焦炭在白云鄂博礦高爐冶煉中的熱態(tài)性能變化
王宇1,2，樊瑩杰1，柴軼凡1，王藝慈1，羅果萍1，安勝利1
(1. 內(nèi)蒙古科技大學材料與冶金學院(稀土學院)， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2. 內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司煉鐵廠， 內(nèi)蒙古 包頭 014010)
摘要：冶金焦炭已經(jīng)成為現(xiàn)代高爐煉鐵技術所需的必備原料之一，被喻為鋼鐵工業(yè)的“基本食糧”，具有重要的戰(zhàn)略價值和經(jīng)濟意義。隨著低碳時代的來臨和大噴煤技術的運用，焦炭的功能逐漸被替代。為了保證爐內(nèi)的透氣性以及透液性，作為高爐軟熔帶的“百葉窗”，焦炭作為料柱骨架和通道的作用更為突出，因此深入理解焦炭在白云鄂博礦高爐冶煉過程中的熱態(tài)性能變化對指導白云鄂博礦的高效冶煉至關重要。以從包鋼4號高爐中取出的入爐焦與風口焦為研究對象，使用X射線衍射儀、熱重立式爐、掃描電鏡、能譜儀等分析手段，對比研究了它們的基礎特性、灰分的主要物相、反應性(CRI)與反應后強度(CSR)、微觀孔隙結構及堿金屬的含量及分布，從而得到焦炭在白云鄂博礦冶煉中的熱態(tài)性能變化。結果表明，高爐中的焦炭在下降過程中發(fā)生氣化反應，灰分含量提高，揮發(fā)分含量降低，SiO2含量顯著降低，但是CaO、K2O、Na2O、MgO等堿性氧化物含量有所增加。二次加熱前期焦炭發(fā)生氮氣吸附，質(zhì)量沒有減少反而增加；后期焦炭發(fā)生碳氣化反應，質(zhì)量快速下降，風口焦的反應性提高，反應后強度降低。風口焦表面出現(xiàn)了類似蜂窩狀的孔隙，且孔隙分布不均勻，特別是被渣鐵侵蝕的焦炭基質(zhì)，其氣孔壁變得粗糙，孔隙出現(xiàn)合并。堿金屬在風口焦中富集，堿性氧化物含量增加。風口焦石墨碳所對應的(002)衍射峰半峰寬急劇減小，扁平峰消失，峰形尖銳。晶體結構趨向有序，石墨化程度提高。
關鍵詞：焦炭； 白云鄂博礦； 熱態(tài)性能； 碳氣化； 熱穩(wěn)定性
1 引言
白云鄂博礦區(qū)是國家重要的戰(zhàn)略資源寶庫，也是支撐包鋼發(fā)展的第一資源。截至2019年，白云鄂博礦累計采出鐵礦石4億多噸，包鋼累計生產(chǎn)鋼材2億多噸。加大白云鄂博礦高效冶煉的研究力度，是包鋼實現(xiàn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的優(yōu)勢所在、機遇所在、使命所在、責任所在。由于白云鄂博礦中有大量的白云巖、霓石巖和螢石，使得礦物中的氟、磷、鉀、鈉等煉鐵有害元素一直困擾著人們，幾十年來有大量的研究圍繞著白云鄂博礦展開。
焦炭是由煉焦煤在焦爐中經(jīng)過高溫干餾轉化而來，自從1709年Darby首次用焦炭來進行高爐煉鐵以來，冶金焦炭已經(jīng)成為現(xiàn)代高爐煉鐵技術所需的必備原料之一，被喻為鋼鐵工業(yè)的“基本食糧”，具有重要的戰(zhàn)略價值和經(jīng)濟意義。焦炭在高爐中一直發(fā)揮著4大作用：滲碳劑、還原劑、熱源以及最重要的作為料柱骨架的作用。隨著低碳時代的來臨和大噴煤技術的運用，焦炭的前3大功能逐漸被替代。為了保證爐內(nèi)的透氣性以及透液性，作為高爐軟熔帶的“百葉窗”，其作為料柱骨架和通道的作用更為突出，因此高爐對焦炭質(zhì)量的要求也越來越高。同時，在鋼鐵冶金生產(chǎn)工序中，煉鐵工序的能耗所占比例最大，在低碳冶金的大環(huán)境下，降低焦炭消耗是煉鐵節(jié)能的主要方向之一。國家主席習近平曾多次強調(diào)，要構建起碳達峰、碳中和“1+N”政策體系，持續(xù)推進能源、產(chǎn)業(yè)結構轉型升級，推動綠色低碳技術研發(fā)應用，為全球應對氣候變化、推動能源轉型的努力作出積極貢獻。為此，深入了解焦炭在二次加熱時的熱態(tài)性能變化，保證焦炭在高爐中的熱穩(wěn)定性就顯得尤為重要，因為它是表征焦炭質(zhì)量暨焦炭能否在高爐中保證原有顆粒組成和強度的重要特性。
在焦炭二次加熱過程中，會出現(xiàn)互相矛盾的兩個方面：一方面發(fā)生膠質(zhì)體的固化和焦炭多孔網(wǎng)狀結構的堅固化過程；另一方面發(fā)生焦炭生成裂紋和其他缺陷(過剩氣體和蜂窩)的過程。在二次加熱時，如果說多孔網(wǎng)狀結構的堅固化過程可以提高焦炭的強度，那么結構缺陷的產(chǎn)生過程就會降低焦炭強度。經(jīng)過大量的試驗研究，學者們總結出促使焦炭在高爐中破壞的因素主要有：機械破壞作用，礦物質(zhì)、堿金屬、熱蒸汽以及渣鐵的侵蝕作用以及熱破壞作用。胡濤研究了礦物質(zhì)對焦炭熱性能的影響，研究結果表明，礦物質(zhì)對焦炭的溶損反應表現(xiàn)在兩個方面，即破壞焦炭的微觀結構和對熱反應速度的催化作用；張淑會等研究了有害元素對焦炭的影響，研究結果表明，K、Na、Zn和Cl均對焦炭氣化反應起催化作用，其中K、Na、Zn的催化機理包括氧傳遞、層間化合物和電子轉移3種理論；高向洲等研究了堿金屬及氯化物對包鋼焦炭熱性能的影響，研究結果表明，單質(zhì)鉀蒸氣在焦炭上吸附后，對焦炭熱性能的破壞極為嚴重；陶宏亮等研究了不同F(xiàn)eO含量的爐渣對焦炭侵蝕的影響，研究結果表明，含F(xiàn)eO的爐渣對焦炭沖刷促使焦炭在高爐內(nèi)劣化，隨著爐渣中FeO量增加焦炭受爐渣侵蝕后氣孔壁受到的破壞逐漸加劇，焦炭的微觀結構受到的破壞加劇。
焦炭是留在高爐下部高溫區(qū)的唯一固體物質(zhì)，深入了解焦炭在白云鄂博礦冶煉中二次加熱時的熱態(tài)性能變化對指導白云鄂博礦高效冶煉至關重要，同時，對高爐煉鐵過程節(jié)能減排和降本增效具有重要意義。
2 精選圖表
3 結論
(1)與入爐焦相比，風口焦的灰分含量提高，揮發(fā)分含量降低，SiO2含量顯著降低，但是CaO、K2O、Na2O、MgO等堿性氧化物含量有所增加。
(2)風口焦石墨碳所對應的(002)衍射峰半峰寬急劇減小，扁平峰消失，峰形尖銳，碳結構有序化程度提高，石墨化程度升高。
(3)二次加熱前期焦炭發(fā)生氮氣吸附，質(zhì)量不減反增。后期焦炭發(fā)生碳氣化反應，質(zhì)量快速下降，風口焦反應性提高，反應后強度降低。
(4)焦炭在高爐中受到熱沖擊，線膨脹系數(shù)增大，裂紋數(shù)增多，強度降低。與入爐焦相比，風口焦的孔隙數(shù)明顯增多，且出現(xiàn)了類似蜂窩狀孔隙，并且隨著孔隙的不斷擴大，出現(xiàn)了孔隙合并的現(xiàn)象。
(5)堿金屬提高了焦炭氣化反應的速率，并降低焦炭與CO2的開始反應溫度，從而提高焦炭的反應性。同時，堿金屬中的K、Na在滲入到焦炭基質(zhì)的過程中附著在焦炭孔壁上并生成含堿的金屬鹽和層間化合物，導致片層間距增加、體積增大并造成焦炭基體出現(xiàn)微裂紋，機械強度和塊度急劇下降。
