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 韓國浦項制鐵株式會社）
摘要：結(jié)合生產(chǎn)實踐，研究了焦炭在爐內(nèi)的行為及其對爐缸溫度變化的影響，分析認(rèn)為爐缸鐵水的流動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導(dǎo)致高爐透氣性變差，進(jìn)而導(dǎo)致爐況不穩(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)致爐缸內(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，焦炭自爐頂加入高爐后，隨著爐料的下降，自爐身上部開始，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，焦炭僅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)運動并與氧反應(yīng)；當(dāng)鼓風(fēng)動能達(dá)到一 定數(shù)值時，將推動風(fēng)口前焦炭，形成一個疏松而近于球形的區(qū)域，焦炭塊在其中做高速循環(huán)運動，速度可達(dá) 10 m ／ s 以上。 在這個循環(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)運動的力量，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)的研究報告證實了這一結(jié)構(gòu)特征的存在［4］。 焦炭在高爐內(nèi)的變化過程如圖1所示，國內(nèi)外的高爐解剖工作也證實了焦炭在高爐內(nèi)的性狀變化。
近幾年，國內(nèi)外學(xué)者對堿金屬對焦炭的影響進(jìn)行了大量的研究。 鄭朋超等通過實驗研究認(rèn)為［5］ ，焦炭同時吸附鉀鈉蒸氣時，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，鉀鈉質(zhì)量比為3 ／ 7時焦炭反應(yīng)性最大， 反應(yīng)后強(qiáng)度最小。 呂青青等通過研究認(rèn)為［6］，在塊狀帶，堿金屬會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 博等通過實驗研究認(rèn)為［7］，1300 ℃ 不存在 CO2時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 開始還原揮發(fā)，焦炭中的氣孔進(jìn)一步增加，同時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 ，同時焦炭之間摩擦以及堿金屬蒸汽和渣鐵的滲入都會促使焦炭的劣化。 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，對焦炭的表層進(jìn)行侵蝕；外層焦炭經(jīng)過渣鐵沖刷、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)的推動下，快速旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)的同時，相對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。 竺維春通過對首鋼京唐大型高爐在停風(fēng)時風(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，在快速燃燒的同時快速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程中，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。 滴落帶里面鐵水滴落對焦炭的粒度影響較小；回旋區(qū)的外部焦炭會沉積在一起，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，會使入爐焦炭的粒度變小，會使回旋區(qū)內(nèi)產(chǎn)生粉化，在回旋區(qū)下部，焦粉層的增加會導(dǎo)致渣鐵流動性的降低，進(jìn)而導(dǎo)致爐況惡化。
在風(fēng)口的下方，靠近爐墻的地方還有部分塊狀的焦炭，這些焦炭的來源有兩個：一是從兩個風(fēng)口之間的側(cè)面進(jìn)入；二是通過回旋區(qū)下方的局部流達(dá)到；這些焦炭通過溶損反應(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。 這部分焦炭會緩慢的下降到爐底，但同時受到鐵水浮力的作用，部分焦炭會緩慢上浮到鐵口附近。 在上浮的過程中，由于鐵水滲碳作業(yè)，部分焦炭會逐步消失。 這個過程進(jìn)行的很慢，整個死焦堆如果全部置換完的話，大約需要 7 ～ 15 天。 根據(jù)前人的實驗證明，死焦堆邊緣是焦炭消耗的區(qū)域，死焦堆里面的焦炭會向邊緣移動。 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速度會變慢。
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，死焦堆會浮起 1～2 m，液態(tài)渣鐵填充于死焦堆中。 因此，正常生產(chǎn)時鐵水流動狀態(tài)和死焦堆的變化會影響爐缸的活躍度，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)的滯留時間延長，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，焦炭之間摩擦以及堿金屬蒸汽和渣鐵的滲入都會促使焦炭的劣化。
（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，死焦堆會浮起 1～2 m，金屬鐵會填充在死焦堆中。
6 參考文獻(xiàn)
［1］ 孫榮克，方覺，范蘭，濤等．焦炭高溫性狀對高爐爐況的影響［J］．河北理工大學(xué)學(xué)報，2009，31（1）：5．
［2］ 王再義，王相力，張偉，等． 焦炭質(zhì)量對高爐冶煉的影響［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［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． 堿金屬對焦炭熱性能的影響［J］．中國冶金，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)識及其 量化控制模型［J］．北京科技大學(xué)學(xué)報，2012，34（3）：333．
［8］ 呂青青．高爐風(fēng)口焦炭劣化過程研究［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［M］．北京：冶金工業(yè)出版 社，2002：87．