碱金属对高炉焦炭结构及性能的影响

焦炭在高炉冶炼过程中发挥着重要作用,高炉的大型化发展以及冶炼强度的提高对焦炭的质量提出了更高的标准,高炉入炉原料中的碱金属对焦炭的结构和冶金性能均有显著影响,为了保证高炉稳定顺行,有必要清晰了解焦炭在高炉冶炼过程中的劣化机制,并采取合理的焦炭质量控制措施。本研究采用气相吸附法考察了碱金属钾和钠对焦炭结构及性能的影响,对焦炭的基础性能检测分析,并采用工业计算机断层扫描（CT）观察焦炭的裂纹及气孔等微观结构。结果表明,钾蒸气对焦炭结构的劣化程度大于钠蒸气,并且随着钾蒸气含量增加,焦炭粉化程度增大,焦炭裂纹进一步延展,孔径增大;但是,焦炭吸附5%钠蒸气后,焦炭内部的裂纹及孔隙变化较小。     

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。     

高炉内焦炭质量的控制

通过分析研究高炉内焦炭劣化的规律，得出了强化高炉冶炼措施与抑制焦炭劣化手段一致的结论。抑制焦炭气化、选择合理的鼓风参数、控制炉内的碱金属及硫含量等均为控制焦炭质量的手段。指出了进一步抑制焦炭劣化的方向。     

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。     

碱金属对钒钛磁铁矿高炉冶炼的影响及对策

分析了碱金属在钒钛磁铁矿高炉冶炼中的循环富集行为、对炉料性能以及高炉冶炼的影响,指出了高炉内碱金属的潜在危害及防止措施.认为:攀钢高炉碱负荷较高,但炉渣排碱能力较强,目前碱害尚未凸现.碱金属对焦炭的破坏作用突出,且近年来劣化趋势明显,应加以重视.通过合理配煤或尝试对焦炭钝化处理,可以在一定程度上改善其热性能,增强焦炭的抗碱侵蚀能力.     

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。     

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。     

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。     

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。     

入炉碱负荷与焦炭劣化的关系

为了研究首钢高炉入炉碱负荷与炉内焦炭劣化的关系,利用碱金属循环富集模型计算碱金属在高炉内的最大富集量及在高炉内部不同部位的分布,然后进行焦炭在不同浓度碱蒸气下的熔损试验,通过反推计算最终得到了在不同入炉碱负荷情况下焦炭劣化的程度。结果表面,钾和钠在首钢高炉内最大的富集量分别为34.89和7.44kg/t,炉内焦炭已经发生严重劣化,反应性CRI为53.14%,反应后强度CSR为61.69%。要想控制住碱金属对首钢高炉的危害,入炉K2O和Na2O质量必须分别限制在0.48和3.11kg/t以内。     

高炉入炉焦炭高温反应特性的研究

焦炭的热态性能是评价其在炉内溶损反应程度及抗机械破坏作用的重要指标之一.通过对安阳钢铁1#和2#高炉入炉焦炭的高温反应特性,分别采用块焦法、粒焦法和组织结构法进行了测定,并对所得结果进行了对比,分析了不同测定方法测定结果的侧重点及内在影响因素,给出了粒焦法和块焦法所得结果之间的线性关系;焦炭的矿相显微结构是影响其在高炉内劣化的内部因素,由修正公式可知,片状结构和各向同性与CO2的反应速度较快,镶嵌结构含量高的焦炭,反应后强度较高.由安钢1#和2#高炉所用入炉焦炭的性能分析结果,结合高炉的实际生产情况,提出了改进安钢高炉入炉焦炭高温反应特性的措施.     

高炉焦炭石墨化程度及其影响因素的研究进展

 焦炭是高炉炼铁过程中不可替代的原燃料,石墨化行为是其在高炉内的一个重要劣化机制。由于优质炼焦煤资源短缺及未来高炉大型化的影响,对入炉焦炭的质量要求越来越高,明确焦炭在高炉内的劣化机制及石墨化机理,合理控制焦炭质量是降低冶炼成本以及保证高炉稳定顺行的重要措施。详细阐述了不同的热处理温度、焦炭的灰分以及渣铁成分等因素对焦炭石墨化程度的影响。目前对于焦炭石墨化的理解还停留在宏观尺度,对于其微观反应机理,特别是各种渣铁和矿物的催化石墨化行为认识还有待进一步研究。     

高炉大型化后对焦炭性质及在炉内劣化的思考

 焦炭作为高炉炼铁的主要燃料,对高炉的顺行和高效冶炼发挥着极其重要的作用,随着高炉大型化和智能化的发展,对焦炭质量及对其的评价、预测和控制的要求亦越来越高。针对高炉内不同部位焦炭的劣化经历、劣化后焦炭的高温反应特性及焦炭组织结构的变化进行了分析。依据国内一些特大型高炉的生产实践,提出了在达到高水平高炉操作指标时不同容积高炉焦炭高温反应特性所需的指标,并对适合评价高炉大型化焦炭劣化后质量的标准做了探讨。     

锌对焦炭强度的影响

近些年,有关碱金属对焦炭溶损反应的催化作用已进行了较深入细致的研究,对碱金属以外的金属对焦炭溶损反应的催化作用也引起人们的关注,并取得了一些结果,然而对锌的研究大多是停留在其对耐火材料的侵蚀和结瘤等几个方面的研究,忽视了锌对焦炭溶损反应的催化作用而造成的焦炭粉化等情况。通过气相吸附法制备吸附不同锌含量的焦炭试样,并对吸...     

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。     

高炉块状带焦炭劣化机理

 模拟高炉块状带气流和温度条件,研究了粒度、熄焦方式和焦炭类型对焦炭劣化影响,以及高炉上部碱金属K2CO3和Na2CO3催化焦炭与CO2的反应机理。结果表明：小粒度焦炭和湿熄焦炭失碳率较高,产生的粉末量多;捣固焦炭在反应开始时劣化程度低于顶装焦炭,随着反应时间增加,劣化程度高于顶装焦炭;碱金属会与焦炭中的灰分形成催化复合物,导致焦炭与CO2反应的起始温度降低,破坏焦炭的微晶结构,失碳率增加,粉化加重;K2CO3的催化作用高于Na2CO3的催化作用。     

钾、钠对焦炭劣化作用

为了研究碱金属钾、钠对焦炭劣化作用的区别,首先将焦炭置于不同含量的钾、钠气氛下进行吸附实验,然后对吸附碱金属后的焦炭进行扫描电镜观察、能谱及X射线衍射分析和热态性能测试.由于钠更加容易以表面吸附的形式覆盖在焦炭表面,所以在碱蒸气质量比相同的气氛下,钠的吸附量要高于钾.表面吸附的碱金属对焦炭溶损反应有阻碍作用.在相同吸附量情况下,吸附钾后的焦炭中与碳化学结合的钾居多,反应性更高.另外,钾金属本身对焦炭破坏作用就很大,钾原子会插入碳层引起微晶多维膨胀,使焦炭微观组织产生破裂,并且这些新生的裂纹导致吸附钾焦炭与吸附钠焦炭在溶损方式上的不同.      

高炉焦炭石墨化过程中的微观组织和冶金性能演变

当前低碳高炉冶炼条件下使得炉内焦炭层变薄,恶化了料柱的透气透液性,焦炭在炉缸高温区石墨化过程中产生的焦粉是导致该现象出现的主要原因之一.为了研究焦炭在高炉下部的石墨化过程对其在炉缸内的冶金性能影响,研究了1100~1500℃不同温度下焦炭的石墨化度改变;同种焦炭石墨化程度与焦炭反应性及反应后强度之间的关系;不同石墨化度焦炭与碱金属侵蚀之间的关系;观察并分析了试验后不同焦炭试样的微观形貌.结果表明,随着温度的升高,焦炭石墨化程度加深,且温度每升高100℃,焦炭石墨化度约提高1.8倍,层间距d₀₀₂值约降低2%,微晶结构层片直径L_a值约提高3%,层片堆积高度L_c值约提高15%;焦炭的表面气孔减少,特别是大气孔减少,焦炭表面镶嵌组织减少,各向同性组织增多,焦炭的结构有序化程度增强.随着焦炭石墨化程度的加深,焦炭的反应性逐渐减小、反应后强度逐渐提高,焦炭表面的劣化情况减弱,生成的大气孔减少,气孔壁破坏趋势减弱.碱金属对焦炭的反应性有促进作用,使焦炭的反应性提高,反应后强度降低.而焦炭的石墨化对焦炭的碱侵害具有一定的抵抗作用,降低了焦炭表面的劣化程度.      

首钢4号高炉风口焦炭取样分析研究

利用风口焦炭取样设备在4号高炉（有效容积为2100m^3）进行了风口焦炭取样。首钢焦炭种类多，焦炭质量相对较差，焦炭在炉内劣化严重。分析认为：焦炭质量改进能够减弱风口焦炭劣化、增加风口回旋区长度。对风口焦炭样成分的分析表明，随着焦炭中碱金属含量的降低，风口焦炭劣化度呈减小趋势。