铁水温度对炭砖坩埚动态侵蚀的影响研究

在实验室条件下,考察了不同铁水温度下、炭砖和焦炭同时作为渗碳碳源时,炭砖的侵蚀速率和焦炭的溶解速率及炭砖微观结构的变化。结果表明:在实验范围内,随着铁水温度升高,炭砖侵蚀速率和焦炭溶解速率加快,且焦炭的溶解速率远大于炭砖坩埚的侵蚀速率,说明铁液更易与焦炭发生渗碳反应;侵蚀后的炭砖分层明显,并且有清晰的铁液渗透通道。由此得出,在高炉实际生产中,添加渗碳性能好的焦炭以及定期更新炉缸内死料柱可在一定程度上缓解铁液对炉缸炭砖的侵蚀,从而实现高炉长寿。     

高炉炉缸凝铁层物相分析

在高炉炉缸破损调研的基础上对高炉炉缸耐火材料热面凝铁层进行取样,利用扫描电子显微镜、物相分析等分析手段揭示了凝铁层的物相组成,并运用Thermol-calc热力学计算软件结合TCFE8数据库对铁水中石墨碳的析出温度及析出相分数进行了计算,最后揭示了炉缸凝铁层物相的形成机理.结果表明,高炉炉缸凝铁层主要由Fe相和石墨碳相交替分布组成,铁水成分对石墨碳析出温度影响较大,石墨碳析出温度远高于铁水凝固温度,铁水中C、Si元素含量对石墨碳析出相分数影响较大,而石墨碳析出相可增大铁水黏度11.9%.凝铁层中石墨碳的析出主要是由于Fe-耐火材料界面温度低于石墨碳析出温度,使得铁水中C不断向耐火材料热面迁移,进而形成Fe-C交替的分层结构.      

大型高炉炉缸死料柱行为及长寿原因分析

高炉炉缸死料柱的形貌尺寸、沉浮状态、空隙度及焦炭粒度粒级时刻影响着炉缸液态炉渣和铁水的流动情况，进一步影响着铁水对炉缸侧壁的冲刷侵蚀程度和炉缸活性。基于莱钢3号3 200 m³高炉的破损调查研究得到炉缸整体呈现“锅底状”侵蚀特征，其中炉缸侧壁的侵蚀程度较小、仍残余较为完整的炭砖结构，部分区域还保留少量的陶瓷杯结构，炉底陶瓷垫已被侵蚀完全至第3层超微孔炭砖。通过对炉缸死铁层残铁积存物的切割解体，并结合综合图像处理技术对炉缸死料柱进行分析。结果发现，死料柱根部为“圆弧状”并在炉缸中呈现明显的漂浮状态，高度约为0.45～1.34 m,死料柱直径约为10.01 m,占侵蚀后炉缸直径的71.91%,体积较小有利于浮起，同时降低铁水的环流现象对侧壁耐火材料的冲刷侵蚀。死料柱周围含有一段长度约为1.0 m的铁水通道，通过计算得到此区域铁水的对流换热系数较小，约为52.61 W/(m²·K),这说明铁水流速小，而使得耐火材料所承受的热应力小，可大幅度减缓炉缸炉衬的侵蚀速率。死料柱平均空隙度和焦炭平均粒度分别为54.57%和22.89 mm,较大的死料柱空隙度...     

基于图像处理的高炉炉缸死铁层中焦粒信息分析

 高炉铁口水平线下(死铁层区)死料堆的位置、大小、孔隙度、更新速度等直接决定铁水及炉渣在炉缸内的流动方式,同时影响炉缸传热、耐材的侵蚀、铁水及渣的排出速度等。使用图像处理技术对莱钢1 880 m3高炉浸入死铁层中死料柱下部形状、孔隙度、焦粒尺寸、形貌分布等关键信息进行了提取。通过分析计算得到死料柱下部焦层二维孔隙度为56.73%。该区域焦粒平均粒度为15.3 mm,缩减了约70%。通过形貌分析发现炉缸死铁层中焦炭更接近椭球状,该现象说明自炉顶装入后焦炭各方向消耗速度不一致,具有明显的取向性。该高炉内渣铁通过炉缸该区域死料柱焦粒过程中,水平方向与竖直方向冲刷程度较深。有助于对高炉炉缸“黑箱”进行信息解析,进一步加深操作者对于高炉冶炼过程中死料柱下部及炉缸工作状态的认知。     

通才2号高炉炉缸破损调查

以通才2号高炉炉缸为研究对象,研究炉缸侧壁黏结物中主要物质元素的成分、分布、沉积行为,以及矿物质组分的转化机理,利用化学分析、扫描电镜、X射线衍射仪对样品的元素组成、微观形貌和矿物组成进行分析。结果表明,高炉炉缸侧壁形成的黏结物主要为双层结构,分别是石墨碳层和渣层,且石墨碳层中含有一定量的渣相。黏结物中渣相的主要来源为焦炭灰分而非高炉炉渣。黏结物的化学成分和物相组成,随高炉炉缸深度的增加并未发生明显的变化。分析了焦炭灰分的演变规律和黏结物中石墨碳的来源,从而为高炉正常生产过程中炉缸黏滞层的形成提供有益的参考和指导,实现高炉炉缸长寿。     

高炉铁水中硫加速炉缸炭砖侵蚀机理及对策

为了延缓炉缸炭砖侵蚀，分析了炉缸铁水硫含量变化趋势，研究了硫元素加速炉缸炭砖侵蚀机理，提出了现代大型高炉脱硫技术措施。结果表明：高炉-铁水预处理联合脱硫、使用高比例球团是炉缸铁水硫含量升高的主要原因；炉缸炭砖与碳含量欠饱和的铁水接触是炭砖侵蚀的直接原因，硫含量升高使铁水表面张力下降、黏度下降，提高了界面反应速率，增大了铁水中碳的传质系数，加速了炭砖侵蚀。在低渣比条件下，控制炉渣碱度在1.12～1.18,MgO含量在9%～12%,Al₂O₃含量在13.5%～15.5%,并提高铁水中碳、硅、磷元素含量，降低锰、钛元素含量，采用控制炉渣成分和铁水成分的协同脱硫技术，是现代大型高炉脱硫的有效措施。     

焦炭特性及其在高炉下部的变化过程

气化、石墨化和溶解是影响焦炭从高炉软熔带至炉缸间行为的三个主要过程。过去几年在一些专题项目中对这些过程进行了研究。简要叙述并讨论了这些过程的相互作用及其与焦炭特性的关系。对焦炭的气化反应进行了实验室测试研究,用以评价高炉条件下焦炭的特性。用高炉条件下的气化测试装置测试了几种焦炭试样,考查的质量指标包括反应性、结构变化和强度等。用实际尺寸的焦炭块对块状焦炭试样的高温行为进行了评估,将不同种类的焦炭试样加热到2 000℃,以鉴别其在高温下的行为。高温下焦炭将发生石墨化,对高温反应后的强度进行了评定,并作了显微观察,发现了一些现象和组织结构的变化。焦炭与液态渣铁相互作用的研究结果对焦炭在高炉下部的行为有了更好的理解。通过试验研究了焦炭抗液态铁水溶解的性能,对入炉前的焦炭和经高温反应的焦炭分别进行了试验。分析讨论了焦炭的抗气化、抗石墨化和抗铁水溶解性能与其结构、化学成分和强度的关系。     

炼铁过程熔融渗碳行为研究

传统高炉冶炼过程中铁水最终含碳量是饱和的,而闪速炉中反应是在物料漂浮阶段发生,没有固态料柱的压迫作用,无法发生高炉炉缸内固体炉料与铁水的渗碳作用,最终铁水含碳量未知。为此对闪速炼铁炉中熔池底部渗碳反应进行了研究。首先,对铁碳相图进行了理论研究,基于此理论分析探讨了反应时间、焦炭粒径、焦炭床层高度及原料失重率等因素对铁水最终含碳量的影响。得出了最佳工艺条件为反应时间240 min、焦炭粒径5～8 mm、焦炭加入量70 g、原料失重率26%,在此最佳工艺条件下含碳量最大为4.73%。为了进一步探究渗碳过程中铁碳合金中元素的分布规律,对含碳量为4.73%的铁碳合金进行了SEM-EDS表征,结果显示条棒状石墨碳呈凝聚态不规则嵌布在铁碳合金中,在石墨碳边缘呈现两种不同衬度,分别为FeC相和Fe_3C相。     

高炉炉缸碳源渗碳性能及动力学

摘要：提高铁水碳饱和度,减弱侧壁炭砖侵蚀,实现炉缸长寿对高炉炼铁具有重要意义。利用静态法系统地研究了高炉系统中进入炉缸铁水的碳源的渗碳性能,并计算了表观反应速率常数K。研究结果表明,不同碳源的渗碳性能由强到弱为：NMA炭砖>碳棒>煤粉>焦炭>9RDN炭砖。碳源的渗碳性能随其石墨化程度的升高而降低。碳源中的灰分会极大影响其渗碳性能,但以团聚大颗粒形式存在的灰分并不能减弱其渗碳能力,同时Al2O3可明显降低碳源的渗碳速率。9RDN炭砖的渗碳性能低,预示着其可适应更加复杂的炉况条件。煤粉和焦炭渗碳性能偏差,煤粉以及炉料下行过程形成的焦粉进入炉缸会降低死料柱空隙度,造成炉缸不活跃,使得炉况波动频繁,并不利于死料柱渗碳和侧壁保护层的稳定。因此,要适当提升入炉焦炭粒度,增大风量,减弱未燃煤粉及焦粉对炉缸侧壁炭砖长寿的负面影响。     

铁水锰含量对高炉炉缸侵蚀的影响

铁水中的锰含量是影响高炉炉缸长寿的因素之一。从黏度和活度系数两方面研究了锰元素对炉缸碳砖的侵蚀机理,并结合2个钢铁厂2 200 m3和1 350 m3的高炉诊断案例进行分析,结果表明:铁水中锰元素的存在会加速对炉缸碳砖的侵蚀;锰元素会降低铁水黏度,加快凝铁层的消失;锰元素还会使碳的溶解度增加,促进铁水对碳砖的侵蚀,建议在生产中尽量控制w(Mn)在0.2%左右。     

COREX用焦在铁水中的渗碳特性

 钢铁工业是支撑国民经济发展的基础产业,同时也属于资源和能源密集型行业,随着国家严格的环保政策的逐渐实施,其面临的资源和环保要求日益增加。传统高炉炼铁生产工艺由于存在能耗高、污染物排放多的弊端,发展受到了限制,因此非高炉炼铁工艺的研究和应用日益受到钢铁行业的重视。系统研究了COREX熔融还原非高炉炼铁工艺使用的顶装焦、捣固焦和气煤焦在铁水中渗碳特性,并分析了3种不同样品在铁水中的渗碳动力学行为。研究结果表明,高温铁水与碳原子接触时发生渗碳反应的吉布斯自由能远小于Fe₃C生成反应的吉布斯自由能,焦炭与高温铁水接触被消耗的过程以渗碳反应为主。顶装焦、捣固焦和气煤焦3种焦炭样品与高温液态铁水接触后迅速发生渗碳反应,铁水中碳含量快速增加,但铁水中碳含量增加的幅度随着铁水中碳含量的升高而快速降低,在渗碳反应时间超过120 min后铁水中的碳含量基本保持恒定。3种焦炭在铁水中的渗碳速率由高到低分别为气煤焦、顶装焦和捣固焦,铁水温度对渗碳过程具有明显的影响,随着温度的升高,渗碳速率和最终铁水中的碳含量增加。动力学分析表明,捣固焦在铁水中的渗碳活化能最高,顶装焦次之,气煤焦最小。     

Kinetic experiment of dissolving coke in molten iron

The liquid iron carburization in the blast furnace process can almost come to a saturation state, while, that in flash ironmaking process is unexpected, since there is no solid charge that will press the hot metal and no carburization reaction that occurs between the bottom deadman. In order to study the kinetics of coke dissolution into the molten iron in flash iron- making process, a series of experiments were carried out. Reduced iron powder and chemically pure graphite were used as raw materials, and the tubular resistance furnace was employed to heat the samples up to 1855K and melt them, and the high- purity N2 was injected as the protective gas throughout the experiments. The experimental results show that without regard to the factor kt of dissolution rate, the values of kt under natural convection condition are 4. 20??m/s in group 1, 5. 28??m/s in group 2 and 6. 50??m/s in group 3. On the contrary, when taking this factor into account, kt decreases with time increase and only can be controlled by the mass transfer. Besides, when there is sulfur in the iron- carbon melts, it shows that kt also decreases with the increase of sulfur content.     

高炉使用含碳复合炉料的原理

 高炉炼铁正朝着高产、低污染、低能耗的方向发展,为了实现这一目标,包括高炉使用含碳复合炉料等一些革新的炼铁技术已经被提出或实际应用。铁焦、热压含碳球团是将铁矿粉和煤粉按一定比例混合后制成的新型含碳复合炉料。研究结果指出,含碳复合炉料相比于传统的高炉炉料（烧结矿和球团矿）具有高温强度高、还原性能好以及原料适应性强等优势。阐明了高炉使用含碳复合炉料的基本原理,介绍了铁焦制备的工艺流程及应用情况,重点进行了热压含碳球团制备工艺流程、冷态冶金性能、高温冶金性能、高炉使用热压含碳球团等试验研究,最后利用多流体高炉数学模型对高炉使用热压含碳球团操作进行了模拟研究。研究表明,高炉使用一定量的含碳复合炉料可以降低热空区温度,增加产量,降低焦比,高炉热利用效率明显提高,操作性能得到有效改善。     

焦炭床内铁水渗碳行为

摘要：高炉冶炼过程中铁水最终渗碳量接近饱和,相比而言,闪速炉中没有固体炉料的压迫作用,无法发生像高炉炉缸内死料柱根部与铁水之间的渗碳反应,最终渗碳量难以预料。为此,以电解铁和化学纯石墨为原料,利用管式电阻炉升温到1855K熔化铁块,以高纯Ar作为保护气体研究焦炭床内铁水渗碳行为,并对铁水渗碳行为进行数值模拟,为闪速炼铁工业化打下基础。实验结果表明,终铁C含量随焦炭粒度增大和渗碳床高度降低而减小,且铁水初始C含量对终铁C含量具有较大影响。对于不同条件下铁水渗碳反应中C元素的迁移规律,基于VB编程技术进行了数值模拟,模拟结果与高温实验结果较吻合,相对误差在3%以内。渗流速度控制因子始终控制在05左右,即铁水在焦炭床中的平均速度为初始滴落速度的一半左右。     

Control of redox processes in the blast furnace

Reductive blast-furnace smelting consists of multifactorial oxidative, heat-transfer, smelting, and reducing processes that involve solid carbon and are associated with carburization of the metal. Analysis yields functional relations of the zonal process with controllable parameters of the hot blast. The ore load on the coke, the batch and coke consumption, the reduction rate of iron, and the rate of slag formation may be regulated as a function of the blast flow rate. If the degree of reduction of iron declines from 0.998 to 0.96–0.98, the oxidation of the slag with respect to iron (the FeO content) may be increased to 2–10%, with slowing of the carburization of iron as the melt flows through the coke bed. Slag oxidation may be increased by the injection of powdered iron oxide into the hot blast through tuyeres. As a result, the carbon content in the metal will be 1.5–2.0%, which corresponds to the composition of austenitic steel.     

高炉内铁?焦界面的渗碳润湿行为研究

高炉内铁水渗碳过程是影响冶炼效率及未饱和铁水对炉缸炉衬侵蚀的重要因素。本文通过高温真空润湿性测试装置模拟了高炉炉缸区的铁水渗碳反应,分析了不同碳质量分数（3.8%、4.3%、4.8%）的Fe?C熔体与质量分数为99.9%的石墨基体在高温下界面间的润湿反应,同时利用扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）研究了渗碳界面的微观形貌及渗碳距离。结果表明:界面接触角随着Fe?C熔体中碳含量的增加而变大;熔化过程中,接触角随着反应时间延长而减小,并最终趋于稳定;4.8%碳质量分数的Fe?C熔体中由于含碳量已至饱和,处于不润湿状态。扫描电镜分析显示,Fe?C熔体与石墨基体的接触界面形成了“球帽状”凹陷,凹陷半径与体积随碳含量的增加而减小。能谱线扫描分析显示,随着Fe?C熔体中初始碳含量的增加,石墨基体中的碳素溶解量减少,渗碳效果变差,良好的润湿性有利于碳的传质。通过计算表面能发现,石墨基体中碳素溶解进入Fe?C熔体后,有效减小了两者之间的表面能,使得表面张力减小,接触角在熔化期间递减。      

Noninertial control of the blast furnace and the carburization of iron

Essentially, the reduction of iron in the blast furnace and the oxidative smelting of steel in the oxygen converter are opposing processes. In addressing the carburization of iron in the blast furnace and its decarburization in the converter, we consider noninertial control of the zonal blast-furnace processes. A functional relation is established between the parameters of the zonal processes and the parameters of the hot blast, the reducing gas, and the blast-furnace gas. On that basis, the batch and coke consumption and the yield of metal, slag, and gas in unit time may be strictly and continuously regulated. That, in turn, permits monitoring of the ore load on the coke. Noninertial control of the zonal blast-furnace processes by this means permits regulation of the slag’s oxidative potential, the ore load, and the consumption of injected dusty iron oxides and hence reduction of the carbon content in the hot metal to 2.0–2.5% or less. This approach leads ultimately to the creation of a single-stage process from ore to steel.     

Continuous reductive smelting of steel

Traditionally, iron and steel production is based on a two-stage system consisting of a blast furnace and a converter, which is characterized not only by high productivity but also by copious generation of gaseous emissions and solid wastes. Reductive smelting in a blast furnace with unavoidable carburization of the metal—the formation of molten iron—calls for the organization of oxidative conversion of iron to steel. The direct reduction of iron and the accompanying metals in the batch by solid carbon, with dosing and regulation of the carbon inputs, permits the organization of reductive smelting without excessive carbon concentrations in the metal. That eliminates the need for oxidative smelting of the steel. Reductive smelting of coal-bearing batch has been undertaken and, for the first time anywhere, alloy-steel samples have been produced directly from batch, without the intermediate production of hot metal.     

Carburization of hot metal by industrial and special cokes

In the present paper, a study has been made of carbon dissolution from industrial cokes and specially treated cokes in hot metal. With these results obtained together with earlier investigations, a model is now presented, which attempts to explain carbon pick-up from coke by hot metal. Factors relating to hot metal, coke and experimental conditions are included in the model. An attempt is also made to quantify carbon dissolution behaviour from coke in hot metal in comparison with that of pure graphite. It was determined, that the carburizing ability of cokes can be modified by controlling the ash compositon. The results of the special cokes indicate clearly that the presence of iron oxide is favourable for carburization. Some additives, i.e. CaO, MgO, SiO₂ and Al₂O₃ reduce significantly the dissolution of carbon.