒钢工业试验

对八钢C高炉配加粒钢工业试验进行了总结。在高炉炉料结构中适当配加粒钢,有利于提高高炉上部的金属化率,降低直接还原度,抑制焦炭熔损反应,保护焦炭的骨架作用,在不影响炼铁生产正常进行的同时,达到增产节焦效果。