焦炭性能及反应性对高炉中焦粉的影响
焦炭是高炉炼铁生产中昂贵的、重要的原料。由于经济和环境方面的要求，减少高炉炼铁用焦炭的压力日益增加。通过风口喷吹辅助燃料多为煤粉和天然气以替代焦炭。提高燃料喷吹率、降低焦炭量可完成其还原剂和力学作用。在低焦比操作期间，焦炭在高炉内停留时间较长，经受较大的应力负载，产生焦粉，影响焦床的透液性和透气性，最终影响高炉的生产率。对此进行了广泛的研究，重点是在改变低焦比操作的条件下影响工业炉运行稳定性的各种因素。除生产工艺参数之外，燃料的性能对高炉的运行有重大的影响。在此方面，煤粉的燃烧效率和焦炭的气化性能一直是最大的研究课题，这是由于它们对聚积在风口外的焦粉的影响。本文的讨论仅限于从控制焦粉性能的因素来看焦炭在高炉内的作用。
目前，减少对焦炭的依赖已成为高炉炼铁法的焦点问题之一。此外，焦炭的质量问题也变得日益重要，因为要求较少量的焦炭要产生还原气体并提供充分的物理支持而无任何过多的焦粉产生和聚积。为此，主要应研究焦炭质量对焦炭性能的影响，包括焦粉在高炉中的产生和同化的机理，同时根据焦炭反应对焦粉性能的影响提出综合焦粉指数。
1高炉中的焦粉与焦炭质量
由于焦炭为高炉提供热能、作为还原剂使用，并为保持高炉内的透气性提供空间，因此，焦炭在高炉中具有多重作用。在低焦比操作期间，焦炭负荷降低，在高炉中的堆积和黏结区形成薄焦层，从而延长了焦炭的停留时间。结果，焦炭经受力学、热和化学应力的时间延长，导致粉化趋势加大，从而增加了焦粉的产生。焦粉的产生影响了透液性和透气性，并在高炉下部聚积以致影响出铁、出渣。因此，焦粉性能的机理，诸如产生和同化，及一旦产生将对高炉运行的稳定性和生产率产生重大的影响。
焦粉在高炉的不同区域会与其他燃料结合，可分为两类，这取决于高炉中煤和焦炭的性能，尤其是它们的碳转化动力学。例如，未燃尽的焦炭会出现在风口外，这还归因于煤粉的不充分燃烧，而由于焦炭的质量差，高炉的不同区域会产生焦粉。本文的研究仅限于焦炭的质量问题。
焦粉的产生是由于许多因素而产生的复杂现象，大量的研究结果表明，焦炭粉化在机理上与焦炭的气化行为有关。然而，当前对高炉中焦粉行为的了解还远远不够。由于落下和磨损，高炉的上部就产生了焦粉。在高炉的下部，碱和高温机制也会影响焦粉的产生。根据目前的对焦炭粉碎形成焦粉的了解，其机理可以概括如下：
机械应力和高碰撞磨损；
溶解损失反应；
热机械碰撞；
高温化学侵蚀，包括循环
在高炉上部的落下和磨损与冷焦炭的强度有关，这是由于受到焦炭的物理性能的影响，例如孔隙度。在软化和高温区，焦炭气化是产生焦粉的主要影响因素。在溶解损失反应时，气化导致焦炭碳的贫化，表面剥落，结构弱化，由于焦炭的不均匀的石墨化，而产生裂纹。同时，加上化合物的形成以及碱的催化作用(包括循环碱)，会因体积膨胀引起应力而产生焦粉。在高炉的下部，焦粉的产生和同化受到包括石墨化和焦炭与气、液渣及金属的高温反应的控制。由此可见，影响焦粉行为的主要因素及机理与焦炭的性能有关，包括碳的结构及矿物质。某些机理相互关联，由于热处理而导致碳结构的改变将影响焦炭矿物质的性能，反之亦然。因此，促进抑制或是阻止焦粉的产生的趋势取决于焦炭抗冲击的机械强度和反应性。
采用许多试验方法以测试焦炭的耐粉碎性，包括粉碎试验的动力负载等等。有关试验结果表明，焦炭尺寸的百分比是由焦炭反应性指数CRI确定。
反应后焦炭强度(CSR)试验可以评估高炉中溶解损失反应后焦炭的强度，根据高反应性(低CSR)焦炭会与高炉中的氧化性气体发生反应，从而导致焦炭的弱化并粉碎，形成颗粒。结果，高反应性焦炭在高炉中易于生成较大的焦粉。因此，焦炭的反应性需要优化以影响焦粉在高炉中的产生与同化。碳的结构和焦炭矿物质影响焦炭与气体、渣和金属的反应性。
2材料及方法
(1)取样。对运行中的3座高炉的焦炭和粉尘取样进行试验，采用碳分析仪(LECOSC－444－DR)进行分析，以证实焦粉在高炉不同部位的分布。
(2)焦炭在试验炉中退火。在一座卧式炉内对焦炭进行热处理，以了解其碳结构的变化。
(3)在热解重量分析炉(TGA炉)中焦炭的反应性。采用热解重量分析仪测量焦炭试样在百分之百二氧化碳气氛和1100℃等温加热时的质量损失。
(4)XRD／SEM(X射线衍射／扫描电镜)分析。含碳物质包括粉尘和焦炭试样，采用Philips112粉末衍射仪进行测量。将粉碎成粉末的焦炭装入铝制容器内，使用X射线衍射仪进行分析。
3结果与讨论
(1)焦炭的性能
试验结果表明，矿物的分布不同，对焦粉形成的影响也不同。原焦的N2表面面积(BET)测量结果。试验结果表明，在反应后焦炭强度(CSR)值较高的基础上，焦炭B与焦炭A相比，其粉化趋势较小。
(2)焦炭的石墨化与焦炭性能
实验室的研究结果表明，焦炭的石墨化对焦粉的产生有很大的影响。因此，焦炭的性能，尤其是影响焦炭石墨化的性能，将影响焦粉的产生。随着温度的不断提高，石墨化的程度将随焦炭的性能而改变。研究表明热效应、铁含量以及氧化铁的催化效应对焦
炭的石墨化均有影响，而黏土基矿物对碳结构的石墨化的影响不大。
(3)焦炭与二氧化碳的反应性及焦炭的性能
溶解损失反应是高炉中的主要反应之一，对焦粉的产生起重大作用。另一方面，焦粉在高炉内的消耗还受到炉内反应的影响，包括溶解损失反应、碳化，并且影响到焦粉在排放粉尘中的比例。焦炭的反应性受碳结构和表面面积的影响，这些影响均由矿物质决定。焦炭的反应性趋势符合于不同类型的碳的一般性能，如结晶碳对氧化反应的活性较小。
然而，随着温度的提高，矿物质的影响就起决定性作用，并影响到反应性，在较高温度下反应性的差异就不同于在1100℃时下的差异。
(4)焦粉在高炉中的聚积与焦炭的性能
焦炭的石墨化在高炉操作中有很多关系，包括气化的动力学、焦粉的产生以及随后的消耗。研究结果表明，除了冷焦炭的强度以外，粉尘中焦粉受到焦炭的反应性以及焦炭在高温下石墨化的状态的影响。
(5)综合焦炭气化指数
以上研究说明了焦炭的碳结构对焦粉产生的影响、起点温度、对反应性的影响以及焦粉同化的程度。此外，粉尘的碳结构可用来区别焦炭质量的影响和焦粉的产生机理，包括它们的含量及在不同操作条件下的起点，并优化焦炭的利用。总之，焦粉的产生和消耗是一种复杂的现象，并受到诸多因素的影响，如高炉内的反应气体和高温环境，以及焦粉消耗的其他方式。这需要对各种因素和控制高炉中焦粉的产生机制进行综合性研究。
一般的焦炭质量指数，诸如CSR和CRI不足以表达焦粉的产生和同化的焦炭反应的所有方面。此外，综合焦粉指数与焦炭反应的影响相结合，例如气体、渣和金属需要进一步研究，以对高炉中的焦粉的性能做出综合性评估。
本研究论证了焦炭性能的重要性，尤其是碳结构，在气化和石墨化时焦炭的高温性能，以及对高炉中的焦粉性能的影响。
4结论
对3种工业用焦炭的反应性和石墨化行为进行了研究，以了解焦炭的性能，包括碳结构和矿物质对焦粉的高温性能的影响。
随着热处理温度的提高，焦炭的碳结构有序化加快；石墨化的程度受焦炭性能的影响，焦炭石墨化的程度与铁含量有关。焦炭中的碳微晶的堆积高度和退火温度之间的线性关系用于评估高炉粉尘中焦粉的碳微晶的温度。
实验炉中焦炭石墨化的热校准可用于评估焦粉的热经历以及在高炉不同区域的焦粉起点的分布。
焦炭与二氧化碳的反应性受碳结构和矿物质的影响，有序化较低的焦炭的反应性较高。在典型的气体和温度条件的CSR测试中，在TGA炉中有序化较高的焦炭与二氧化碳反应性低于有序化较低的焦炭。
焦炭的碳结构对粉尘中的焦粉的行为有很大的影响，最有序化的焦炭产生的焦粉最细。除硬度和稳定性因素之外，因抗切性较低，焦炭的石墨化加大，则加大焦粉的产生，而一旦焦粉产生，较低的反应性可降低焦粉的消耗率。
本研究证实，传统的CSR测量不适于评估高炉中焦炭的性能，传统法不能包括剧烈的焦炭石墨化的强烈的影响，尤其是在温度更高时。
进一步的研究是必要的，以导出综合焦炭气化指数，这一指数将考虑到焦炭性能的所有方面，包括反应性和石墨化对焦粉的产生的影响以及一旦焦粉产生后的同化。焦炭的碳结构和矿物质对焦炭的高温影响等深入研究将改进对高炉中焦炭性能的评估，并最终导出综合焦粉指数。
（来源：炼钢）
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