董茂林1，金榮鎮(zhèn)2，崔松梅1，沈海波1，鄭朋超1
（1 首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司； 2 韓國(guó)浦項(xiàng)制鐵株式會(huì)社）
摘要：結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，研究了焦炭在爐內(nèi)的行為及其對(duì)爐缸溫度變化的影響，分析認(rèn)為爐缸鐵水的流動(dòng)和死焦堆的變化影響爐缸的活躍度，進(jìn)而影響爐底溫度的變化。 在高爐下部透氣性方面，下部（爐腹—爐腰—爐身下部）邊緣的焦炭粉末積聚會(huì)導(dǎo)致高爐透氣性變差，進(jìn)而導(dǎo)致?tīng)t況不穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：焦炭；死焦堆；爐底溫度
0 前言
焦炭在高爐冶煉中起四個(gè)作用：發(fā)熱劑、還原劑、滲碳劑和支撐爐料的骨架。 采用煤粉噴吹技術(shù)后，高爐焦比大大降低。 煤粉可替代焦炭在高爐中提供熱量、還原和滲碳等作用。 但焦炭料柱作用是煤粉所無(wú)法替代的［1］。
焦炭的冷態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)（M40 和 M10） 并不能完全代表其在爐內(nèi)的性能，冷強(qiáng)度相近的焦炭，高溫性能可能存在很大的差異。 焦炭高溫性能差（ CSR低），會(huì)造成高爐塊狀帶透氣性變差，軟熔帶位置下移，具體表現(xiàn)為中心煤氣流變?nèi)?，邊沿煤氣流增?qiáng)，爐缸中心死料柱變大，風(fēng)口及回旋區(qū)的小粒度焦炭量增加，爐缸透液性變差，鐵口深度減小等，最終導(dǎo)致?tīng)t缸內(nèi)鐵水環(huán)流加劇，爐缸側(cè)壁碳磚侵蝕加劇及爐缸側(cè)壁溫度升高，煤氣利用率降低、焦比升高［2］。因此，焦炭在高爐內(nèi)行為對(duì)高爐的順行有重要影響。
1 焦炭在爐內(nèi)的性狀變化
根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，焦炭自爐頂加入高爐后，隨著爐料的下降，自爐身上部開(kāi)始，焦炭粒度變小，強(qiáng)度變差，反應(yīng)性升高，這與爐內(nèi)氣流分布和溫度分布密切相關(guān)。 一般認(rèn)為：焦炭從料線到風(fēng)口，平均粒度減小20％ ～40％［3］。
在塊狀帶，由于溫度較低，未達(dá)到溶損反應(yīng)發(fā)生的溫度，焦炭?jī)H受到爐料摩擦和擠壓的作用，粒度緩慢降低。 進(jìn)入軟熔帶和滴落帶，發(fā)生劇烈溶損反應(yīng)，造成焦炭粒度急劇下降。 在風(fēng)口回旋區(qū)，焦炭隨熱風(fēng)劇烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并與氧反應(yīng)；當(dāng)鼓風(fēng)動(dòng)能達(dá)到一 定數(shù)值時(shí)，將推動(dòng)風(fēng)口前焦炭，形成一個(gè)疏松而近于球形的區(qū)域，焦炭塊在其中做高速循環(huán)運(yùn)動(dòng)，速度可達(dá) 10 m ／ s 以上。 在這個(gè)循環(huán)區(qū)外圍是一層厚 100～200 mm 的中間區(qū)，該區(qū)域既受內(nèi)部循環(huán)的焦炭及高溫氣流的作用，又受外圍焦炭的摩擦阻力，雖然焦炭已失去了循環(huán)運(yùn)動(dòng)的力量，但仍較疏松，且因摩擦作用堆積了小于 1.5 mm 的碎焦，高爐解剖中風(fēng)口區(qū)的研究報(bào)告證實(shí)了這一結(jié)構(gòu)特征的存在［4］。 焦炭在高爐內(nèi)的變化過(guò)程如圖1所示，國(guó)內(nèi)外的高爐解剖工作也證實(shí)了焦炭在高爐內(nèi)的性狀變化。
近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)堿金屬對(duì)焦炭的影響進(jìn)行了大量的研究。 鄭朋超等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為［5］ ，焦炭同時(shí)吸附鉀鈉蒸氣時(shí)，隨著吸附總量的增加，焦炭反應(yīng)性（CRI）增加、反應(yīng)后強(qiáng)度（CSR） 降低。 當(dāng)吸附總量相同時(shí)，鉀鈉質(zhì)量比為3 ／ 7時(shí)焦炭反應(yīng)性最大， 反應(yīng)后強(qiáng)度最小。 呂青青等通過(guò)研究認(rèn)為［6］，在塊狀帶，堿金屬會(huì)與焦炭中的灰分形成催化復(fù)合物，導(dǎo)致焦炭與CO2 反應(yīng)的起始溫度降低，破壞焦炭的微晶結(jié)構(gòu)，失碳率增加，粉化加劇。 趙宏 博等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為［7］，1300 ℃ 不存在 CO2時(shí)吸附鉀蒸汽的焦炭嚴(yán)重粉化，而吸附鈉的基本不粉化，通過(guò)掃描電鏡能譜結(jié)合 X 射線衍射分析得知這是由于鉀和焦炭中灰分結(jié)合形成鉀霞石造成體積膨脹使裂紋發(fā)展、吸附量增加，并最終導(dǎo)致焦炭粉化， 而鈉只是少量吸附在焦炭表面。 鉀在焦炭灰分中大量富集解釋了高爐堿金屬富集區(qū)域焦炭中鉀含量總大于鈉含量的現(xiàn)象。 堿金屬在爐內(nèi)對(duì)焦炭強(qiáng)度變化的影響如圖 2 所示。
焦炭進(jìn)入爐身中部以后，首先發(fā)生的是溶損反應(yīng)：C＋CO2 ＝ 2CO，反應(yīng)從焦炭表面開(kāi)始發(fā)生，反應(yīng)的結(jié)果是焦炭表面的氣孔逐步變大，孔壁變薄，焦炭強(qiáng)度逐步降低；隨著焦炭的逐步下降，在爐腰部位，焦炭產(chǎn)生了絲狀組織；在風(fēng)口區(qū)域，焦炭反應(yīng)加速，灰分中的SiO2 開(kāi)始還原揮發(fā)，焦炭中的氣孔進(jìn)一步增加，同時(shí)渣鐵侵入到焦炭氣孔中。 遠(yuǎn)離回旋區(qū)的焦炭反應(yīng)速度變慢，形成了死焦堆，滯留在爐缸中。 焦炭在高爐內(nèi)組織變化的過(guò)程如圖3 所示。
2 風(fēng)口區(qū)焦炭行為的推定
風(fēng)口區(qū)域是焦炭在高爐內(nèi)部環(huán)境最惡劣區(qū)域， 也是各種化學(xué)反應(yīng)快速進(jìn)行的區(qū)域。 從風(fēng)口鼓入的熱風(fēng)和氧氣與焦炭和煤粉接觸進(jìn)行快速燃燒反應(yīng)， 產(chǎn)生CO 和 CO2 ，同時(shí)焦炭之間摩擦以及堿金屬蒸汽和渣鐵的滲入都會(huì)促使焦炭的劣化。 相關(guān)研究結(jié)果表明［8］ ，焦炭中的揮發(fā)分在高溫作用下會(huì)由氣孔壁析出，CO2 分子與渣鐵經(jīng)焦炭表面的氣孔滲入焦炭，對(duì)焦炭的表層進(jìn)行侵蝕；外層焦炭經(jīng)過(guò)渣鐵沖刷、滲碳、燃燒等一系列作用后，粉化并逐層剝離，反應(yīng)逐漸向焦炭核心進(jìn)行，焦炭粒度逐步變小，直至消失。
回旋區(qū)內(nèi)部焦炭在熱風(fēng)的推動(dòng)下，快速旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，相對(duì)塊度較大的焦炭堆積在風(fēng)口的下方、靠近爐墻的位置，焦炭的粉末則堆積在回旋區(qū)的正下方，即越靠近爐墻，焦炭粒度越大。 竺維春通過(guò)對(duì)首鋼京唐大型高爐在停風(fēng)時(shí)風(fēng)口取樣焦，分析認(rèn)為：風(fēng)口焦炭平均粒度在爐缸徑向的分布總體體現(xiàn)為由外及里逐漸降低至平穩(wěn)，拐點(diǎn)一般出現(xiàn)在距風(fēng)口 2～3 m 之間［9］。 風(fēng)口回旋區(qū)附近焦炭的行為和分布如圖 4 所示。
焦炭進(jìn)入風(fēng)口區(qū)后，在快速燃燒的同時(shí)快速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，部分焦炭由于磨損而粉碎，進(jìn)而提高了燃燒效率。 燃燒剩余的焦炭一部分貯存在風(fēng)口區(qū)外部的低流速區(qū)域，另一部分貯存在下部的焦炭之間，然后緩慢的向爐床移動(dòng)。 滴落帶里面鐵水滴落對(duì)焦炭的粒度影響較小；回旋區(qū)的外部焦炭會(huì)沉積在一起，粒度變化也很小。 風(fēng)口回旋區(qū)焦炭的去向路線如圖5 所示。
焦炭冷強(qiáng)度和熱強(qiáng)度（CSR）降低，會(huì)使入爐焦炭的粒度變小，會(huì)使回旋區(qū)內(nèi)產(chǎn)生粉化，在回旋區(qū)下部，焦粉層的增加會(huì)導(dǎo)致渣鐵流動(dòng)性的降低，進(jìn)而導(dǎo)致?tīng)t況惡化。
在風(fēng)口的下方，靠近爐墻的地方還有部分塊狀的焦炭，這些焦炭的來(lái)源有兩個(gè)：一是從兩個(gè)風(fēng)口之間的側(cè)面進(jìn)入；二是通過(guò)回旋區(qū)下方的局部流達(dá)到；這些焦炭通過(guò)溶損反應(yīng)和滲碳反應(yīng)，消耗較慢，粒度降解的也慢。
3 爐缸內(nèi)焦炭行為推定
在爐缸內(nèi)，焦炭越靠近爐底粒度越小，由于高爐中上部中心煤氣流中 CO2 含量較低，該區(qū)域內(nèi)的焦炭受溶損反應(yīng)（CO2＋C→CO）的影響較小，在高爐下部中心區(qū)域焦炭受燃燒及回旋區(qū)影響較小，所以在爐缸中心區(qū)域的焦炭粒度也較大。 這部分焦炭會(huì)緩慢的下降到爐底，但同時(shí)受到鐵水浮力的作用，部分焦炭會(huì)緩慢上浮到鐵口附近。 在上浮的過(guò)程中，由于鐵水滲碳作業(yè)，部分焦炭會(huì)逐步消失。 這個(gè)過(guò)程進(jìn)行的很慢，整個(gè)死焦堆如果全部置換完的話，大約需要 7 ～ 15 天。 根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)證明，死焦堆邊緣是焦炭消耗的區(qū)域，死焦堆里面的焦炭會(huì)向邊緣移動(dòng)。 焦炭熱強(qiáng)度變差后，粉末增多，透液性變差，因此其在爐芯和爐底部的移動(dòng)速度會(huì)變慢。
焦炭在爐缸內(nèi)行為的推定如圖 6 所示。
由于料柱重量和鐵水浮力的影響，死焦堆一般位于風(fēng)口水平線和爐底之間，正常生產(chǎn)時(shí)，死焦堆會(huì)浮起 1～2 m，液態(tài)渣鐵填充于死焦堆中。 因此，正常生產(chǎn)時(shí)鐵水流動(dòng)狀態(tài)和死焦堆的變化會(huì)影響爐缸的活躍度，進(jìn)而引起爐底溫度的變化。
4 緩解爐內(nèi)焦炭劣化的措施
在現(xiàn)代高爐冶煉條件下，隨著焦炭負(fù)荷和冶煉強(qiáng)度的提高，焦炭在高爐內(nèi)的滯留時(shí)間延長(zhǎng)，溶損率增加，焦炭劣化嚴(yán)重。 因此，采取必要的工藝手段，緩解焦炭的劣化顯得尤其重要，這些手段包括：強(qiáng)化高爐冶煉操作，優(yōu)化含鐵爐料和工藝參數(shù)，在一定程度可緩解焦炭在高爐內(nèi)的劣化，具體措施有［10］：采用高還原性礦石與高熱流比操作，使大量的氣體產(chǎn)物 CO2 在中溫區(qū)釋放出，避免與高溫焦炭接觸，以降低焦炭的溶損反應(yīng)；使用合理的風(fēng)速和鼓風(fēng)動(dòng)能 以避免風(fēng)口區(qū)粉焦上升；采用中心加焦和礦石混裝焦丁等疏松中心的裝料制度，使料柱的透氣性得到改善；采用低堿、低硫、高品位礦石及有效的排堿、排硫措施，高品位礦石還可以減少渣量，緩解焦炭的劣化，低堿金屬、低硫及排堿措施可有效降低焦炭劣化。 采用適宜的理論燃燒溫度，過(guò)高理論燃燒溫度使得回旋區(qū)的焦炭中的 SiO2 還原并大量揮發(fā)，甚至焦炭中的 CaO、MgO及 Al2O3 部分被還原，導(dǎo)致焦炭結(jié)構(gòu)變得更為疏松易碎。
5 結(jié)論
通過(guò)以上分析，得到以下結(jié)論：
（1）焦炭自爐頂加入高爐后，隨著爐料的下降，自爐身上部開(kāi)始，焦炭粒度變小，強(qiáng)度變差，反應(yīng)性升高，這與爐內(nèi)氣流分布和溫度分布密切相關(guān)。
（2）風(fēng)口區(qū)域是高爐內(nèi)部環(huán)境最惡劣的地區(qū)，也是各種化學(xué)反應(yīng)快速進(jìn)行的地區(qū)。 從風(fēng)口吹進(jìn)來(lái)的熱風(fēng)、氧氣與焦炭、煤粉發(fā)生接觸進(jìn)行快速燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生 CO。 同時(shí)，焦炭之間摩擦以及堿金屬蒸汽和渣鐵的滲入都會(huì)促使焦炭的劣化。
（3）由于料柱重量和鐵水浮力的影響，死焦堆一般位于風(fēng)口水平線和爐底之間，正常生產(chǎn)時(shí)，死焦堆會(huì)浮起 1～2 m，金屬鐵會(huì)填充在死焦堆中。
6 參考文獻(xiàn)
［1］ 孫榮克，方覺(jué)，范蘭，濤等．焦炭高溫性狀對(duì)高爐爐況的影響［J］．河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（1）：5．
［2］ 王再義，王相力，張偉，等． 焦炭質(zhì)量對(duì)高爐冶煉的影響［J］． 鞍 鋼技術(shù)，2011（1）：16．
［3］ 周傳典． 高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)［M］． 北京：冶金工業(yè)出版社， 2002：85．
［4］ 王筱留． 鋼鐵冶金學(xué)［M］．4 版．北京：冶金工業(yè)出版社，2013： 156．
［5］ 鄭朋超，張建良，劉征建，等． 堿金屬對(duì)焦炭熱性能的影響［J］．中國(guó)冶金，2017，27（5）：19．
［6］ 呂青青，杜屏，周俊蘭，等． 高爐塊狀帶焦炭劣化機(jī)理［J］． 鋼 鐵，2016，51（1）：13．
［7］ 趙宏博． 高爐堿金屬富集區(qū)域鉀鈉加劇焦炭劣化新認(rèn)識(shí)及其 量化控制模型［J］．北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（3）：333．
［8］ 呂青青．高爐風(fēng)口焦炭劣化過(guò)程研究［J］．上海金屬，2017，39 （5）：57．
［9］ 竺維春，張衛(wèi)東，王冬青，等． 超大型高爐風(fēng)口焦炭取樣分析研 究［J］． 鋼鐵研究，2014，42（2）：9．
［10］ 周傳典． 高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)［M］．北京：冶金工業(yè)出版 社，2002：87．