捣固焦炭内在质量及等反应后强度指标 - 冶金之家.DOC

捣固焦炭内在质量及等反应后强度指标 姚怀伟1，郑明东1，张小勇1，吴光友1，张献杰2 (1.安徽工业大学化学与化工学院，安徽 马鞍山 2430022.安徽省化工设计院，安徽 合肥 230009) 摘 要：为了研究捣固焦炭对大高炉的适应性，在1050～1200℃使用焦炭连续热反应装置对A类顶装焦、B类捣固焦、C类捣固焦3类焦炭进行等温等反应的溶损反应。当焦炭的失重率分别达到30%，35%，40%时，停止反应，通过I型转鼓检测焦炭的反应后强度。结果表明：捣固处理在一定程度上可以改善焦炭的热态性质在1100～1150℃时焦炭强度破坏程度最严重等反应后强度与国家标准CSR存在差异性。 关 键 词：焦炭等反应反应后强度 由于钢铁和焦炭产能过剩，一方面高炉对焦炭质量，尤其是热态性质提出了更高的要求，另一方面优质炼焦煤资源短缺。为降低炼焦成本，发展了配煤中添加弱黏煤甚至不黏煤的工艺与技术，捣固炼焦成为部分焦化企业新建焦炉的首选[1]。同样配煤结构情况下，捣固焦的冷态和热态性质确有较大程度的改善，但当使用稍高比例的弱黏煤炼焦时，焦炭的冷态强度与热反应性CRI和反应后强度CSR的相互关系与常规顶装焦炭所呈现的规律存在较大差异，使得捣固焦难以在大高炉上推广应用[2]。这里既有对捣固焦质量研究不够的问题，也有高炉过分强调焦炭热性质要求的缘故[3]。文献[4]对比研究了同样配比的顶装和捣固焦炭热性质，当配入较大弱黏煤或不黏煤时，由于捣固焦炭相对致密，存在虚反应性的现象。另外，国家标准CRI为等时间、等温度反应量，其标准忽略了捣固焦开始反应阶段扩散作用的影响，本文为此提出等反应后强度的概念[5]。Nomura等人[6]依据高炉操作，提出采用20%固定失重率的方法来评价焦炭溶损反应后强度。郭瑞等人[7]研究了控制失重率下焦炭的溶损动力学。炉料到风口焦炭溶损反应的最大量为35%左右，本文针对大容积高炉对焦炭性质需求，研究过程中也将失重率控制在这个范围内，采用连续热反应性装置研究捣固焦的热态性质变化规律，以期指导捣固配煤和客观评价捣固焦炭质量。 1 试验部分 1.1 试样 试验用焦炭分别取自国有大型钢铁企业顶装(A类)、捣固(B类)和大型民营焦化捣固(C类)生产焦。焦炭性能指标见表1。 1.2 试验方案 首先确定4个反应温度点(1050，1100，1150，1200℃)，当失重率达到30%，35%，40%时结束反应，分别测出焦炭等反应后强度，然后选出3类焦炭强度差异明显的数据作为参考标准，从而得出指标的温度和反应量。 1.3 试验方法与结果表征 焦炭工业分析采用GB/T2001—1991方法测定。机械强度M40和M10按照GB/T2006—2008方法测定，焦炭反应性及反应后强度采用GB/T4000—2008方法测定。 焦炭的光学组织、反应前后的显气孔率等指标分别采用YB/T077—1995和GB4511.1—84标准进行测定。 焦炭连续反应性测定在自行研制的连续热反应性装置上进行，按文献[8]所述方法自动记录任一时刻的反应量。并假设开始(θ0)焦炭的质量为m0，而任意时刻θi时反应后焦炭质量为mi，任意时刻θi时的焦炭转化率Xi定义为： 焦炭等反应性后强度测定：焦样用量200g，反应器升温至400℃时开始通N2保护，快速升温至指定温度(1050，1100，1150，1200℃)，恒温条件下通入CO2置换N2，气体流量为5L/min，当焦炭的失重率达到35%时，停止反应。切断CO2，试样在N2保护下降至室温。反应后的焦炭经过Ι型转鼓以20r/min的转速转30min，用大于10mm粒级的焦炭量(m20)占反应后焦炭质量(m10)的百分数表示焦炭的反应后强度(CSR35)。其定义为： 其他级别的等反应性后强度采用类似的指标计算。 另外，定义焦炭气孔率变化量(%)为： 焦炭气孔率变化量=反应后气孔率-反应前气孔率 2 结果与讨论 2.1 焦炭连续热反应性 3类焦炭分别在1050，1100，1150，1200℃与CO2发生碳溶反应，反应量的变化关系如图1所示。 显然，无论哪一类焦炭，不同温度下随时间的延长，焦炭溶损反应失重率都近似线性增加随着反应温度的升高，达到同一失重率所反应的时间缩短。这与碳溶反应为吸热反应有关，随反应温度升高，反应速率加快，反应时间缩短。 由于配合煤和焦炭碳质结构上的差异，3类焦炭单独表现的规律不尽相同，其区别在于动力学参数。按照文献[4]所述方法，略去计算过程，仅给出动力学模型。 由于CO2浓度恒定过量，焦炭动力学反应可近似看做零级反应，模型可简化为： B类和C类焦炭同为捣固焦，反应所需的活化能相近，且都小于A类顶装焦，这也决定了其在等反应的条件下反应速率较快，所用时间较短。 2.2 焦炭等反应后强度 3类焦炭的等反应后强度变化如图2所示。