CN114002054B - 一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法 - Google Patents

一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法，包括以下步骤：称取预设质量m1的焦炭试样，焦炭试样的初始温度为T0和比热容为Cp；将称取的焦炭试样在35％CO2+5％H2O+60％N2的氛围下升温并保温；将块煤试样在20％CO2+80％N2的氛围下，升温至700℃～850℃并保温；将焦炭试样在90％CO2+10％H2O的氛围下升温至1100℃，然后将气氛切换为85％CO2+15％H2O，反应完全；计算获得焦炭反应性CI；通过红外热像仪和电子压力试验机测定反应后焦炭的破碎功和耗散热，以此计算得出反应后焦炭的新生表面能，用以表征焦炭的反应后强度。

Description

一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法
技术领域
本发明属于高炉炼铁技术领域，涉及一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法。
背景技术
氢还原炼铁法是用氢替代一部分的碳作为炼铁还原剂，使炼铁工序中产生水，而不是二氧化碳，从而大幅度减少温室气体的排放。在关于氢还原炼铁的相关研发中，富氢高炉冶炼是未来低碳炼铁的一个主要的方向。无论是传统高炉还是富氢高炉，焦炭都是高炉内唯一的骨架支柱，且随着富氢比例的提升，高炉内由于H2还原所产生的H2O大幅增加，与CO2类似，H2O在高温下会与焦炭发生气化反应，使得焦炭发生劣化。且富氢以后高炉焦比明显降低，焦炭在高炉内停留的时间被延长，由焦炭劣化所产生的大量焦粉随着煤气上升堵塞料层和填充床，严重影响高炉顺行，进而导致企业能耗大幅上升，焦炭强度劣化与降解行为对高炉焦比、燃料比、煤气利用率、热效率、透气透液性等都有非常重要的影响，尤其是焦炭填充层的透气性和透液性是整个高炉强化冶炼的限制性环节，因此合理准确评价焦炭的高温性能对降低高炉能耗和发展氢能炼铁都至关重要。
目前焦炭质量的主要评价指标是焦炭的高温性能即焦炭反应性及反应后强度，也是传统高炉常用的焦炭高温性能评价方法，企业及科研单位主要参考的是国标《焦炭反应性及反应后强度实验方法》(GB/T 4000-2008)。该方法是将一定粒度焦炭在1100℃与CO2反应2h，以失重率作为评价焦炭的高温反应性的指标，然后将反应后的焦炭在转鼓设备中进行破碎，将破碎后大于10mm的焦炭颗粒所占比重作为焦炭的反应后强度指标。这种方法的主要缺陷有三：一是所采用的转鼓设备较大，测试难度和所需试样量都很大；二是仅用大于10mm的焦炭颗粒所占比重作为评价焦炭反应后强度的指标，忽略了溶损劣化后不同粒径分布的焦炭对高炉的危害不同，例如粒径<1mm；1mm～3mm；3mm～5mm；5mm～8mm等焦炭或焦粉对高炉危害完全不同，粒径越小危害越大。实际过程中完全可能出现转鼓实验后大于10mm的焦炭颗粒所占比重较高(即反应后强度指标较高)，但小于1mm或小于3mm的比例也很高的情况，这就出现了焦炭测试的高温性能指标很好，但实际生产应用却较差的情况，捣固焦和高反应性焦炭的生产应用就是这种情况比较典型的例子(捣固焦高温性能指标很好，却在大高炉上应用很差，而高反应性焦炭高温性能指标很差，却在一些高炉应用很好)；三是富氢以后高炉内的H2O比例大幅增加，原来以纯CO2作为溶损介质的测试方法对富氢高炉存在较大误差。
综上，亟需一种根据富氢高炉炼铁的工艺特点制定更加准确的测量评价焦炭高温性能的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法。以解决现有技术中的焦炭高温性能缺乏合适的测量评价方法的问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法，包括以下步骤：
步骤1，测定焦炭试验的初始温度和比热容；
步骤2，将焦炭至于100％的N2氛围下，在第一设定温度下保温第一设定时间，得到第一过程焦炭；
步骤3，将第一过程焦炭至于35％CO2+5％H2O+60％N2的氛围下，在第二设定温度下保温第二设定时间，得到第二过程焦炭；
步骤4，将第二过程焦炭至于90％CO2+10％H2O的氛围下，在第三设定温度下保温第三设定时间，得到反应完全的焦炭；
步骤5，将反应完全的焦炭在氮气保护下冷却，称取焦炭的质量，计算焦炭的反应性；
步骤6，将冷却后的焦炭至于电子压力试验机中，进行抗压试验，同时红外热像仪放置在电子压力试验机的外侧，所述红外热像仪镜头的轴线垂直于焦炭的表面，所述红外热像仪拍摄抗压试验过程中红外图像；
步骤7，通过电子压力试验机获得焦炭的破碎功，通过红外热像仪拍摄的图像、初始温度和比热容获得焦炭的耗散热，通过破碎功和耗散热计算焦炭新生表面的消耗功；
步骤8，将步骤5获得的反应性和步骤7获得的消耗功作为焦炭高温性能的测量评价指标；所述消耗功越大，焦炭越不容易降解；所述反应性越大，焦炭越容易降解。
本发明的进一步改进在于：
优选的，所述焦炭的平均粒度d0的取值范围为10mm～30mm。
优选的，步骤2中，所述第一设定温度为105℃～115℃，第一设定时间为30min。
优选的，步骤3中，所述第二设定温度为700℃～850℃，第二设定时间为20min。
优选的，步骤4中，所述第三设定温度为1100℃，第三设定时间为2h。
优选的，所述焦炭反应性CI的计算公式为：
CI＝(m1-m2)/m1×100％； (1)
其中，m1为焦炭反应前的质量；m2为焦炭反应完全后的质量。
优选的，步骤6中，所述抗压试验的具体过程为，将焦炭放置于电子压力试验机中，逐渐增大电子压力试验机的压下量，直至焦炭破碎。
优选的，步骤7中，通过读取电子压力试验机的压力值F和位移s，计算得到焦炭的破碎功W，计算公式为：
W＝F×s (2)。
优选的，步骤7中，耗散热Q的计算公式为：
Q＝Cpm2(T1-T0) (3)
其中，Cp为比热容，T0为焦炭的初始温度，T1为焦炭破碎瞬间的温度，m2为焦炭反应完全后的质量。
优选的，步骤7中，消耗功CS的计算表达式为：
CS＝W-Q (4)
其中，W为焦炭的破碎功，Q为焦炭的耗散热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种高炉炼铁中焦炭高温性能的测量评价方法，包括以下步骤：称取预设质量m1的焦炭试样，焦炭试样的初始温度为T0和比热容为Cp；将称取的焦炭试样在35％CO2+5％H2O+60％N2的氛围下升温并保温；将块煤试样在20％CO2+80％N2的氛围下，升温至700℃～850℃并保温；将焦炭试样在90％CO2+10％H2O的氛围下升温至1100℃，然后将气氛切换为85％CO2+15％H2O，反应完全；计算获得焦炭反应性CI；通过红外热像仪和电子压力试验机测定反应后焦炭的破碎功和耗散热，以此计算得出反应后焦炭的新生表面能，用以表征焦炭的反应后强度。本发明的方法更准确、客观考虑了溶损后焦炭粒度降解的难易程度，这也是高炉对焦炭反应后强度的根本需求，因此，本方法所得到的结果比以往传统方法更加科学、准确。本发明的方法，可对富氢高炉炼铁中焦炭的高温性能进行测量评价，其考虑了富氢后高炉内H2O对焦炭高温溶损的影响，且更准确考虑了溶损劣化后的不同粒径焦炭对高炉的影响，评价结果相比传统的焦炭高温性能评价方法更加准确和符合实际。
本发明的方法，可对富氢高炉炼铁中焦炭的高温性能进行测量评价，其考虑了富氢后高炉内H2O对焦炭高温溶损的影响，且更准确考虑了溶损劣化后的不同粒径焦炭对高炉的影响，评价结果相比传统的焦炭高温性能评价方法更加准确和符合实际。
溶损后的焦炭作为多孔碳质材料，在高炉连续载荷作用下会破裂而产生粒度的降解，在这个过程中，大部分的机械能或破碎功会转化为焦炭颗粒的新生表面能，剩余大部分功会转化为耗散热，宏观上表现为材料的表面温度升高。因此，可通过测定溶损后焦炭的破碎功和耗散热，得出焦炭的新生表面所消耗功(新生表面能)用以评定焦炭的反应后强度，而采用新生表面能来评定焦炭的反应后强度实际上是充分考虑了溶损后不同粒径分布焦炭的影响，而不仅仅是大于10mm的焦炭颗粒所占比重。因此，相比传统的只考虑大于10mm的焦炭颗粒所占比重作为焦炭反应后强度的评价方法更为准确和全面。
本发明的方法，首次提出了采用新生表面能来评价焦炭的反应后强度，与传统通过转鼓设备将焦炭破碎后称取>10mm焦炭颗粒所占总重量的比例来作为焦炭反应后强度的方法相比，该方法全面考虑了焦炭降解形成所有粒径范围的影响。相比抗压强度，高炉更关心焦炭粒度在其内部会降解到什么程度和产生多少焦粉，这也是传统测定方法中最关心焦炭反应后强度CSR的原因。而焦炭粒度降解形成新表面所需要消耗的功越大，则其越不容易降解，也即焦炭的反应后强度越高，因此，采用新生表面能(新生表面所消耗功)来评定焦炭反应后强度能更准确的反映高炉的根本需求。
另外，本发明的工艺流程简单，工艺参数稳定，温度制度和气氛的变化与实际富氢高炉相符，得到的评价结果更加客观真实。具体的，以往传统高炉实验是在100％CO2氛围下进行溶损的，而富氢高炉由于H2还原氧化铁会产生较多的H2O，其含量从炉顶到炉身中下部约为5％～15％，本发明针对富氢高炉提出，对未来富氢高炉的推广有较好的实际意义。进一步地，本发明不使用体积庞大、噪声和误差都较大的转鼓设备，而采用精确的电子压力试验机进行，设备更易获取，也更易操作，测量结果误差小，便于在实验室进行测量；作为焦炭质量评价和控制指标，易于为生产单位接受，能够为实际生产提供指导。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述：
一种富氢高炉炼铁中焦炭高温性能的测量评价方法，包括以下步骤：
步骤1，称取预设质量m1的焦炭试样，并测定焦炭试样的初始温度T0和比热容Cp；焦炭试样的平均粒度d0的取值范围为10mm～30mm。
步骤2，将步骤1称取的焦炭试样在100％N2氛围下升温并保温；
步骤2具体步骤包括：将称取的焦炭试样置入密封的高温管式炉中，高温管式炉有进气口和出气口，在进气口通入N2，直至将炉内空气排尽；保持通入100％N2，将高温炉加热到105℃～115℃并保温30min，以蒸发掉焦炭试样中的水分。
步骤3，将步骤2处理后的焦炭试样在35％CO2+5％H2O+60％N2的氛围下，升温至700℃～850℃，然后保温20min；
作为优选的方案之一，将步骤2处理后的焦炭试样在35％CO2+5％H2O+60％N2的氛围下升到预定温度800℃,用于模拟实际高炉炉顶气氛和温度。
步骤4，将步骤3处理后的焦炭试样在90％CO2+10％H2O的氛围下升温至1100℃，然后将气氛切换为85％CO2+15％H2O，反应完全；
作为优选的方案之一，将步骤3处理后的焦炭试样在90％CO2+10％H2O的氛围下升温至预定1100℃，然后将气氛切换为85％CO2+15％H2O，反应2小时。
步骤5，将步骤4反应后的焦炭试样在N2的保护下冷却至室温，称取获得此时焦炭试样的质量m2，计算获得焦炭反应性CI，计算表达式为：
CI＝(m1-m2)/m1×100％； (1)
步骤6，将步骤5反应后的焦炭试样至于电子压力试验机中，然后将红外热像仪放在电子压力试验机外侧，使镜头的轴线与被测焦炭试样的表面垂直(此处假设焦炭为规则的球体，镜头的轴线垂直于焦炭试样球面上的任意一点即可)，通过位移控制方式进行抗压试验；步骤6在进行过程中，通过红外热像和电子压力试验机测定反应后焦炭的耗散热和破碎功。
具体的步骤为：
步骤6.1，将焦炭试样置于电子压力试验机中，缓慢控制电子压力试验机的压下量直至焦炭破碎，通过读取电子压力试验机上的参数如压力值和位移，计算得到该焦炭试样的破碎功。记录焦炭试样在破碎前的抗压位移s和压力F，计算得到反应后焦炭的破碎功，计算表达式为：
W＝F×s (2)
步骤6.2采用红外热像仪自带的专用红外热像处理软件对实验过程中得到的红外热像图进行处理，以得到焦炭试样在破碎瞬间的温度TI，计算反应后焦炭的耗散热，计算表达式为：
Q＝Cpm2(T1-T0) (3)
根据红外热像测定的焦炭在破碎前的温度，计算焦炭在抗压过程中由于电子压力试验机对焦炭做功而产生的耗散热。
步骤6.3，根据步骤6.1所得的破碎功和耗散热计算反应后焦炭试样的新生表面所消耗功CS，计算表达式为：
CS＝W-Q (4)
电子压力试验机对焦炭做的功即焦炭破碎功一部分转化为了焦炭粒度降解形成新表面所消耗的功即新生表面能，另一部分转化为了焦炭试样的热能即耗散热，通过测定总破碎功和耗散热可计算得到焦炭试样的新生表面能。新生表面能越大，则溶损后焦炭形成新表面所需要消耗的功越大，焦炭粒度越不容易降解，即焦炭反应后强度越高。
步骤7，将步骤5所得的焦炭反应性CI和步骤6所得的焦炭新生表面所消耗功CS(反应后强度)作为焦炭高温性能的评价指标。具体的，消耗功越大，焦炭越不容易降解；反应性越大，焦炭越容易降解。
实施案例
相比传统焦炭，捣固焦具有很好的高温性能即较低的高温反应性和较高的反应后强度(传统测试方法)，但其在很多高炉尤其在2000m3以上的大高炉中应用效果一直较差。选取国内某钢铁企业所用的捣固焦和普通焦炭，采用传统方法即GB/T 4000-2008分别测定其反应后强度，结果如表1所示。
从结果看到，采用传统方法测定捣固焦的高温性能明显好于普通焦，但该捣固焦在高炉上的实际应用效果却比普通焦差，且从反应后强度的平行实验可看到，采用传统转鼓设备测试的反应后强度平行实验结果相差明显，准确度较差。
表1.传统方法测定的捣固焦和普通焦的反应后强度
采用本发明方法对以上捣固焦和普通焦分别进行两组平行试验，最后取其平均值。分别测得其实验数据并进行计算得到结果如表2所示。
表2.本发明方法测定的捣固焦和普通焦的反应后强度
显然，采用本发明方法得到的普通焦的反应后强度(新生表面能)要明显好于捣固焦，这与实际生产结果是一致的，解决了以往评价方法偏离客观事实的情况，且该方法平行实验的误差很小，测定结果的精确度要远高于传统的转鼓方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，测定焦炭试验的初始温度和比热容；
步骤2，将焦炭至于100％的N2氛围下，在第一设定温度下保温第一设定时间，得到第一过程焦炭；
步骤3，将第一过程焦炭至于35％CO2+5％H2O+60％N2的氛围下，在第二设定温度下保温第二设定时间，得到第二过程焦炭；
步骤4，将第二过程焦炭至于90％CO2+10％H2O的氛围下，在第三设定温度下保温第三设定时间，得到反应完全的焦炭；
步骤5，将反应完全的焦炭在氮气保护下冷却，称取焦炭的质量，计算焦炭的反应性；
步骤6，将冷却后的焦炭至于电子压力试验机中，进行抗压试验，同时红外热像仪放置在电子压力试验机的外侧，所述红外热像仪镜头的轴线垂直于焦炭的表面，所述红外热像仪拍摄抗压试验过程中红外图像；
步骤7，通过电子压力试验机获得焦炭的破碎功，通过红外热像仪拍摄的图像、初始温度和比热容获得焦炭的耗散热，通过破碎功和耗散热计算焦炭新生表面的消耗功；
步骤8，将步骤5获得的反应性和步骤7获得的消耗功作为焦炭高温性能的测量评价指标；所述消耗功越大，焦炭越不容易降解；所述反应性越大，焦炭越容易降解。
2.根据权利要求1所述的一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法，其特征在于，所述焦炭的平均粒度d0的取值范围为10mm～30mm。
3.根据权利要求1所述的一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法，其特征在于，步骤2中，所述第一设定温度为105℃～115℃，第一设定时间为30min。
4.根据权利要求1所述的一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法，其特征在于，步骤3中，所述第二设定温度为700℃～850℃，第二设定时间为20min。
5.根据权利要求1所述的一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法，其特征在于，步骤4中，所述第三设定温度为1100℃，第三设定时间为2h。
6.根据权利要求1所述的一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法，其特征在于，所述焦炭反应性CI的计算公式为：
CI＝(m1-m2)/m1×100％； (1)
其中，m1为焦炭反应前的质量；m2为焦炭反应完全后的质量。
7.根据权利要求1所述的一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法，其特征在于，步骤6中，所述抗压试验的具体过程为，将焦炭放置于电子压力试验机中，逐渐增大电子压力试验机的压下量，直至焦炭破碎。
8.根据权利要求1所述的一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法，其特征在于，步骤7中，通过读取电子压力试验机的压力值F和位移s，计算得到焦炭的破碎功W，计算公式为：
W＝F×s (2)。
9.根据权利要求1所述的一种高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法，其特征在于，步骤7中，耗散热Q的计算公式为：
Q＝Cpm2(T1-T0) (3)
其中，Cp为比热容，T0为焦炭的初始温度，T1为焦炭破碎瞬间的温度，m2为焦炭反应完全后的质量。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的高炉炼铁用焦炭高温性能的测量评价方法，其特征在于，步骤7中，消耗功CS的计算表达式为：
CS＝W-Q (4)
其中，W为焦炭的破碎功，Q为焦炭的耗散热。
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