第４０卷第３期 ２０１８年６月 甘肃冶金 Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．３ ＧＡＮＳＵ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ Ｊｕｎ．，２０１８ 文章编号：１６７２—４４６１ｆ ２０１８）０３ ００９１．０３ 焦炭反应性与反应后强度的再探讨 陈鹏 ．许红英 （１．唐山钢铁集团有限公司总工办，河北唐山０６３０１６；２．唐山科技职业技术学院冶金工程系，河北唐ＬＵ ０６３００１） 摘要：对比了焦炭反应性及反应后强度的测定方法与焦炭在高炉内劣化过程的差异，讨论了影响焦炭ＣＲＩ及 ＣＳＲ的主要因素，经过分析后认为，焦炭的反应性及反应后强度更多的是表征焦炭与ｃ０ 反应的活性，不能充分代 表焦炭在高炉中的热态性能。 关键词：焦炭；反应性；强度；热态性能 中图分类号：ＴＦ５２６．１ 文献标识码：Ｂ Ｔｈｅ Ｒｅ—Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｃｏｋｅ ＣＳＩ ａｎｄ ＣＳＲ ＣＨＥＮ Ｐｅｎｇ ，ＸＵ Ｈｏｎｇ—ｙｉｎｇ （１．Ｃｈｉｅｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ，Ｌｔｄ．，Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３０１６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｃｈｉｎａ ｓｔａｎｄａｒｄ“Ｃｏｋｅ—Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｆｔｅｒ ｒｅａｃｔｉｏｎ”ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｋｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ａｔｆｅｃｔｉｎｇ Ｃｏｋｅ ＣＲＩ ａｎｄ ＣＳＲ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｆｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｉｔ ｗａｓ ｂｅｌｉｅｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＣＲＩ ａｎｄ ＣＳＲ ｗｅｒｅ ｍｏｒｅ ｏｆ ａ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｋｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＣＯ２， ｎｏｔ ｆｕｌｌｙ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ｃｏｋｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｎ ｂｌａｓｔ ｆｕｒｎａｃｅ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｃｏｋｅ；ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ；ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ １ 引言 标准和ＩＳＯ标准仍然具有相似性［１－３１。其测定的核 心步骤是： 随着国内高炉的大型化和喷煤比的不断提高， 将焦炭样破碎成２３～２５ ｆｉｌｍ的粒状焦块，弃去 焦炭的反应性及反应后强度［＝ｌ （ＣＲＩ与ＣＳＲ）越来越 炉头焦、泡焦、薄片状焦和细条状焦，将厚片状焦和 受到炼铁工作者的重视，有些炼铁工作者甚至直接 较粗条状焦手工修整成颗粒状焦块，缩取２ ｋｇ后置 将其理解为焦炭在高炉中的热态性能，将其列为指 于Ｉ型转鼓中以２０ ｒ／ｒａｉｎ的转速旋转５０ ｒ，再用 导高炉操作的原则性指标。那么，焦炭的ＣＲＩ与 ２３ ｍｌＴｌ圆孔筛筛分，缩取９００ ｇ筛上物作为试样，用 ＣＳＲ是否真有这样的表征能力呢？下面我们将就这 四分法将试样分成４份．每份不少于２２０ ｇ，置于 一问题进行详细的探讨。 １７０～１８０℃烘箱中烘干２ ｈ，焦炭冷却至室温后再筛 ２ 焦炭ＣＲＩ与ＣＳＲ测定方法的来源 取２３ ｍｍ以上焦炭颗粒２００＋０．５ ｇ作为测试用样品。 与变革 将焦炭样品装人反应器，于１ １００℃下以 ５ Ｌ／ｒａｉｎ的流量通人ＣＯ，气体，反应２ ｈ，停止加热， 我国焦炭反应性及反应后强度的测定方法 通人氮气保护，让反应后的焦粒自然冷却。 （ＧＢ／Ｔ４０００—２００８）是参考新日铁１９８２年在《燃料 冷却的焦炭样称重后全部装人Ｉ型转鼓，以 协会志》上提出的《高炉用焦炭的ＣＯ，反应后强度 ２０ ｒ／ｍｉｎ的转速旋转３０ ｍｉｎ，取出后用１０ １ＴＩｍ圆孔 试验方法》所制定的 ２］，该标准在１９８３年由冶金部 筛筛分、称重。在结果计算中，ＣＲＩ被定义为：与 鞍山热能研究所首次提出，先后于１９９６年和２００８ ＣＯ。反应损失的焦炭质量占反应前焦炭总质量的百 年进行了修订，修订的内容主要是在制样方面，在焦 分数：ＣＳＲ被定义为：转鼓后大于１０ ｍｍ的焦炭占 炭ＣＲＩ及ＣＳＲ的测定过程上，与新日铁标准、美国 反应后残余焦炭的质量百分数。 嘲謦 溶荔粒 瓣Ｔ兰ｅＩｌⅡ： ０９３１９￣ 净哩№ ＆ｃｏｍ ９２ 甘肃 冶金 第４０卷 由国标中的试验步骤可以看出，试验设计者是 想通过规范性的试验，模拟出焦炭在高炉中的劣化 过程。其中，对焦炭制样的规定是让试验用焦粒尽 向异性组织发达的焦炭ＣＳＲ测定值较高＿５ ］。 （４）焦炭中的灰分。焦炭中的灰分对焦炭ＣＳＲ 的影响主要表现在三个方面，其一是灰分颗粒以镶 量模拟入炉焦炭的自然形态；对试验过程的规定则 是力求模拟出焦炭在高炉中劣化、溶损以及受到的 气流、液渣、液铁的机械冲击。在反应温度恒定、反 应物ＣＯ，浓度恒定的条件下，试验焦粒的溶损反应 速率及反应后强度仅与焦炭本身的性质相关。 嵌的方式存在于焦炭多孑Ｌ结构的气孔壁上，形成微 观组织缺陷，是炭溶反应的活化点，具有催化反应进 行的能力：其二是焦炭多孔体在高温下收缩时，灰分 颗粒的热应力却是膨胀的，形成微观裂纹，破坏焦炭 多孑Ｌ体在高温下的机械强度 ：第＿三＝是焦炭灰分中 的金属氧化物对炭溶反应具有催化作用ｌ卜 ，导致 ３ 影响焦炭ＣＲＩ及ＣＳＲ的主要因素 （１）焦炭的气孑Ｌ结构与气孑Ｌ壁厚度。焦炭与ＣＯ， 反应时，焦炭的孔隙结构越发达，气孑Ｌ壁越薄，则 ＣＯ，扩散至焦炭内部越容易．ＣＯ，与焦炭的接触表 面越多．反应活化位点也越多，反应速度越快，则 ＣＲＩ越高。同时，焦炭中炭质材料的反应和溶解也 焦炭的ＣＲＩ升高，ＣＳＲ降低。 ４焦炭在高炉内的行为分析 焦炭在高炉内随炉料下降过程中，首先经历了 干燥、升温阶段，８５０ ｏＣ之前溶损极少：８５０～ １ １００ 开始与煤气中的ＣＯ，发生气化溶损反应，此 时反应处于化学反应速率控制阶段，反应在焦炭气 孔内部和表面同时进行，但反应速率较低，焦炭溶损 较少【 刮。进入高炉软熔带，焦炭温度从１ １００℃逐 步升温至１ ４００℃，此时能量满足炭溶反应的活化 能要求，反应速率大幅度升高，反应主要取决于ＣＯ， 的扩散速度．反应主要在焦炭表面发生。这一阶段， 导致焦炭中的微气孔扩大和气孑Ｌ合并，焦炭的多孑Ｌ 结构受到破坏．焦炭的ＣＳＲ也随之大幅度下降。国 家标准中，要求弃去泡焦和炉头焦，就是因为泡焦和 炉头焦的气孑Ｌ结构与常规焦炭差异巨大，炼焦生产 中又不可避免会产生，由于其总量很少．对焦炭层在 高炉中的整体劣化过程影响很小，但对ＣＲＩ及ＣＳＲ 测定的重复性影响较大。 （２）ｉ贝４试用焦块的粒度结构。正常生产中，焦炭 一焦炭的溶损率可达２５％～３０％［６－８］。进入风口回旋 区，焦炭剧烈燃烧，未燃烧的焦炭进入死料柱发生铁 水渗碳反应。 般是块状，很少有片状或细长条状焦炭出现，但在 常呈现薄片状或细长条状。从测试角度看，焦粒的 焦炭的ＣＲＩ及ＣＳＲ测定过程中，破碎的焦粒则会经 各方向径向长度应尽可能一致，才能有效反应焦炭 本身与ＣＯ，反应的速率及炭溶反应对焦炭多孑Ｌ结构 的破坏程度。否则ＣＯ，就会优先从焦粒径向长度最 焦炭在高炉内的劣化主要有四个方面，其一是 随温度升高至１ ０００ 以上，超过炼焦终温，焦炭内 的炭链进一步缩聚所导致的热应力裂纹及碎裂：其 二是炭溶反应的溶损；其三是软熔带气流、液渣、液 铁的冲刷破坏；其四是高炉内碱金属对焦炭碳链结 构的插人破坏及对炭溶反应的催化作用＿６ Ｊ。 短的方向优先进行反应，炭溶反应对焦炭多孑Ｌ结构 的破坏作用也会被放大，测试结果就会失去准确性。 （３）焦炭的显微结构组成。焦炭的显微结构组成 分为两大类，分别是光学各向同性（包括各向同性、 类丝炭和破片）和光学各向异性（包括细粒镶嵌、粗 粒镶嵌、流动状结构、片状结构和基础各向异性）。 光学各向同性组织主要来源于炼焦煤中的丝质组等 ５结果与讨论 从焦炭在高炉内的劣化过程分析可知．焦炭的 反应性及反应后强度测定条件与高炉内焦炭的实际 劣化过程差异极大，主要表现在： （１）高炉煤气中ＣＯ，浓度仅占２０％～３０％，其中 惰性组分．其在炼焦过程中有分解反应，但不软化； 光学各向异性组织主要来源于炼焦煤中的镜质组等 活性组分。是炼焦过程中镜质组软化熔融后形成的中 间相小球浸润、流动、粘结固化的产物ｌ４］。从微观结 构上看，光学各向同性组织属于碳链的杂乱排列，结 构中的缺陷及与ＣＯ，反应的活性位点较多。因此与 ＣＯ，反应的速率较高，炭溶反应对焦炭微观结构的破 坏相对严重：光学各向异性组织属于碳链的有序排 含有大量的氮气、ＣＯ等气体，与测定中的１００％ ＣＯ，不同，说明测试中的反应物浓度被人为提高，焦 炭的溶损率较高炉实际被夸大。 （２）测试中的ＣＯ，流速远低于高炉中的实际气流速 度，ｃ０，能够充分扩散到焦炭的气孔内部，炭溶反应主 要发生焦炭气孑Ｌ内部。对焦炭的气孑Ｌ结构破坏较大。与 高炉中炭溶反应主要发生在焦炭表面差异较大。 （３）测试温度维持在１ １００℃，测试时间２ ｈ，与焦 列，结构中的缺陷及与ＣＯ，反应的活性位点较少，炭 溶反应对焦炭微观结构的破坏相对较轻，因此光学各 炭在高炉软熔带的升温历程、反应时间有较大差异。 （４）焦炭ＣＲＩ及ＣＳＲ是在无碱的情况下进行的． 监理蓝野ｇ，ｑｌｑｓ／ｏＮ￥ＹＰＥ－ｍａｉＩ：Ｇ ＳＬＹＪＬ＠１２６……。…６ 第３期 陈 鹏，等：焦炭反应性与反应后强度的再探讨 ９３ 但高炉内部都存在着不同程度的碱循环，各高炉内 参考文献： ［１］ 同家质馈监督检验检疫总局．ＧＢ／Ｔ ４０００—２００８焦炭 反应性肢反心后强度试验方法［Ｓ］．北京：国家质量监督检 验检疫总局．２００８． 部都有一定量的碱金属存在。周师庸等 ４－８ｊ的研究 表明，在高炉内有碱的条件下，焦炭中的光学各向同 性组织和光学各向异性组织与ＣＯ，的反应活性都提 高，但各向异性组织的提高幅度远大于各向同性组 织。这是由于在有碱的条件下，碱金属会插入到焦 炭的碳链结构中形成层间化合物，破坏其微观结构 稳定性，提高炭基质的反应活性。由于各向异性的 碳链排序比各向同性更规范，因此这种层问化合物 对各向异性结构的破坏性更大 ［２］ 胡德 ｔ－－．，孙维周．焦炭反应性及反应后强度试验方法一 ｌｆＩ国困家标准的商榷『Ｊ］．宝钢技术，２ｏ１５（Ｏ１）：５－８． ［３］ 张前乔，薛改凤，陈鹏．ＧＢ／Ｔ４０００焦炭试样制备方 法的改进［Ｊ］．武钢技术，２００９，４７（０４）：１９—２１． ［４］ 周师晰，赵俊曰．炼焦煤性质与高炉焦炭质量［Ｍ］．北 京：冶金Ｔ业ｊｆＪ版礼，２００５：３６一ｌ３０． 『５］ 吴瑞，张德洋．贫煤、贫瘦煤对焦炭光学组织的影响 ６ 结语 焦炭的反应性及反应后强度测定，主要表征的 ［Ｊ］．燃料与化Ｉ：，２０１１，４２（Ｏ１）：１０—１２． ｆ６］ 周师晰．从对焦炭 高炉中劣化过程认识的深化探讨 脱行高炉焦炭质量指标的模拟性和传统配煤技术概念更新 的必要性『Ｍ］．２００２年全罔炼铁生产技术暨炼铁年会论义 集，２００２：２７９—２８３． ｆ ７１ 胡德生．灰成分对焦炭热性能的影响［Ｊ］．钢铁。２００２， ３７（０８）：９—１３． 是焦炭与ＣＯ，反应的活性，能够部分模拟焦炭在高 炉软熔带之前的劣化情况，不能充分反应焦炭在高 炉中的劣化、反应和溶损过程，而且两项指标中， ＣＲＩ比ＣＳＲ的模拟性更好。那种认为ＣＳＲ就是焦 『８］ 胡德生，孙维周．最新认识高炉用焦炭与ＣＯ，的反应 性［Ｊ］．宝钢技术．２０１３（０６）：６—１１． ｆ ９］ 徐种，张 松，白金锋，等．碱金属氧化物对焦炭热 炭在高炉中热性能的完全体现，将ＣＳＲ作为指导高 炉操作的原则性指标．甚至以入炉焦与风口焦的 ＣＳＲ变化差异作为焦炭质量的衡量指标的做法．是 非常值得商榷的 态性能的影响［Ｊ１．冶金能源，２０１３．３２（Ｏ１）：４２—４４． 收稿日期：２Ｏ１７。１１ Ｏｌ 作者简介：陈埘乌．男．河北人．研究生．１ 程师从事化Ｉ：方向研究 （上接第８０页） 照射指数，‰≤１．０，外照射指数， ≤１．０的规定，可以 作装修材料使用 其产销不受限制。 ３．４围岩和夹石 本矿区矿脉的同岩，主要为深灰黑色中细粒长 石石英砂岩。次要为炭质页岩。中细粒长石石英砂 矿石脉体倾陡 延伸深，平均厚度在３ ｎ 左右。构 造发育，岩石质量较好，岩体局部不稳固。矿区内有 两种矿石：浅部风化残积型高岭土矿和深部原生高 岭土（细晶岩）矿。浅部风化残积型高岭土矿为原 生高岭土（细品岩）的风化物，分布厚度小，分布规 模小，各成分因分化，分布不均，变化系数较大。深 部原生高岭土（细品岩）为未风化或弱风化矿石，分 布规模大，延伸面积大．各成分分布均匀，变化系数 小。是一个质优量大的矿山。 岩呈深灰黑色，主要由石英、长石、云母及电气石等 碎屑及绢云母黏土矿物、绿泥石等胶结物组成。 炭质页岩呈黑色．主要由黏土矿物、绢云母、碳 质、石英、云母等组成，岩石变质程度较强，断口具下 枚状、微层状构造，显示较强的定向性。 尽管矿体两侧隔岩有较明显的绿泥石化、水云 矿区矿体在走向上延伸较大，厚度稳定。倾向 上延展面大，延伸稳定。矿石质量随埋深的增加，越 母化蚀变现象．但矿体与围岩的颜色有明显差异，界 线非常清晰，肉眼可分辨。矿脉部分地方被断层错 趋稳定，矿体厚度稳定 具有较好的深部找矿前景。 参考文献： 『１］ 广东省地质矿产局．区域地质志［Ｍ］．北京：地质ｆ１Ｊ版 ｝ｔ．１９８８：５６３—５６６． 断。断层处多有断层泥、炭质物等。部分错断处矿 围界线较为模糊。 矿体内部分矿段有较多夹石存在，夹石为细晶 岩脉体的捕掳体。捕掳体岩性为中细粒长石石英砂 岩 夹石与矿石分界明显，易于区分，夹石对矿石质 量影响较小。 『２］ 张天乐，王宗良．福建龙柑高岭土矿床地质特征及成矿 作用ｆ Ｊ］．地球学报，１９９６（０３）：２９２—３００． 收稿日期：２０１７—１ １—９＿９ ４ 结语 本矿区矿床赋存于当地最低侵蚀基准面之下， 作者简介：李震卞（１９９１一），男，２０１３年毕业于东华理７－大学资源勘 ＿『 程々、 现从事地质矿产勘查和找矿Ｔ作 蓝野监理ｌＯＯ￣￣＇ｌＳ￥ｌｌｐ，ｌＩｌ：Ｇ ＳＬ Ｙ，Ｉ Ｌ＠ １２６－ｒ（１ｍ Ｅ－ｍ㈣眦