焦炭的用途工作原理

高爐冶煉早期以木炭為主，而后使用了無(wú)煙煤，再到后來(lái)的高爐幾乎都使用焦炭做燃料，并使用噴吹技術(shù)，從風(fēng)口噴吹的燃料已占全部燃料用量的10—3佻，有的達(dá)到了40%,用作噴吹的燃料主要有無(wú)煙煤和天然氣。一、焦炭在高爐中的作用焦炭在高爐中有一下幾個(gè)方面的作用：.發(fā)熱劑：焦炭在風(fēng)口前燃燒放出熱量而產(chǎn)生高溫，它使高爐內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行，并使渣、鐵熔化。高爐冶煉所消耗的熱量70—80%是由焦炭燃燒來(lái)提供的。.還原劑：焦炭中的固定碳C和它燃燒后產(chǎn)生的CO、H2與鐵礦石中的各級(jí)氧化物反應(yīng)后，將鐵還原出來(lái)。鐵礦石還原所需的還原劑幾乎全部由燃料所供給。.料柱骨架：高爐內(nèi)的鐵礦石和熔劑下降到高溫區(qū)時(shí)，全部軟化并熔化成液體，而焦炭則既不軟化也不熔化，所以它可以作為高爐內(nèi)料柱的骨架來(lái)支撐上部的爐料。焦炭在高爐料柱中約占整個(gè)體積的三分之一至二分之一，焦炭又是多孔的固體，同時(shí)它又起著改善料柱透氣性的作用。二、焦炭的物理性質(zhì)焦炭的物理性質(zhì)包括機(jī)械強(qiáng)度、篩分組成溫和孔度等，其中最主要的是機(jī)械強(qiáng)度。.機(jī)械強(qiáng)度焦炭的機(jī)械強(qiáng)度主要是指焦炭的耐磨性和抗沖擊的能力，其次是抗壓強(qiáng)度。它是重要的質(zhì)量指標(biāo)。焦炭的機(jī)械強(qiáng)度對(duì)高爐冶煉十分重要：若機(jī)械強(qiáng)度不好，在焦炭運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中和在爐內(nèi)下降的過(guò)程中，由于爐料與爐料之間、爐墻之間相互磨擦擠壓，會(huì)導(dǎo)致焦炭破裂而產(chǎn)生大量的粉末，在高爐冶煉過(guò)程中，這些粉末將滲入初渣中，增加初渣的粘度，降低了初渣的流動(dòng)性，增加了煤氣通過(guò)初渣帶上升的阻力，最終造成爐況不順，爐缸堆積，風(fēng)口燒壞等事故。目前我國(guó)各廠測(cè)定焦炭強(qiáng)度的方法是轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)。轉(zhuǎn)鼓的測(cè)定有兩種：大轉(zhuǎn)鼓和小轉(zhuǎn)鼓。以小轉(zhuǎn)鼓為好。小轉(zhuǎn)鼓是由鋼板制成的無(wú)穿心軸的密封圓筒轉(zhuǎn)鼓，鼓內(nèi)徑和鼓內(nèi)寬皆為1000mm,鼓壁厚6—8mm,內(nèi)壁每隔90度焊角鋼(100*50*10mm)一塊，共焊接四塊。試驗(yàn)時(shí)取50公斤大于60mm的焦炭試樣裝入鼓內(nèi)，以25轉(zhuǎn)每分的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)100轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)完后用直徑40mm和直徑lOnrni的圓孔篩篩分，以大于40mm的焦炭占焦炭試樣的分量百分?jǐn)?shù)作為破碎強(qiáng)度指標(biāo)，以小于10mm的焦炭占焦炭試樣的百分?jǐn)?shù)作為耐磨強(qiáng)度指標(biāo)。對(duì)于中型高爐用焦炭M40在60-70%,大型高爐M40在75%以上。M10均應(yīng)小于9%為好。焦炭的抗壓強(qiáng)度普通在9.81—14.71MPA,而高爐爐缸的實(shí)際壓力惟獨(dú)0.294—0.490MPA,但焦炭在爐內(nèi)高溫作用下，強(qiáng)度會(huì)有明顯的降低并產(chǎn)生碎裂。由于焦炭的強(qiáng)度指標(biāo)是在常溫、無(wú)化學(xué)作用的情況下測(cè)定的，所以它不能真正代表焦炭在高爐內(nèi)的實(shí)際強(qiáng)度，因此鑒定焦炭的強(qiáng)度(特殊是高溫下的強(qiáng)度)的合理方法尚待進(jìn)一步研究。.篩分組成焦炭的篩分組成是用篩分試驗(yàn)的方法來(lái)測(cè)量焦炭的粒度組成，計(jì)算各級(jí)粒度焦炭分量與焦炭總量的百分比。高爐大量使用熔劑性燒結(jié)燒結(jié)礦以來(lái)，礦石的粒度普遍降低，使焦炭和燒結(jié)礦間的粒度差別擴(kuò)大，這很不利于料柱透氣性的改善。實(shí)踐證明在大、中型高爐上使用25-40mm的中塊焦炭是可行的。從焦炭生產(chǎn)方面來(lái)看：在焦炭產(chǎn)品中，25—40mm的中塊焦炭?jī)H占14-15%,所以，適度降低入爐焦炭的粒度對(duì)于合理利用焦炭也是一項(xiàng)故意義的措施。.氣孔度焦炭的氣孔度表示在全部焦炭體積中氣孔所占的體積百分?jǐn)?shù)。高爐冶煉用焦炭的氣孔度大約在45—53%之間。氣孔度高可以改善焦炭的反應(yīng)性能，但過(guò)高時(shí)氣孔壁薄，會(huì)影響焦炭的強(qiáng)度，目前對(duì)冶金焦炭的氣孔度還沒(méi)有具體要求。三、焦炭的化學(xué)性質(zhì)焦炭的化學(xué)性質(zhì)通常是以焦炭的工業(yè)分析來(lái)表示的。工業(yè)分析的內(nèi)容包括：固定碳、灰分、硫分、揮發(fā)分和水分的含量，除水分外其它組成均以干焦基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算。L固定碳和灰分焦炭中固定碳含量應(yīng)盡量高，灰分含量應(yīng)盡量低。這是因?yàn)榻固恐械墓潭ㄌ己坑?，焦炭的發(fā)熱量愈大，還原劑愈多，愈有利于降低焦比。焦炭中固定碳的含量的高低，主要影響來(lái)自灰分。固定碳的含量普通通過(guò)計(jì)算方法求得：C（固定）=100一（灰分+揮發(fā)分+有機(jī)物）焦炭中的灰分不僅對(duì)固定碳含量影響較大，而且會(huì)導(dǎo)致焦炭的耐磨強(qiáng)度降低，粉末增加?；曳值闹饕煞菔撬嵝缘腟I02和AL203,它們約占灰分總量的80%以上，灰分增加勢(shì)必導(dǎo)致熔劑耗量和渣量的增加，使焦比升高，產(chǎn)量下降。.硫和磷在高爐冶煉中，有80%擺布的硫是由焦炭帶入的，因此降低焦炭中的含硫量對(duì)降低生鐵含硫起著很大的作用?？刂泼旱暮蛄亢秃线m的配煤比是控制焦炭含硫量的基本途徑。焦炭中普通含磷很少。.揮發(fā)分揮發(fā)分是煉焦過(guò)程中未分解揮發(fā)完的有機(jī)物質(zhì)，主要是碳、氫、氧及少量的硫和氮。當(dāng)焦炭進(jìn)入高爐再次加熱到850—900攝氏度以上時(shí)，就以H2、CH4、N2等氣體形式揮發(fā)出來(lái)。揮發(fā)分本身對(duì)進(jìn)入高爐冶煉并無(wú)影響，但它是一個(gè)表示焦炭成熟程度的指標(biāo)。正常情況下?lián)]發(fā)分的含量普通在0.7—1.2%之間，含量過(guò)高的焦炭不夠成熟，夾生焦多，這種焦炭強(qiáng)度差，進(jìn)入高爐后易碎裂產(chǎn)生粉末，影響料柱透氣性。而含量過(guò)低則表示結(jié)焦過(guò)大，這種焦炭裂紋多，極脆，對(duì)高爐冶煉不利。.水分焦炭中的水分是在打水熄焦時(shí)滲入的，通常為2-6%o焦炭中的水分在高爐上部即可蒸發(fā)完畢，對(duì)高爐冶煉沒(méi)有影響。但要求焦炭中的水分含量穩(wěn)定，因?yàn)榻固慷际前捶至咳霠t的，水分的波動(dòng)必然會(huì)引起干焦量的波動(dòng)，終于導(dǎo)致?tīng)t缸熱制度的波動(dòng)。四、焦炭的物理化學(xué)性質(zhì)焦炭的物理化學(xué)性質(zhì)包括焦炭的燃燒性和反應(yīng)性兩個(gè)方面。焦炭的燃燒性是指焦炭與氧在一定的溫度條件下反應(yīng)生成C02的速度。也即燃燒速度，其反應(yīng)式為：C+02=C02焦炭的反應(yīng)性是指焦炭在一定的溫度下和C02作用，生成C0的反應(yīng)速度，其反應(yīng)式為：C+C02=2C0在一定溫度下，這兩個(gè)反應(yīng)速度愈快則表示焦炭的燃燒性和反應(yīng)性愈好，它們對(duì)高爐冶煉的影響還有待于進(jìn)一步研究。普通來(lái)說(shuō)焦炭的燃燒性和反應(yīng)性主要取決于焦炭的結(jié)構(gòu)、塊度溫和孔度，而焦炭的結(jié)構(gòu)基本是由元煤成份、煉焦工藝決定的。塊度大，氣孔度低，堆比重大和灰分高的焦炭燃燒性和反應(yīng)性較差；相反，如果焦炭的塊度小而合適，氣孔度高，堆比重不大而含水量、灰分又低的焦炭其燃燒性和反應(yīng)性都較好。五、焦炭的生產(chǎn)流程現(xiàn)代焦炭的生產(chǎn)過(guò)程分為：洗煤、配煤、煉焦和產(chǎn)品處理等工序。洗煤就是將元煤在煉焦之前先進(jìn)行洗選的過(guò)程，其目的是降低煤中所含的灰分和洗除煤中的其它雜志。配煤是將各種結(jié)焦性能不同的煤經(jīng)過(guò)洗選后，按一定比例配合進(jìn)行煉焦，其目的是在保證焦炭質(zhì)量的前提下，擴(kuò)大煉焦煤的使用范圍，合理利用國(guó)家資源，并盡可能多的得到一些化工產(chǎn)品。煉焦是將配合好的煤粉，裝入煉焦?fàn)t的碳化室，在隔絕空氣的條件下通過(guò)兩側(cè)的燃燒室加熱干儲(chǔ)，再經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，最后獲得質(zhì)量合格的冶金焦。焦炭產(chǎn)品處理是將由爐內(nèi)推出的熾熱的焦炭經(jīng)噴水熄火或者干熄火后，進(jìn)行篩分分級(jí)，獲得不同粒度的焦炭產(chǎn)品，分別送往高爐和燒結(jié)等用戶。六、煉焦用煤煤按其生成的地質(zhì)年代的長(zhǎng)短可分為：泥煤、褐煤、煙煤及無(wú)煙煤四種。用于煉焦的主要是煙煤。煙煤根據(jù)地質(zhì)年代的長(zhǎng)短和變質(zhì)程度的高低，可分為：長(zhǎng)焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤及貧煤六種。.長(zhǎng)焰煤長(zhǎng)焰煤的結(jié)焦性很差，無(wú)法在現(xiàn)代焦?fàn)t中成焦，如在配煤中配入量較多，碳的耐磨性就很差。.氣煤氣煤在加熱時(shí)可得到較多的膠質(zhì)體，但此類膠質(zhì)體的熱穩(wěn)定性差，易分解。由半焦轉(zhuǎn)成焦炭時(shí)，產(chǎn)生大量的揮發(fā)分，因此生產(chǎn)出來(lái)的焦炭收縮大、裂紋多，塊度小且易碎。在配煤中適度增加氣煤，可提高化學(xué)副產(chǎn)品的產(chǎn)量，增加焦炭收縮，有利于推焦。.焦煤焦煤具有中等膠質(zhì)層和中等可燃基揮發(fā)分。加熱時(shí)可生成熱穩(wěn)定性好的膠質(zhì)體。多數(shù)焦煤在單獨(dú)煉焦時(shí)，都可以獲得塊度大、裂紋少、耐磨性好的焦炭。但單獨(dú)煉焦時(shí)，推焦艱難，不利于對(duì)爐墻的保護(hù)，并且由于焦煤儲(chǔ)量不多，從提高焦炭的強(qiáng)度和節(jié)約焦煤的角度出發(fā)，只能在配煤中適度加入焦煤。.肥煤肥煤在加熱時(shí)能產(chǎn)生大量的膠質(zhì)。單獨(dú)使用這種煤煉焦時(shí)，生產(chǎn)出來(lái)的焦炭融熔性好，但容易產(chǎn)生較多的橫向裂紋，易碎，生成小焦塊等。由于它具有很強(qiáng)的粘結(jié)性，可粘結(jié)一部份弱粘結(jié)性煤，所以它是配煤中的重要成份。.瘦煤瘦煤的變質(zhì)程度較高，揮發(fā)分低，加熱時(shí)膠質(zhì)體數(shù)量少，普通瘦煤能結(jié)焦，但塊度大裂紋少，不耐磨。配煤中加入少量瘦煤可以提高焦炭的塊度。.貧煤貧煤的變質(zhì)程度較瘦煤高，有揮發(fā)分而無(wú)膠質(zhì)和粘結(jié)性，配入少量貧煤可以做瘦化劑。以上幾種煤在實(shí)際生產(chǎn)中普通不單獨(dú)使用，而是幾種煤配合使用。這就是配煤煉焦。普通要求是：配煤中灰分的含量不高于10—12%,硫不大于1.0—1.2%；揮發(fā)分在25-30%；膠質(zhì)層厚度為15—20mm。配煤中普通增加焦煤減少氣煤可以提高焦炭的轉(zhuǎn)鼓強(qiáng)度。七、噴吹燃料從風(fēng)口向高爐中噴吹燃料目前已被大量使用，噴吹燃料可分為氣體燃料、液體燃料和固體燃料三種。氣體燃料有天然氣、焦?fàn)t煤氣等，液體燃料有重油、焦油等，固體燃料有無(wú)煙煤和煙煤。各國(guó)的燃料資源不同，噴吹的燃料也不同，我國(guó)的噴吹燃料以無(wú)煙煤為主，也有噴吹天然氣的，或者采用以無(wú)煙煤為主配加少量煙煤進(jìn)行噴吹的。八、生鐵去硫硫是危害生鐵質(zhì)量的主要有害因素。如何提高冶煉過(guò)程中的脫硫效率，獲得優(yōu)質(zhì)生鐵是高爐冶煉的主要任務(wù)之一。在一定原燃料條件下，充分發(fā)揮爐渣的脫硫能力是冶金工作者努力的方向。高爐中的硫全部是由爐料帶入的，爐內(nèi)的硫大約有70—80%來(lái)自燃料（它包括焦炭和煤粉），其余為礦石、熔劑等所帶入。硫在不同爐料中以不同的形態(tài)存在，焦炭和煤粉中的硫主要以有機(jī)硫的形勢(shì)存在，少量的以硫酸鹽和硫化物的形式存在。硫酸鹽和硫化物存在于燃料的灰分中。天然礦石和熔劑中的硫以硫鐵礦形態(tài)存在，也有以硫酸鹽的形態(tài)存在的。燒結(jié)礦和球團(tuán)礦中的硫以硫化物的形態(tài)存在。硫是影響鋼鐵質(zhì)量的主要因素。因?yàn)殇撝泻谐^(guò)規(guī)定限量的硫，會(huì)使鋼產(chǎn)生熱脆性，在軋鋼或者鍛造過(guò)程中，鋼材易浮現(xiàn)裂紋。鑄造生鐵中含有過(guò)量的硫,則易使鑄件產(chǎn)生熱脆性，同時(shí)還降低了鐵水鑄造時(shí)的填充性能。因此國(guó)家規(guī)定制鋼生鐵含硫量不大于0.07%,鑄造生鐵含硫量不大于0.06%,超過(guò)此含量的生鐵均為號(hào)外生鐵即廢品。所以，盡量降低生鐵中的含硫量是冶煉優(yōu)質(zhì)生鐵的關(guān)鍵，也是冶金工作者努力的目標(biāo)。九、硫的還原高爐中的硫主要來(lái)自于礦石、石灰石、焦炭等爐料中，礦石和石灰石中的硫主要以黃鐵礦和硫酸鹽等形式存在，酸性燒結(jié)礦、球團(tuán)礦中主要為FES,自熔性燒結(jié)礦和球團(tuán)礦中