神木兰炭（半焦）高炉冶炼试验研究

2011-08-11 09:35　来源： 我的钢铁网

中钢集团鞍山热能研究院有限公司
 炼焦技术国家工程研究中心
孟 庆 波
 
     焦炭在高炉内的作用有：热源、还原剂、渗碳剂、料柱骨架等。焦炭在高炉中消耗的大致比例为：风口燃烧55%～65%，料线与风口间碳溶反应25%～35%，生铁渗碳7%～10%，其他元素还原反应及损失2%～3%。
随着高炉冶炼风口辅助燃料喷吹量的加大及焦比的降低，焦炭在高炉中停留时间加长，碳在风口燃烧的比例相对减少，消耗于碳溶反应比例在增加。为保证高炉透气性，企业追求低反应性、高反应后强度的“高质量的焦炭”。
低反应性、高反应后强度的“高质量的焦炭”不但会过多消耗资源紧张的优质炼焦煤，也会使高炉蓄热带温度升高，增加能耗。根据模型计算可知，当高炉的热平衡带温度从1000℃下降到800℃时，燃料比可降低60kg/t左右，CO2排放可减少10%左右。为提高铁矿在高炉中的还原反应效率，日本学者开发了高反应性的高钙焦炭，在高炉中能正常使用并取得降低焦比10kg/t-p的效果。
日本NEDO开发了铁焦生产技术并拟在JFE建设中试生产装置。将铁焦与矿石混合装入高炉，促进还原反应。并认为铁焦的使用量相当于普通高炉内碳素溶解吸热反应所需焦炭的1/3。高炉内的透气性由目前的普通焦炭来保证，而超高反应性的铁焦分担了高炉内还原气体的功能。选择高反应活性的神木兰炭（半焦）替代小块焦与矿石混合装入高炉与铁焦具有相似的作用。

一、实验原料性质

     本实验选用神木兰炭（半焦）和某焦化厂冶金焦作为研究对象，冶金焦和兰炭（半焦）质量指标见表1。
表1 工业分析及硫分
样品名称
工业分析
全硫
Mt/%
Ad/%
Vdaf/%
FCad/%
St,d/%
冶金焦
9.80
13.19
1.24
85.29
0.58
兰炭（半焦）（大粒）
11.20
6.09
6.08
82.91
0.30
      神木兰炭（半焦）灰分、硫分比冶金焦低，对高炉炼铁有益。神木兰炭（半焦）固定碳含量高，作为还原剂所提供的C元素基本等同于冶金焦。

二、兰炭（半焦）和冶金焦冷态强度对比实验

     兰炭（半焦）与冶金焦显微强度、结构强度及I转鼓强度指标表2。
表2 兰炭（半焦）和小块冶金焦显微强度、结构强度

样品名称
显微强度/%
结构强度/%
I转鼓强度
兰炭（半焦）
42.98
80.27
49.29
冶金焦
64.00
90.32
84.75
差/%
21.02
10.05
35.46

     从冷态强度来看，神木兰炭（半焦）明显低于小块冶金焦。用神木兰炭（半焦）代替小块冶金焦与铁矿石混合投入到高炉中炼铁，在高炉块状带由于投料时撞击和炉料下降过程的磨损，神木兰炭（半焦）易产生粉末，这对高炉炼铁透气性会产生不利影响。但神木兰炭近期采用改性工艺，提高了强度，降低了粉末率。

三、兰炭（半焦）和冶金焦热态性质对比实验

       （一）不同终温兰炭（半焦）与冶金焦热性质对比
       兰炭（半焦）、小块冶金焦的反应性和反应后强度实验结果见表3。
表3不同终温的兰炭（半焦）、冶金焦的反应性和反应后强度
样品名称
实验编号
终温
CRI/%
CSR/%
兰炭（半焦）
1
800℃
6.09
44.67
2
900℃
8.53
50.54
3
1000℃
12.72
48.17
4
1100℃
26.86
38.72
冶金焦
5
800℃
0.65
85.51
6
900℃
0.30
86.02
7
1000℃
1.00
84.78
8
1100℃
4.29
82.03
兰炭（半焦）碳溶反应起始温度和剧烈反应温度远远低于冶金焦；在相同反应条件下，炭（半焦）失重远大于冶金焦，兰炭（半焦）的反应后强度远低于冶金焦反应后强度。
      （二）兰炭（半焦）和冶金焦混装测定反应性
       测定了兰炭（半焦）和冶金焦样品混装的反应性和反应后强度，结果见表4。
表4 兰炭（半焦）和冶金焦混装及分别单独装测定反应性和反应后强度
实验编号
样品名称
实验条件
CRI/%
CSR/%
1
兰炭（半焦）混装
终温1100℃，恒温1h
67.23
18.09
2
兰炭（半焦）单独装
终温1100℃，恒温1h
51.87
25.15
3
冶金焦混装
终温1100℃，恒温1h
5.99
82.04
4
冶金焦单独装
终温1100℃，恒温1h
13.31
76.73
兰炭（半焦）和冶金焦混装时冶金焦的反应性明显比单独测定时低，反应后强度明显提高，兰炭（半焦）的反应性明显比单独测定时高，反应后强度明显下降，证明兰炭（半焦）对冶金焦起到很好的保护作用。用兰炭（半焦）代替小块冶金焦与矿石混合投入高炉中，对大块冶金焦的保护作用，兰炭（半焦）比小块冶金焦效果更好，使大块冶金焦能充分发挥骨架作用，这样在一定程度上可以适当降低大块焦的热性质或降低焦比，减少优质炼焦煤的配入量，合理利用煤资源。
     （三）相同失重率时兰炭（半焦）和冶金焦强度对比
       兰炭（半焦）和冶金焦在相同失重率下反应后强度，见表5。
表5 不同失重率的兰炭（半焦）和冶金焦的反应性和反应后强度
编号
实验样品
实验条件
失重率/%
CRI/%
CSR/%
1
冶金焦
终温1100℃，恒温1h
10.00
13.31
76.73
2
终温1100℃，恒温1h55min
20.00
21.96
64.51
3
终温1100℃，恒温3h41min
35.00
37.71
38.67
4
兰炭（半焦）
终温1029℃
10.00
13.31
44.97
5
终温1099℃
20.00
20.56
43.51
6
终温1100℃，恒温31min
35.00
35.48
32.24
反应失重10%时，冶金焦的强度比兰炭（半焦）约高31.8%，强度远比兰炭（半焦）好，随着失重率增加到35%时，其强度只比兰炭（半焦）高6.5%，冶金焦的强度和兰炭（半焦）相差不多。用兰炭（半焦）代替小块冶金焦与矿石混合投入高炉中炼铁，开始时兰炭（半焦）的强度比冶金焦差，在投料和炉料下降时产生的粉末会比小块冶金焦多，但是随着物料下降及温度升高，碳溶反应的进行，兰炭（半焦）的强度和冶金焦逐渐接近，兰炭（半焦）与小块冶金焦在高炉中的机械性能接近，不会对高炉冶炼带来不利影响。
      结论
      兰炭（半焦）碳溶反应起始温度和剧烈反应温度远低于冶金焦，用兰炭（半焦）与铁矿石混合装炉炼铁，可以提高块状带的间接还原反应，使铁矿石预还原率提高，减少直接还原反应，有效的保护大块冶金焦。
兰炭（半焦）强度低于冶金焦，用兰炭（半焦）代替小块冶金焦与铁矿石混装炼铁，在炉身中上部分产生的粉末要比用小块冶金焦多，但随着炉料的下降，温度升高，兰炭（半焦）的反应会越来越快，可能到炉身底部或炉腰中上部时，兰炭（半焦）几乎全部消耗掉。而小块冶金焦由于热性质好，直到死料柱大部分变成粉末，造成死料柱透液性显著降低，不利于高炉操作。兰炭（半焦）可替代小块焦用于高炉炼铁，其优势明显。


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