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.      

碱金属对焦炭影响的试验

关于高炉内碱金属的危害,国内外进行了大量的研究和报道,但碱金属对焦炭影响的研究,国内还刚开始,特别是碱金属对焦炭的破坏机理和防止碱金属对焦炭危害的措施将是有待研究的重要课题。为探明碱金属对焦炭的影响,我们自制了焦炭加碱装置和焦炭反应性装置,通过焦炭加碱试验和加碱焦炭反应性试验,获得了粗浅的认识,其结果叙述如下:     

碱金属对焦炭冶金性能的影响研究

对焦炭进行增碱处理,分析碱金属对焦炭冶金性能的影响.提出应加强对碱金属危害的研究,限制碱金属对高炉冶炼的影响.     

湘钢1号高炉碱金属行为

对湘钢1号高炉碱金属行为进行实际调查和理论分析,发现高炉中的碱金属主要是由铁矿石和焦炭带入的,碱金属的排出主要是通过炉渣.碱金属在高炉内的循环富集,给高炉带来一系列不利影响.结合湘钢高炉的实际生产情况,提出防治高炉碱害的措施.     

区分和控制钾、钠对高炉冶炼的不利影响

通过对国内外多座高炉碱金属富集调研结果的统计分析,以及模拟高炉碱富集区域钾、钠对焦炭劣化影响的试验,发现碱富集区域钾蒸气在焦炭上的吸附能力和破坏性都远大于钠,认为高炉现场应严格控制入炉钾负荷,建议将高温下抗碱金属蒸气破坏的能力作为焦炭新增的质量指标,并提出了入炉碱金属上限值的计算公式。     

碱金属在高炉内的反应及分配

为了解新配矿条件下碱金属对高炉炉料性能的影响,研究了碱金属在高炉内的反应及分配.结果表明:在高温区,碱金属硅酸盐大量分解形成碱金属蒸气随煤气上升;在中温区炉料吸附的碱金属含量为2.8%左右;在低温区约为0.3%.炉料吸附碱金属的含量随其粒度的增大而减小,炉料平均粒度从11 mm增大到17 mm时,碱金属含量从1.3%下降到0.3%.碱金属化合物对焦炭的溶损和铁矿石的还原有催化作用:当K2O含量超过1.5%时,焦炭的反应性(CRI)提高23%左右,焦炭反应后的强度(CSR)约降低40%;K2O含量增加到2.56%时,烧结矿的低温还原粉化率(RDI)约提高30%;K2O含量增加1.5%时,球团矿的RDI提高15%左右.     

碱金属对高炉生产影响分析

对高炉碱金属行为进行实际调查和理论分析,高炉中的碱金属主要靠铁矿石和焦炭带入。碱金属在高炉内的循环富集,给高炉带来一系列不利影响。结合八钢高炉的实际生产情况,提出高炉防范碱害的措施。     

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.     

碱金属对高炉原料冶金性能的影响

通过分析碱金属在高炉内的还原和循环机理,研究了碱金属对焦炭、烧结矿、球团矿等原料冶金性能的影响。结果表明:随着碱负荷的增加,焦炭的CRI升高,CSR下降,当焦炭中碱负荷由0.0 kg/t升高到0.7 kg/t时,焦炭的反应性增加14.28%,反应后强度下降14.39%,可见少量的碱金属就能催化焦炭的气化反应;随着碱负荷的增加,烧结矿和球团矿的低温还原粉化率RDI-3.15和RDI-0.5升高,而RDI+6.3却迅速下降。严格控制烧结矿、球团矿、焦炭的碱金属含量是降低碱金属危害的根本措施。     

碱金属盐及单质对焦炭热态性能的影响

模拟焦炭在高炉上部的对碱金属盐吸附行为,结合实际风口焦取样数据分析,直接测定碱金属盐及单质等5种材料对焦炭热态性能的综合影响,比较试验结果,对焦炭与碱金属关系进行分析。     

焦炭热性能对高炉操作影响的研究进展

通过调研国内外焦炭热性能对高炉操作影响的研究进展,发现日本炼铁界对焦炭反应性关注度较高,且观点较一致:在确保焦炭冷、热态强度的前提下,较高反应性的焦炭有利于抑制风口部位焦炭的粉化和改善高炉炉内矿石还原速度,利于低成本冶炼;国内对焦炭反应性对高炉操作影响机理方面的探讨较日本少,观点与日本不同,认为焦炭具有较低的反应性和高强度利于高炉操作。建议更为全面深入研究热性能对高炉操作的影响,并在生产实践中进行探索,以求在领域内达成共识。     

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。     

太钢6号高炉碱金属的平衡与控制

针对太钢6号高炉入炉碱负荷及焦比升高的现状,通过对高炉原燃料及支出项的碱金属进行平衡计算,得出太钢高炉碱负荷主要来源于烧结矿,而绝大部分碱金属经炉渣排出炉外。为减少高炉碱负荷和在炉内的富集量,进行排碱优化工作,寻求适合太钢高炉排碱的炉渣成分。研究结果表明,碱度对炉渣排碱能力影响最大,其他因素依次为温度、MgO含量、Al₂O₃含量。结合太钢高炉生产实际,排碱期间炉渣碱度控制在1.10~1.15范围时,高炉排碱和脱硫的综合效果较好。同时,调整烧结混匀矿和高炉炉料结构及定期排碱作业,给高炉降焦比提供一定空间。     

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。     

武钢6号高炉中修炉内残留焦炭分析

 为了进一步研究焦炭在高炉内的劣化行为,探索更加适合高炉的的焦炭评价指标,利用武钢6号高炉中修挖炉缸的机会,从炉内自上而下分层取出焦炭试样,测定分析经高温反应后的焦炭试样的各项理化性能。采用开元5E-MAG6700全自动工分仪测定其水分、灰分和挥发分,采用科翔XQK-2000型显气孔率测定仪测定其显气孔率和灰分。研究结果表明,炉内残留焦炭相对于入炉焦灰分质量分数较高,固定碳质量分数下降明显,焦炭孔隙内滞留大量炉渣。高炉内初渣中SiO2、Al2O3、CaO和MgO质量分数并不高,MnO和P2O5质量分数是终渣中几倍甚至10倍,有相当部分的造渣是在炉缸下部进行的。高炉内碱金属在炉腹下部至炉缸上部富集量最大,锌在炉缸上部富集量最大。通过对高炉中修残留焦炭的研究分析,对焦炭在高炉各部位的劣化行为规律认识更加深刻,并对高炉的特性把握更加准确,可用于指导高炉生产。     

Effect of coke reactivity and nut coke on blast furnace operation

Abstract

Two measures for coke saving and increase in blast furnace efficiency related to coke characteristics – reactivity and size – are discussed in this paper. Modern blast furnace operation with low coke rate and high injection rate causes a change in coke quality requirements. A discussion has arisen recently about highly reactive coke. Here, a theoretical analysis of influence of coke reactivity on the thermal reserve zone, direct reduction and carbon consumption in the blast furnace has been undertaken. Experiments have been performed using non-standard test scenarios that simulate coke behaviour under real blast furnace operating conditions. Coke reactivity and microstructure have also been investigated under the impact of alkali and pulverised coal ash and char. Operation of many blast furnaces has proved the possibility of coke saving and increase in productivity when using small-sized coke (so-called nut coke) mixed with the burden, but the reasons for this phenomenon, and consequently the limit for nut coke consumption, are still not very clear. An analytical method and cold model simulations have been used to quantify the change in shaft permeability and furnace productivity when using nut coke.     

探讨现行高炉焦炭质量指标模拟性的积极意义

从焦炭在高炉中劣化径探讨焦炭质量指标Ｍ４０、Ｍ１０、ＣＲＩ（反应性）、ＣＳＲ（反应后强度）的模拟性。认为Ｍ４０和Ｍ１０对高炉块状带有一定模拟性,但块状带对焦劣化不太明显;ＣＲＩ在无碱条件下测定,而高炉中均积累了一定数量的循环碱,因此,ＣＲＩ指标对实际焦炭质量会产生误导,由此衍生出传统配煤技术概念需要更新的问题。     

有害元素对焦炭气化反应的影响及展望

摘要：焦炭在高炉冶炼过程中起着重要作用，其中焦炭的气化反应直接关系到其热态强度，并影响高炉内部的透气透液性能。综述了高炉内焦炭气化反应的研究现状，并讨论了焦炭气化反应的评价方法；阐述了有害元素K、Na、Zn和Cl对焦炭气化反应影响的研究进展。指出现有研究多着眼于焦炭和纯CO2或水蒸汽的气化反应，并且冶金工作者对企业通用的焦炭气化反应的测定方法和标准存在不同的看法。K、Na、Zn和Cl均对焦炭气化反应起催化作用，其中K、Na和Zn的催化机理包括氧传递、层间化合物和电子转移3种理论。建议进一步模拟高炉实际气氛和温度条件开展焦炭气化反应的研究工作，并对Cl元素对焦炭气化反应的影响机理进行深入探索。