高炉入炉焦/风口焦微观结构与气化反应性对比

摘要：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、N2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、CO2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。     

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。     

攀钢高炉风口焦特征

从风口焦和入炉焦的粒度组成、热强度、化学成分、气孔率、显微结构强度、石墨化程度等方面进行对比分析。结果表明：攀钢高炉风口焦灰分及灰中TiO2、Fe2O3含量高,碱金属含量低,反应性高,反应后强度很低。     

风口取样装置在攀钢的应用

通过对高炉风口取样装置取出的焦炭的粒度、热性能、灰成份、碱金属含量的分析研究,分析结果表明,攀钢高炉风口回旋区长度约为2m,高炉风口回旋区沿径向上,焦炭灰分、碱金属、热性能都先变小后变大。随着喷煤量的增大,风口焦的平均粒度变小,回旋区缩短。     

高炉风口焦热态性能的研究

为了了解高炉风口焦的高温热态性能,满足高炉冶炼所需焦炭的质量,用粒焦法测定了高炉风口前试样中焦炭的反应性和反应后强度。试验结果表明:随着风口前距离增加,风口焦平均粒度下降,反应性略有下降,而反应后强度略有提高。风口前试样中小块焦炭的反应性比大块焦的要高,反应后强度要低。风口前试样中焦炭的高温反应性和反应后强度之间具有很好的线性相关性。     

高炉内H2体积分数对焦炭气化反应的影响

 为了明确高炉富氢冶炼条件下焦炭的气化行为,利用高温模拟试验研究了高炉内φ(H₂)对焦炭气化反应和孔隙结构的影响,得到了不同φ(H₂)下矿石的还原与焦炭气化反应的关系、焦炭气化最严重的温度区间及焦炭微观孔隙结构的变化。研究结果表明,矿石的还原度和焦炭的失重率在升温过程中都逐渐增加。随着φ(H₂)的增加,焦炭的气化率增加幅度最大的温度区间逐渐向低温区移动,主要由于随着φ(H₂)的增加,矿石的还原反应逐渐趋向于在低温区进行,使得其在高温区产生的可供焦炭气化反应的CO₂和H₂O的总量降低;φ(H₂)由5%增加至10%时,焦炭的气化率增加幅度最大;随着φ(H₂)的增加,焦炭的平均壁厚逐渐降低,孔隙率、比表面积及总孔容都逐渐增加;焦炭大孔所占比例逐渐增加,焦炭气孔壁的薄壁结构所占比例逐渐增加。     

首钢高炉风口焦特征的研究

本文从多方面研究了首钢上座高炉风口焦与入炉焦的特征,结果表明,风口焦的粒度与入炉焦块度似乎关系不大,但与入炉焦强度有关;风口焦抗碎强度一般略小于入炉焦,但耐磨强度比入炉焦好;风口焦孔壁较薄,气孔率高,碱金属含量高,二氧化碳反应性强,在碱金属的催化作用下,碳溶反应是焦炭在高炉内质量降解的主要原因之一。     

高炉碱金属富集区域钾、钠加剧焦炭劣化新认识及其量化控制模型

碱金属对高炉内焦炭的破坏大多通过研究碱金属碳酸盐对焦炭气化反应的影响,从而得出钾、钠破坏性相近,在控制碱金属入炉时也基本不对二者进行区分;但高炉调研表明在碱金属富集明显加剧的区域碱金属碳酸盐已分解且焦炭中钾含量均大于钠.本文通过热力学计算得知在碱富集区域碱金属主要以单质蒸气而非碳酸盐或氧化物形式存在,据此设计了模拟此区域有无CO₂时钾、钠单质蒸气在焦炭上的自主吸附和破坏实验,结合原子吸收光谱法、X射线衍射法和扫描电镜-能谱分析发现钾蒸气和焦炭中灰分大量结合形成钾霞石后体积膨胀、裂纹扩展导致碱金属富集区域钾在焦炭上的吸附和破坏能力均远大于钠,因此建议尽量采用低灰分焦炭并严格控制入炉钾负荷.进一步研究体系中不同钾蒸气含量对气化反应的影响规律,得出当钾蒸气与焦炭的气固质量比率超过3%后焦炭反应性陡升.依据碱金属富集区域钾、钠在焦炭上的不同吸附和破坏性,建立了钾、钠各自入炉上限及总量上限的量化控制模型.      

高炉内风口焦炭的劣化度及改善措施

为深入了解焦炭在高炉中的劣化情况,详细研究了风口焦的性状。利用风口取样技术取出高炉风口焦炭,对风口前不同位置的焦炭进行筛分,确定其粒度分布及不同位置不同粒度风口焦的反应性。用粒度的降解度表示风口焦物理性质的变化,用风口焦反应性增加的倍数表示风口焦炭的化学性质变化,从而定量的给出了口焦炭劣化度的公式。文章指出提高入炉焦炭的高温性能和各向异性含量,控制碱金属的入炉量及采用合理的造渣制度来控制炉渣碱度等技术措施,可以减缓风口焦炭劣化,提高炉缸活跃程度。     

钢渣对炼焦煤成焦后气化反应行为的影响

高反应性焦炭可降低高炉热储备区温度,提高高炉冶炼效率.钢渣中有大量的钙和铁,是理想的焦炭气化反应催化剂.在制备高反应性焦炭的过程中,钢渣在配合煤中的粒度和添加量会影响焦炭的反应性和反应后强度.本文从宏观动力学角度研究了钢渣对焦炭反应性和反应后强度影响的原因.细焦粉和粒度为3~6 mm的焦炭分别与CO2在950,1 100和1 250℃进行了气化反应.通过细焦粉的气化曲线确定了焦炭在各温度的本征初始气化速率(r0),通过粒焦炭的气化曲线确定了受内扩散影响的焦炭表观气化反应速率(rD).对反应效率因子(ηef)和西勒模数()的分析表明,焦炭基质反应性和气孔结构两者共同决定了焦炭反应性和反应后强度.     

CO2-H2O混合气体与捣固焦和顶装焦深度反应影响

 由于全球气候变暖,CO₂的减排逐渐成为人们关注的热点。钢铁工业作为CO₂排放大户,需要严格控制其CO₂的排放量,富氢炼铁由于具有降低碳排放的特点,已经成为冶金工艺未来发展趋势,但富氢燃料的使用会在高炉内产生大量水蒸气,所以研究高炉中不同种类焦炭与CO₂-H₂O混合气体在气化溶损反应下的变化至关重要,可以为高炉富氢冶炼条件下焦炭的选择和质量的控制提供理论依据。通过研究不同含量CO₂-H₂O气体通入管式炉中与捣固焦和顶装焦发生深度气化溶损反应,分析CO₂-H₂O混合气体中水蒸气含量变化产生的气化反应溶损差异、焦炭有机官能团和碳素结构的变化规律以及利用未反应核模型分析气化反应过程中限制性环节。研究结果表明,两种焦炭气化反应的限制性环节为界面化学反应,通过对比顶装焦和捣固焦颗粒气化溶损过程中边缘、中间、中心隙结构和相对密度上的差异发现,随着CO₂-H₂O混合气体中水蒸气含量的增加,两种焦炭表面溶损反应较其他两部分更加严重,出现了明显的开孔现象,并且捣固焦的内部开裂情况更加严重。结合FT-IR分析可知,水蒸气能够加剧气化反应过程中顶装焦和捣固焦结构内脂肪族官能团和甲基的消耗,从而导致两种焦炭的芳香度升高,同时反应后捣固焦样品中芳香烃的缩合程度增加。     

高炉内兰炭与焦炭之间的交互作用

通过热重分析实验和模拟氧气高炉中炉料反应行为，探究兰炭和焦炭的反应性，以及兰炭和焦炭之间的交互作用.热重实验结果表明，兰炭反应性优于焦炭，兰炭在加热过程中出现2个DTG峰值，第1个峰值是由于兰炭的二次热解，第2个是由于热解和气化耦合反应.在加热到800 ℃之后，兰炭和焦炭之间存在交互作用，并且随着升温速率的增加，交互作用增强.在高炉炉况下，兰炭的加入能够减少焦炭的反应和焦炭粉化程度，降低CO₂和H₂O气体对焦炭气孔壁的侵蚀作用，降低大孔的生成，从而对焦炭起到保护作用.      

孔隙结构特征对焦炭高温抗拉强度的影响

采用压汞仪测量焦炭与CO₂或H₂O反应后的孔隙结构特征,研究孔隙率、平均孔径、比表面积及孔径分布对焦炭高温抗拉强度的影响规律.焦炭孔隙率和平均孔径随反应率升高而增加.平均孔径小于30μm时气化反应以造孔为主,比表面积随反应率升高先增后减,大于30μm时以扩孔为主,随反应率升高而减小.与CO₂相比,H₂O反应后焦炭平均孔径小,比表面积大,抗拉强度高.焦炭抗拉强度随孔隙率和平均孔径增加而降低,平均孔径小于30μm时抗拉强度随比表面积增加而降低,大于30μm时随比表面积减小而降低.焦炭中小孔数量越多抗拉强度越高,大孔数量越多抗拉强度越低.相同反应率下,H₂O反应后焦炭中小孔数量增加,比表面积大,有利于保护气孔壁结构,抑制高温抗拉强度的降低.      

超大型高炉风口焦炭取样分析研究

为恢复炉况及探讨超大型高炉冶炼规律,对首钢京唐公司高炉进行了风口焦炭取样分析,研究了其入炉焦炭热强度与焦炭反应性、焦炭冷强度与焦炭耐磨强度之间的关系;探明了风口焦炭的粒度、劣化度及渣铁滞留量;探索了渣铁滞留量与渣铁体积、风口焦炭粒度、煤比及炉渣二元碱度的关系;分析了炉缸径向焦炭粒度分布、风口前高透气性区长度、炉缸透气性等;根据上述研究结果,提出了高炉操作建议并得到应用。实践结果表明:风口焦炭取样分析可以作为高炉操作调整的重要参考。     

冶金焦的本质特性与现代高炉冶炼的对应关系

 在对鞍钢焦炭质量现状进行科学分析的基础上,研究了焦炭强度、热态性能、化学组成、粒度及质量波动等对高炉冶炼的影响规律,并通过对高炉风口焦炭的实际取样与研究加以验证,指导高炉操作实践;同时,系统地掌握焦炭质量、焦炭质量对高炉冶炼的影响、焦炭质量的评价方法等;尤其是利用“风口取样”,掌握焦炭在炉内的变化规律和炉缸工作状况,为高炉操作提供技术支持,同时为焦化厂低成本生产出符合高炉运行要求的焦炭提供了依据。     

改进分段尝试法研究焦炭气化反应动力学

焦炭作为高炉炼铁的主要燃料,对高炉的正常运行以及高效冶炼发挥着至关重要的作用.伴随着现代高炉大型智能化的发展趋势,面对资源的不断消耗,用于冶炼优质冶金焦的原料逐渐减少,低质冶金焦引起了冶金工作者越来越多的关注.在测定高炉使用的焦炭基础理化特性后,通过对不同升温速率下不同质量焦炭与CO2的气化反应试验,采用分段尝试法建立...     

熔融气化炉风口回旋区冶炼特征的数值模拟研究

相比于高炉风口喷吹富氧热风,熔融气化炉风口采用常温纯氧,使得炉内质量、动量、热量的传输以及煤气流分布等冶炼特征与高炉存在较大差异.通过建立熔融气化炉风口回旋区二维数学模型,系统考察熔融气化炉风口回旋区内速度分布、温度分布及气体组分分布的冶炼特征.结果表明:在气固相热交换及焦炭 (或块煤形成的半焦) 燃烧反应的综合作用下,熔融气化炉风口回旋区内气体温度迅速升高至3 500 K以上;此外,风口前端存在小规模的气体循环流动现象,故风口前端扩孔破损现象严重,进而导致非计划休风率较高;为减少此类休风现象,可适当额外喷吹富氢燃料性气体 (天然气、焦炉煤气),不仅能降低风口回旋区内气体温度,更可替代部分固体燃料,并充分发挥其中H₂的高温还原优势,提升熔融气化炉冶炼效率.      

PbO对高炉原燃料冶金性能影响的分析

铅作为高炉原料中的一种微量元素,在高炉内循环富集会对高炉冶炼产生一系列不利影响。为了明确PbO对原燃料冶金性能的影响,通过气相吸附法制备不同铅含量的烧结矿、球团矿和焦炭样品,采用扫描电子显微镜对反应前后的富铅样品进行微观分析,研究富铅后原燃料冶金性能的变化。结果表明,铅以PbO的形式吸附在烧结矿、球团矿和焦炭的表面和孔隙中;PbO对烧结矿和球团矿还原以及焦炭的气化反应起到一定的催化作用,当表面吸附的铅含量较高时,会降低其催化作用,但对焦炭反应后强度影响不大。