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(xué)材料與冶金學(xué)院(稀土學(xué)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(chǎng)， 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(shù)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?xún)r(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。隨著低碳時(shí)代的來(lái)臨和大噴煤技術(shù)的運(yùn)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(guò)程中的熱態(tài)性能變化對(duì)指導(dǎo)白云鄂博礦的高效冶煉至關(guān)重要。以從包鋼4號(hào)高爐中取出的入爐焦與風(fēng)口焦為研究對(duì)象，使用X射線(xiàn)衍射儀、熱重立式爐、掃描電鏡、能譜儀等分析手段，對(duì)比研究了它們的基礎(chǔ)特性、灰分的主要物相、反應(yīng)性(CRI)與反應(yīng)后強(qiáng)度(CSR)、微觀(guān)孔隙結(jié)構(gòu)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(jié)果表明，高爐中的焦炭在下降過(guò)程中發(fā)生氣化反應(yīng)，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?dú)馕?，質(zhì)量沒(méi)有減少反而增加；后期焦炭發(fā)生碳?xì)饣磻?yīng)，質(zhì)量快速下降，風(fēng)口焦的反應(yīng)性提高，反應(yīng)后強(qiáng)度降低。風(fēng)口焦表面出現(xiàn)了類(lèi)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(fēng)口焦中富集，堿性氧化物含量增加。風(fēng)口焦石墨碳所對(duì)應(yīng)的(002)衍射峰半峰寬急劇減小，扁平峰消失，峰形尖銳。晶體結(jié)構(gòu)趨向有序，石墨化程度提高。

關(guān)鍵詞：焦炭； 白云鄂博礦； 熱態(tài)性能； 碳?xì)饣?nbsp;熱穩(wěn)定性

1 引言

白云鄂博礦區(qū)是國(guó)家重要的戰(zhàn)略資源寶庫(kù)，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(jì)采出鐵礦石4億多噸，包鋼累計(jì)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(shí)現(xiàn)企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的優(yōu)勢(shì)所在、機(jī)遇所在、使命所在、責(zé)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(lái)有大量的研究圍繞著白云鄂博礦展開(kāi)。

焦炭是由煉焦煤在焦?fàn)t中經(jīng)過(guò)高溫干餾轉(zhuǎn)化而來(lái)，自從1709年Darby首次用焦炭來(lái)進(jìn)行高爐煉鐵以來(lái)，冶金焦炭已經(jīng)成為現(xiàn)代高爐煉鐵技術(shù)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?xún)r(jià)值和經(jīng)濟(jì)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(shí)代的來(lái)臨和大噴煤技術(shù)的運(yùn)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(duì)焦炭質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。同時(shí)，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(guó)家主席習(xí)近平曾多次強(qiáng)調(diào)，要構(gòu)建起碳達(dá)峰、碳中和“1+N”政策體系，持續(xù)推進(jìn)能源、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)，推動(dòng)綠色低碳技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，為全球應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的努力作出積極貢獻(xiàn)。為此，深入了解焦炭在二次加熱時(shí)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?yàn)樗潜碚鹘固抠|(zhì)量暨焦炭能否在高爐中保證原有顆粒組成和強(qiáng)度的重要特性。

在焦炭二次加熱過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)互相矛盾的兩個(gè)方面：一方面發(fā)生膠質(zhì)體的固化和焦炭多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固化過(guò)程；另一方面發(fā)生焦炭生成裂紋和其他缺陷(過(guò)剩氣體和蜂窩)的過(guò)程。在二次加熱時(shí)，如果說(shuō)多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固化過(guò)程可以提高焦炭的強(qiáng)度，那么結(jié)構(gòu)缺陷的產(chǎn)生過(guò)程就會(huì)降低焦炭強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究，學(xué)者們總結(jié)出促使焦炭在高爐中破壞的因素主要有：機(jī)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(duì)焦炭熱性能的影響，研究結(jié)果表明，礦物質(zhì)對(duì)焦炭的溶損反應(yīng)表現(xiàn)在兩個(gè)方面，即破壞焦炭的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和對(duì)熱反應(yīng)速度的催化作用；張淑會(huì)等研究了有害元素對(duì)焦炭的影響，研究結(jié)果表明，K、Na、Zn和Cl均對(duì)焦炭氣化反應(yīng)起催化作用，其中K、Na、Zn的催化機(jī)理包括氧傳遞、層間化合物和電子轉(zhuǎn)移3種理論；高向洲等研究了堿金屬及氯化物對(duì)包鋼焦炭熱性能的影響，研究結(jié)果表明，單質(zhì)鉀蒸氣在焦炭上吸附后，對(duì)焦炭熱性能的破壞極為嚴(yán)重；陶宏亮等研究了不同F(xiàn)eO含量的爐渣對(duì)焦炭侵蝕的影響，研究結(jié)果表明，含F(xiàn)eO的爐渣對(duì)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(guān)結(jié)構(gòu)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(shí)的熱態(tài)性能變化對(duì)指導(dǎo)白云鄂博礦高效冶煉至關(guān)重要，同時(shí)，對(duì)高爐煉鐵過(guò)程節(jié)能減排和降本增效具有重要意義。

2 精選圖表

3 結(jié)論

(1)與入爐焦相比，風(fēng)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(fēng)口焦石墨碳所對(duì)應(yīng)的(002)衍射峰半峰寬急劇減小，扁平峰消失，峰形尖銳，碳結(jié)構(gòu)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?dú)馕剑|(zhì)量不減反增。后期焦炭發(fā)生碳?xì)饣磻?yīng)，質(zhì)量快速下降，風(fēng)口焦反應(yīng)性提高，反應(yīng)后強(qiáng)度降低。

(4)焦炭在高爐中受到熱沖擊，線(xiàn)膨脹系數(shù)增大，裂紋數(shù)增多，強(qiáng)度降低。與入爐焦相比，風(fēng)口焦的孔隙數(shù)明顯增多，且出現(xiàn)了類(lèi)似蜂窩狀孔隙，并且隨著孔隙的不斷擴(kuò)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(yīng)的速率，并降低焦炭與CO₂的開(kāi)始反應(yīng)溫度，從而提高焦炭的反應(yīng)性。同時(shí)，堿金屬中的K、Na在滲入到焦炭基質(zhì)的過(guò)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(dǎo)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(jī)械強(qiáng)度和塊度急劇下降。